基于gps/北斗和有限狀態(tài)機的守時系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種守時系統(tǒng)，特別是涉及一種利用GPS或北斗衛(wèi)星所發(fā)出的標準時間信號對于晶體振蕩器進行馴服控制的基于GPS/北斗和有限狀態(tài)機的守時系統(tǒng)，適用于電力系統(tǒng)及通信等需要高精度守時系統(tǒng)和嚴格的時間基準的行業(yè)或部門。
【背景技術(shù)】
[0002]在電力系統(tǒng)及通信等需要高精度守時系統(tǒng)和嚴格的時間基準的行業(yè)或部門中，人們對時間測量的精度和同步性要求越來越高，尤其是要求分布在不同區(qū)域的儀器能夠?qū)崿F(xiàn)時間的同步采集，并且在相當長的時間內(nèi)保證該時間的同步性，因此對時鐘系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了非常高的要求。這個要求不僅體現(xiàn)在每個時鐘裝置的穩(wěn)定性上，同時要求各個裝置之間的時鐘要同步匹配。而目前市面上的晶振短時穩(wěn)定性較好，但長時間工作后存在較大的累計誤差。此外，不同晶振之間即使是同一批生產(chǎn)的晶振，個體間也是有一定差異的，應(yīng)用在高精度的儀器中將會帶來嚴重的累計誤差。而一些高精度的晶振，由于價格昂貴，并不能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用的普及，并且也同樣存在一定的累計誤差，無法滿足高精度時鐘系統(tǒng)的要求。
[0003]GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)或北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠提供遠距離傳輸?shù)母呔然鶞蕰r間信號，具有高精度定位、授時和測速能力。GPS或北斗衛(wèi)星發(fā)出的秒脈沖信號具有長期穩(wěn)定性好的特點。由于GPS為美國軍方所開發(fā)，受到一些不可控因素的影響，用GPS時鐘做為唯一時鐘源對于時鐘系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性存在一定的安全隱患。同時，我國的衛(wèi)星導航事業(yè)不斷發(fā)展，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)為我們開辟了一條新途徑。隨著近幾年我國該技術(shù)的成熟，提供了另一種可靠的，高精度的授時方案。本發(fā)明使用北斗/GPS作為系統(tǒng)的標準時鐘源，利用FPGA設(shè)計守時電路和有限狀態(tài)機，對本地時鐘信號進行調(diào)頻調(diào)相處理，輸出校準后的標準秒脈沖，在保證系統(tǒng)時間同步的同時，實現(xiàn)衛(wèi)星失鎖后較長時間內(nèi)的時間精度和穩(wěn)定性的保持。
[0004]GPS/北斗衛(wèi)星時鐘晶體振蕩器馴服技術(shù)中，李方洲等在論文《高精度壓控晶振頻率特性分析及控制系統(tǒng)》中提出根據(jù)GPS衛(wèi)星的秒信號建立晶振的一元二次方程，以此為依據(jù)對晶振進行修正，此種方法需要事先對晶振進行大量測試，但由于晶體振蕩器本身的離散性以及生產(chǎn)工藝上的差異，此方法不具備普遍性。李展等在論文《基于單片機和GPS信號的校頻系統(tǒng)》中提出利用單片機讀入GPS/北斗衛(wèi)星的標準脈沖與晶振分頻之后的相差，建立其數(shù)字鎖相環(huán)，再根據(jù)鎖相環(huán)的輸出調(diào)整恒溫晶振的控制電壓，但文獻并沒有給出數(shù)字鎖相環(huán)的具體設(shè)計方法；陳貴軍在論文《基于北斗和GPS授時系統(tǒng)的研制》中提出利用單片機控制一些數(shù)字芯片構(gòu)成的守時電路實現(xiàn)GPS/北斗雙模馴服晶體振蕩器，但系統(tǒng)為分立元件構(gòu)成，維護成本較高，穩(wěn)定性和可靠性不好。