時間統(tǒng)一系統(tǒng)同步誤差測量方法研究

涂文杰 楊 雷 譚顯春

1中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064

2海軍駐大連船舶重工（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，遼寧 沈陽116001

時間統(tǒng)一系統(tǒng)同步誤差測量方法研究

涂文杰1楊 雷2譚顯春1

1中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064

2海軍駐大連船舶重工（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，遼寧 沈陽116001

傳統(tǒng)的人工時間同步誤差的測量方法存在操作復(fù)雜和效率低下的缺點(diǎn)。為解決這些問題，提出一種同步誤差的測量方法，該方法基于復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）技術(shù)，并利用全球定位系統(tǒng)來測量時間統(tǒng)一系統(tǒng)的同步誤差。相對于傳統(tǒng)的測量方法，該方法顯著提高了同步誤差測量的智能化程度，減輕了測試人員的工作量。通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)方案的可行性及正確性。

時間統(tǒng)一系統(tǒng)；全球定位系統(tǒng)；可編程邏輯器件；同步誤差

1 引言

時間統(tǒng)一作為信息化戰(zhàn)爭中實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場態(tài)勢感知共享［1］的前提條件，在艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)［2］、編隊(duì)指揮系統(tǒng)中起著日益重要的作用，時間統(tǒng)一系統(tǒng)已經(jīng)成為信息化戰(zhàn)爭中的重要保障設(shè)備，在艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。

時間同步誤差是時間統(tǒng)一系統(tǒng)［3，4］中最為關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)之一，它直接反映時間統(tǒng)一系統(tǒng)的效能。傳統(tǒng)的時間統(tǒng)一系統(tǒng)時間同步誤差的測量是利用GPS接收設(shè)備產(chǎn)生基準(zhǔn)脈沖信號，利用高精度示波器與被測脈沖信號進(jìn)行比對，測試人員通過主觀判斷，人工記錄其時間同步誤差值。一方面測試設(shè)備數(shù)量多操作復(fù)雜；另一方面在大批量測試時，需要逐個測試、分類和統(tǒng)計(jì)，工作量較大。因此需要研究一種使用簡便、智能化程度高的測量系統(tǒng)。

本文提出了一種集成全球定位系統(tǒng)（GPS），并采用復(fù)雜可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)的時間統(tǒng)一系統(tǒng)同步誤差測量系統(tǒng)。

2 全球定位系統(tǒng)

全球定位系統(tǒng)［5，6］是美國于1993年全面建成并運(yùn)行的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航、定位和授時系統(tǒng)。本方法主要是利用GPS的精確授時的特點(diǎn)。

GPS接收器采用美國 GARMIN公司推出GPS OEM板。它采用＋5 V電源供電。有12通道，最多可同時跟蹤12顆衛(wèi)星，如果打開秒脈沖，可同時跟蹤11顆衛(wèi)星。它自動捕獲衛(wèi)星信息的時間小于2 s，熱啟動時間約為15 s（初始化位置和時間已知），冷啟動時間約為45 s（初始化位置和時間已知）。NMEA0183信息更新輸出間隔從1 s到900 s可設(shè)定，RS－232輸出，比特率從300～38 400 bps可選。GPS25LVS模塊在任意時刻能同時接收其視野范圍里4～11顆衛(wèi)星信息，其內(nèi)部硬件電路和軟件通過對接收到的信息進(jìn)行解碼和處理，能從中提取并輸出兩種時間信號：1）間隔為1 s的秒脈沖信號1PPS；2）經(jīng)串行口輸出的與1PPS脈沖前沿對應(yīng)的協(xié)調(diào)世界時（UTC）和日期代碼。若以1PPS信號和協(xié)調(diào)世界時作為基準(zhǔn)時間分別與時間統(tǒng)一系統(tǒng)的時碼信息和秒脈沖信號進(jìn)行比較，便可以得到時間統(tǒng)一系統(tǒng)的時間同步誤差。

3 復(fù)雜可編程邏輯器件及Quartus II開發(fā)平臺

時間統(tǒng)一系統(tǒng)時間同步誤差達(dá)到微秒級，而單片機(jī)對時間的分辨能力很低，不能滿足時間同步誤差的測量精度要求。因此，本設(shè)計(jì)選用ALTERA公司的MAXII系列復(fù)雜CPLD［7，8］。其高性能和高密度是基于它先進(jìn)的多重陣列矩陣架構(gòu)。它采用E2CMOS工藝制作，傳播延遲最小為3.5 ns，可以實(shí)現(xiàn)速度高于200 MHz的計(jì)數(shù)器。如果選用50 MHz的時鐘信號，時間同步誤差測量精度達(dá)到20 ns。完全滿足時間統(tǒng)一系統(tǒng)的測量精度要求。ALTERA公司推出的QuartusⅡ軟件是一款易于使用的開發(fā)工具，其界面友好、集成化程度高、兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、支持MAXⅡ等系列產(chǎn)品。CPLD要實(shí)現(xiàn)的邏輯功能一般是在QuartusⅡ環(huán)境下通過硬件描述語言開發(fā)出來的，并能脫離硬件對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真，在確認(rèn)邏輯功能正確無誤的情況下，通過并行口下載到CPLD中。CPLD在實(shí)際應(yīng)用中有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）以內(nèi)部連線代替外部器件的連接，降低了噪聲干擾，實(shí)現(xiàn)了線路互聯(lián)的較短延時。工作頻率最高達(dá)到200 MHz。