此外，上述文獻均未能使用FPGA設(shè)計有限狀態(tài)機實現(xiàn)守時系統(tǒng)的設(shè)計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)的以上不足，鑒于現(xiàn)有的GPS或北斗衛(wèi)星信號和晶體振蕩器的一些特性，提供一種基于GPS/北斗和有限狀態(tài)機的守時系統(tǒng)。本發(fā)明利用衛(wèi)星所提供的標準秒脈沖信號，通過FPGA構(gòu)建頻率調(diào)整算法和設(shè)計有限狀態(tài)機對晶體振蕩器進行馴服控制，使晶體振蕩器經(jīng)分頻輸出的秒信號與GPS衛(wèi)星或北斗衛(wèi)星的標準時間鎖定進行校準，實現(xiàn)其與標準時間信號的同頻同相輸出。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是。
[0007]一種基于GPS/北斗和有限狀態(tài)機的守時系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括標準時鐘模塊1、FPGA模塊2、波形轉(zhuǎn)換電路3、D/A轉(zhuǎn)換器4、恒溫晶體振蕩器5等部分，其中所述標準時鐘模塊I中包括GPS接收機1.1，北斗衛(wèi)星接收機1.2，時鐘源選擇單元1.3 ;所述FPGA模塊2中包括頻率計單元2.1,晶振頻率校正單元2.2,跟蹤/守時控制門2.3,超前/滯后相差檢測單元2.4，相位超前/滯后脈沖處理單元2.5，分頻單元2.6，相位調(diào)整狀態(tài)機單元2.7。
[0008]FPGA模塊2為整個系統(tǒng)的核心，F(xiàn)PGA模塊2的BD_GPS_1PPS引腳與標準時鐘模塊I相連，CLK_10M引腳與波形轉(zhuǎn)換電路3的輸出端相連，DA_SCLK、DA_SYNC、DA_DIN分別與D/A轉(zhuǎn)換器4相連。
[0009]頻率計單元2.1接收CLK_10M輸入的時鐘，對其頻率進行測量。
[0010]晶振頻率校正單元2.2根據(jù)頻率的測量結(jié)果在固定時間間隔下向D/A轉(zhuǎn)換器4發(fā)送控制指令，使其對恒溫晶體振蕩器5的輸出頻率進行校正。
[0011]跟蹤/守時控制門2.3的輸入分別與標準時鐘模塊I的輸出和跟蹤/守時控制開關(guān)TK_Convert相連，根據(jù)需求切換當前系統(tǒng)狀態(tài)。
[0012]超前/滯后相差檢測單元2.4的輸入端為二分頻后的標準時鐘信號和CLK_10M信號，判斷二者相位的狀態(tài)，輸出不同的電平，改變狀態(tài)機的狀態(tài)。
[0013]相位超前/滯后脈沖處理單元2.5的輸入為CLK_10M信號和超前/滯后處理控制端lead_flag、leg_flag,對輸出進行相位超前/滯后的調(diào)整,消除其與標準時鐘的相位差。
[0014]分頻單元2.6對經(jīng)過相位超前/滯后脈沖處理單元2.5調(diào)整后信號進行分頻處理，使輸出為規(guī)定占空比的秒信號。
[0015]相位調(diào)整狀態(tài)機單元2.7作為相差調(diào)整的控制部分，根據(jù)超前/滯后相差檢測單元2.4的輸出使系統(tǒng)轉(zhuǎn)入不同的狀態(tài)進行信號的處理。
[0016]GPS接收機1.1接收來自GPS衛(wèi)星的標準UTC時間信號，輸出與UTC時間同步的IPPS秒脈沖。
[0017]北斗衛(wèi)星接收機1.2接收來自北斗衛(wèi)星的UTC時間信號，輸出與UTC時間同步的IPPS秒脈沖。
[0018]兩接收機輸出的IPPS秒脈沖與時鐘源選擇單元1.3相連并由FPGA模塊2進行控制，輸出GPS或北斗接收到的秒脈沖信號，并發(fā)送至跟蹤/守時控制門2.3。
[0019]波形轉(zhuǎn)換電路3將恒溫晶體振蕩器5輸出的1MHz正弦波轉(zhuǎn)換為同頻率的方波信號，便于FPGA模塊2進行處理，該部分由偏置電路和施密特觸發(fā)器芯片構(gòu)成。
[0020]D/A轉(zhuǎn)換器4與FPGA模塊2的DA_SCLK、DA_SYNC、DA_DIN弓丨腳相連，接受FPGA模塊2的控制，輸出模擬電壓，該電壓與恒溫晶體振蕩器5的控制電壓引腳相連，對恒溫晶體振蕩器5的輸出頻率進行校正。
[0021 ] 恒溫晶體振蕩器5的輸出經(jīng)過波形轉(zhuǎn)換電路3后分別與FPGA模塊2的超前/滯后相差檢測單元2.4、相位超前/滯后脈沖處理單元2.5相連，將該1MHz方波信號輸入至FPGA模塊2。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是。
[0023]本發(fā)明以GPS/北斗時鐘模塊輸出的IPPS秒脈沖為基準，通過FPGA構(gòu)建狀態(tài)機及各單元電路，與相關(guān)外圍電路協(xié)同作用，對恒溫晶體振蕩器進行馴服控制，對其輸出的脈沖進行分頻、調(diào)頻調(diào)相，使其輸出與GPS或北斗衛(wèi)星輸出的IPPS脈沖完全同步的標準秒脈沖信號。當GPS/北斗衛(wèi)星失鎖時，能夠在相當長的時間內(nèi)使其輸出的秒脈沖保持在衛(wèi)星未失鎖時的精度。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明的原理框圖。
[0025]圖2為時鐘源模塊的內(nèi)部框圖。
[0026]圖3為FPGA模塊的原理框圖。
[0027]圖4為有限狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合圖1、圖2和圖3，對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0029]本發(fā)明給出的這種基于GPS/北斗和有限狀態(tài)機的守時系統(tǒng)，包括標準時鐘模塊UFPGA模塊2、波形轉(zhuǎn)換電路3、DA轉(zhuǎn)換器4、恒溫晶體振蕩器5等部分。上述系統(tǒng)中，標準時鐘模塊I中包括GPS接收機1.1，北斗衛(wèi)星接收機1.2，時鐘源選擇單元1.3。FPGA模塊包括頻率計單元2.1，晶振頻率校正單元2.2，跟蹤/守時控制門2.3，超前/滯后相差檢測單元2.4，相位超前/滯后脈沖處理單元2.5，分頻單元2.6，相位調(diào)整狀態(tài)機單元2.7。
[0030]上述系統(tǒng)中，GPS接收機1.1輸入與GPS天線相連，輸出與時鐘源選擇單元1.3相連。北斗衛(wèi)星接收機1.2的輸入與北斗天線相連，輸出與時鐘源選擇單元1.3相連。
[0031 ] FPGA模塊2的BD_GPS_1PPS弓丨腳與標準時鐘模塊I相連，CLK_10M弓丨腳與波形轉(zhuǎn)換電路3的輸出端相連，DA_SCLK、DA_SYNC、DA_DIN分別與D/A轉(zhuǎn)換器4相連。頻率計單元2.1與CLK_10M相連，晶振頻率校正單元2.2與頻率計單元2.1相連，跟蹤/守時控制門2.3的輸入分別與標準時鐘模塊I的輸出和跟蹤/守時控制開關(guān)TK_ConVer相連，超前/滯后相差檢測單元2.4的輸入與二分頻后的標準時鐘信號和CLK_10M信號相連，相位超前/滯后脈沖處理單元2.5與CLK_10M信號和超前/滯后處理控制端lead_fla