2）可以在線編程，提高了系統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)和調(diào)試效率。

3）在實(shí)際調(diào)試前，可由QuartusⅡ開發(fā)平臺對CPLD的邏輯功能進(jìn)行仿真，確保了系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)的正確性。

4 時間統(tǒng)一系統(tǒng)同步誤差測量的實(shí)現(xiàn)方案

時間統(tǒng)一系統(tǒng)通過兩種時間信號向各種艦載系統(tǒng)授時。一種是時碼信息（包括串口時碼、網(wǎng)絡(luò)時碼），另一種是秒脈沖信號。時間統(tǒng)一系統(tǒng)同步誤差包括時碼信息的誤差和秒脈沖信號誤差。時間統(tǒng)一系統(tǒng)時碼信息發(fā)送速率較低，通常一秒發(fā)送一次。因此可以通過計(jì)算機(jī)軟件來測量時碼信息的誤差。時間統(tǒng)一系統(tǒng)秒脈沖信號同步誤差達(dá)到微秒級。因此必須通過硬件實(shí)現(xiàn)對秒脈沖信號同步誤差的測量。測量系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、GPS模塊、秒脈沖同步誤差測量模塊組成。測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.1 時間統(tǒng)一系統(tǒng)時碼信息同步誤差測量

利用計(jì)算機(jī)解讀GPS模塊輸出的報(bào)文信息可以得到協(xié)調(diào)世界時的時分秒信息。報(bào)文信息通常使用NMEA－0183［9］格式輸出，目前廣泛使用V3.0版本，輸出的數(shù)據(jù)代碼為ASCⅡ碼字符。在NMEA－0183的主要語句中，GPRMC為時間、定位和日期輸出語句，其標(biāo)準(zhǔn)格式為：

￥GPRMC，hhmmss.ss，a，ddmm.mmmm，n，dddmm.mmmm，w，z.z，y.y，ddmmyy，d.d，v*CC＜CR＞＜LF＞

每一項(xiàng)以逗號相隔，其中第一項(xiàng)為格林威治時間的時、分、秒信息；第九項(xiàng)為格林威治時間的日、月、年信息；第二項(xiàng)為定位數(shù)據(jù)是否有效信息，“A”表示有效，“V”表示警告或者數(shù)據(jù)無效。計(jì)算機(jī)通過解讀此報(bào)文信息便可解算出標(biāo)準(zhǔn)北京時間。同時計(jì)算機(jī)通過串口或網(wǎng)絡(luò)接收時間統(tǒng)一系統(tǒng)的時間信息。

計(jì)算機(jī)以GPS模塊輸出的時間信息為基準(zhǔn)，判斷時間統(tǒng)一系統(tǒng)時間信息是否與GPS模塊輸出的時間信息保持一致。如果GPS模塊輸出的時間信息與時間統(tǒng)一系統(tǒng)時間信息不一致，計(jì)算機(jī)自動記錄時間同步誤差值和超差時刻。

4.2 時間統(tǒng)一系統(tǒng)秒脈沖同步誤差測量

時間統(tǒng)一系統(tǒng)秒脈沖同步誤差的測量是以GPS秒脈沖信號做為基準(zhǔn)信號，通過CPLD進(jìn)行邏輯運(yùn)算得到時間統(tǒng)一系統(tǒng)秒脈沖與基準(zhǔn)秒脈沖之間的時間差值，然后通過串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)。整個過程都在一片CPLD內(nèi)完成。邏輯電路圖如圖2所示。

具體工作過程如下：

1）首先將輸入秒脈沖做抗干擾處理，實(shí)現(xiàn)方法是將GPS秒脈沖信號和時間統(tǒng)一系統(tǒng)秒脈沖信號分別接到D觸發(fā)器的輸入端，用50 MHz時鐘信號做為D觸發(fā)器的時鐘信號。用此方法脈寬小于20 ns的干擾脈沖信號將被過濾掉，起到抗干擾的作用。

圖2 邏輯電路圖

2）經(jīng)過抗干擾處理后的GPS秒脈沖信號和時間統(tǒng)一系統(tǒng)秒脈沖信號分別接到一個與門和一個或門。即將GPS秒脈沖信號和時間統(tǒng)一系統(tǒng)秒脈沖信號經(jīng)過或門得到的信號連接到計(jì)數(shù)器的使能端；GPS秒脈沖信號和時間統(tǒng)一系統(tǒng)秒脈沖信號經(jīng)過或門得到的信號經(jīng)過反相器連接到計(jì)數(shù)器的清零端；將計(jì)數(shù)器的clk端接入50 MHz的時鐘信號；將計(jì)數(shù)器的輸出端接到鎖存器的輸入端；GPS秒脈沖信號和時間統(tǒng)一系統(tǒng)秒脈沖信號經(jīng)過與門得到的信號連接到鎖存器的clk端。采用上述電路，可以得到GPS秒脈沖信號和時間統(tǒng)一系統(tǒng)秒脈沖信號前沿之間的誤差值，通過鎖存器的輸出端輸出。

工作過程分兩種情況：第一種情況是GPS秒脈沖信號超前于時間統(tǒng)一系統(tǒng)秒脈沖到來。當(dāng)GPS秒脈沖前沿到來時，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。當(dāng)時間統(tǒng)一系統(tǒng)秒脈沖前沿到來時，計(jì)數(shù)器輸出值傳遞到鎖存器的輸出端。第二種情況是GPS秒脈沖信號滯后于時間統(tǒng)一系統(tǒng)秒脈沖到來。當(dāng)時間統(tǒng)一系統(tǒng)秒脈沖前沿到來時，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。當(dāng)GPS秒脈沖前沿到來時，計(jì)數(shù)器輸出值傳遞到鎖存器的輸出端。

3）將GPS秒脈沖信號接到D觸發(fā)器的輸入端；將時間統(tǒng)一系統(tǒng)秒脈沖信號接到D觸發(fā)器的時鐘端。采用上述電路，根據(jù)D觸發(fā)器的輸出信號可以判斷時間統(tǒng)一系統(tǒng)秒脈沖信號與GPS秒脈沖信號在時間上的前后關(guān)系。當(dāng)D觸發(fā)器輸出為高電平時，時間統(tǒng)一系統(tǒng)秒脈沖信號滯后于GPS秒脈沖信號；當(dāng)D觸發(fā)器輸出為低電平時，時間統(tǒng)一系統(tǒng)秒脈沖信號超前于GPS秒脈沖信號。

4）由計(jì)數(shù)器輸出信號和D觸發(fā)器輸出信號可以得到時間統(tǒng)一系統(tǒng)秒脈沖同步誤差。通過移位寄存器將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)，然后發(fā)送到計(jì)數(shù)器，然后發(fā)送到計(jì)算機(jī)串口。

4.3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件采用Visual C＋＋工具設(shè)計(jì)，采用Windows XP操作系統(tǒng)做為軟件運(yùn)行平臺。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化，主要由外部信息接收部件、信息處理部件、顯示部件組成。

1）外部信息接收部件主要功能是通過多個串口分別接收GPS模塊時碼信息、時間統(tǒng)一系統(tǒng)時間信息、秒脈沖同步誤差信息；

2）信息處理模塊主要功能有配置參數(shù)、同步誤差超標(biāo)判別、處理結(jié)果存儲等；

3）顯示部件提供友好人機(jī)界面。

軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.4 測量結(jié)果

我們利用高精度示波器、協(xié)議分析儀測量時間統(tǒng)一系統(tǒng)同步誤差，對該方案的測量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證數(shù)據(jù)如表1所示。

分析表1中的數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論：

1）本方案時碼信息測量結(jié)果與協(xié)議分析儀時碼信息測量結(jié)果一致。因此本方案滿足時碼信息測量要求。

圖3 軟件體系結(jié)構(gòu)圖

表1 驗(yàn)證結(jié)果數(shù)據(jù)表

2）當(dāng)秒脈沖同步誤差為納秒級時，本方案測量結(jié)果偏差在20 ns內(nèi)。滿足秒脈沖同步誤差測量要求。

3）當(dāng)秒脈沖同步誤差為微秒級時，由于示波器采樣深度限制，測量結(jié)果只能精確到微秒。而本方案測量結(jié)果精確到納秒。因此本方案滿足秒脈沖同步誤差測量要求。

5 結(jié)論

本文提出的時間同步精度測量方法顯著提高了同步誤差測量的智能化程度，減輕了測試人員的工作量。該方法已經(jīng)成功地應(yīng)用到自行設(shè)計(jì)的時間基準(zhǔn)測試系統(tǒng)中，效果良好。

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Measurement of Synchronization Precision for Time-uniform System

Tu Wen－jie1Yang Lie2Tan Xian－chun1
1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China 2 Military Representative office of Dalian Shipbuilding Industry Corporation（Group），Dalian 116001，China

Traditional manual time－synchronization test methods exhibit many drawbacks，such as com鄄plex operations and low efficiency.To overcome these drawbacks，in this paper，we proposed a novel method based on the Complex Programmable Logic Device（CPLD）to measure the synchronization preci鄄sion of the Time－Uniform system by GPS.Compared with the traditional methods，this method significant鄄ly improves the intelligentization of the synchronization precision’s measurement and ease the work loads of testers.Finally，The feasibility and validity of this design were validated through the test by the highprecision oscillograph and the protocol analyzer.

time-uniform system；GPS；Programmable Logic Device；synchronization precision

U674.7

A

1673－3185（2009）06－62－04

2009-05-22

涂文杰（1981－），男，助理工程師。研究方向：艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)。E鄄mail：twjsoft＠hotmail.com