嵌入式高精度GPS異地時間測量系統(tǒng)的設(shè)計

張楊敏 ，郭 勇 ，謝興紅

(成都理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 成都610059)

在航天、通信、橋梁隧道、交通、軍事等工程應(yīng)用上，用于統(tǒng)一分隔在視距之外的兩地時間信息的異地時間測量得到了廣泛應(yīng)用，通常被用來檢測一個信號到達兩地點的時間差。由于距離較遠(yuǎn)，無法使用同一個時鐘。若使用傳統(tǒng)的無線通信作為觸發(fā)測量開始的方法，則由于電磁波傳播的復(fù)雜性而難以達到較高精度。所以需要找到一種實現(xiàn)高精度測量2個不相關(guān)時間量的方法。利用GPS實現(xiàn)時間同步具有同步精度相對較高的特點，時間同步精度可以達到ns級，并且不需要發(fā)送設(shè)備，省去了昂貴的高準(zhǔn)確度原子頻率基準(zhǔn)[1]，故成本相對較低。GPS可以在任何時間、地點、天氣的情況下接收到GPS信號。因此利用GPS實現(xiàn)時間同步不受地域條件的限制，而且構(gòu)建同步系統(tǒng)相對簡單易行，可靠性較好[2]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計的最終目的是測量異地時間差Δt，但是由于2個測量點處于異地，不能使用同步測量，所以使用GPS作為同步時間基準(zhǔn)，分別測量被測信號1與PPS信號的時間差t1和被測信號2到達測量點2時與PPS信號的時間差t2，通過后期回傳數(shù)據(jù)到計算機進行處理，得到Δt[4-5]。當(dāng)測量信號到達測量設(shè)備1時，CPU保存當(dāng)前計數(shù)器中的值，并進行適當(dāng)整理，得到當(dāng)時的絕對時間。同理，當(dāng)被測信號到達測量設(shè)備2時，得到另一個絕對時間。最后將這2個時間信息傳回計算機進行后期處理。利用GPS提供的同步時間作為時間基準(zhǔn)，無論距離多遠(yuǎn)，只要能夠接收到GPS信號就可以在異地進行測量。

整個測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。各個功能模塊實現(xiàn)功能如下：

(1)GPS信號接收模塊：接收 GPS信號，產(chǎn)生同步秒脈沖信號以及時間信息。完成與微處理器的通信，報告工作狀態(tài)，并接收微處理器的控制。

(2)信息存儲塊模：存儲測量的時間信息。受微處理器管理，可以進行存儲、讀取、刪除信息等操作。

圖1 基于GPS異地時間測量系統(tǒng)設(shè)計圖

(3)人機接口模塊：包括顯示和鍵盤輸入，采用微處理器控制和監(jiān)測。

(4)微處理器模塊：控制并接收GPS模塊產(chǎn)生的秒脈沖和時間信號，監(jiān)視鍵盤狀態(tài)并控制液晶顯示相應(yīng)界面，同時可檢測脈沖并記錄保存時間等。

(5)與PC機通信接口模塊：實現(xiàn)系統(tǒng)與PC機通信功能，接受微處理器控制，主要作用是回傳數(shù)據(jù)到計算機進行后期處理。

1.2 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計

(1)GPS模塊。系統(tǒng)選擇Trimble公司的Copernicus GPS Receiver作為GPS信號接收模塊，如圖2所示。使用GPS模塊的秒脈沖和時間信號定位，精度要求不高，而為了在戶外手持使用，系統(tǒng)主要考慮對于體積和功耗有較高要求的使用需求[6-8]。系統(tǒng)選用的GPS模塊面積僅有拇指大小，并且耗電量極低，是使用電池充電功能的手持式產(chǎn)品，設(shè)計時間精確度為50 ns，能滿足本系統(tǒng)的要求，且價格相對便宜。

圖2 GPS模塊

(2)處理器模塊。系統(tǒng)選用Luminary的 ARM“群星”系列的LM3S615作為控制及信息處理單元，如圖3所示。LM3S615是一款32位處理器，其主要特性為：具有32 KB可編程單周期 Flash、8 KB單周期 SRAM、2個UART、1個硬件 I2C、1個硬件 SSI、3個通用定時器、8通道的10位ADC、模擬比較器、PWM等。采用存儲器保護單元（MPU）為受保護的操作系統(tǒng)功能提供了一種特權(quán)模式，采用非對齊式的數(shù)據(jù)訪問使數(shù)據(jù)可以有效地壓入內(nèi)存。處理器支持極細(xì)微的位元處理操作，可最大限度地使用內(nèi)存，并且提供精簡的外設(shè)控制。

圖3 處理器模塊

(3)信息存儲模塊。常用的存儲數(shù)據(jù)的媒介主要有Flash和E2PROM。系統(tǒng)主要存儲的是時間信息，數(shù)據(jù)量不大，對速度的要求也不高，故選用了E2PROM芯片CAT24C128構(gòu)成信息存儲模塊，如圖4所示。該芯片基于低功耗CMOS技術(shù)，容量為128 KB，寬電源電壓范圍，使用I2C接口，最高速度400 kHz，方便軟件控制且節(jié)約端口資源。

(4)電荷泵。由于常見的鋰離子電池都是3.7 V，而液晶顯示模塊需要使用+5 V電源，所以需要一個升壓電源。從系統(tǒng)的功耗和效率綜合考慮，使用電荷泵是一種比較經(jīng)濟的方法，而且效率很高。系統(tǒng)電荷泵模塊如圖5所示。這里選擇德州儀器公司的TPS60110，輸入范圍2.7 V～5.4 V，持續(xù)輸出電流達400 mA，工作溫度范圍-40℃～+85℃，而且紋波電壓峰峰值小于10 mV，可以滿足GPS系統(tǒng)的供電要求。

圖5 電荷泵

1.3 系統(tǒng)可靠性優(yōu)化

系統(tǒng)在設(shè)計時充分考慮了可靠性優(yōu)化。系統(tǒng)GPS模塊天線部分的頻率達到1.5 GHz。良好的布線非常重要，在布線時應(yīng)充分考慮就近原則及弧形走線原則。在天線走線部分，為了防止PCB板自身的干擾，應(yīng)用地線進行保護。為了防止其他芯片對MCU電源的影響進而影響MCU的穩(wěn)定性，系統(tǒng)單獨選用了電源芯片從電源的入口處供電。系統(tǒng)中晶體的穩(wěn)定與否關(guān)系到整個系統(tǒng)測量的誤差精度，在晶體走線時以考慮就近原則及晶體信號線的保護為主。元件的布局遵照“先大后小，先難后易”的布置原則，先將GPS模塊及MCU安放在合適位置，再依照原理圖按各個分塊電路的外圍期間進行布局。為提高IC的可靠性，在IC電源處加去藕電容。去藕電容的布局盡量靠近IC的電源管腳，并與電源和地之間形成最短回路，且布線時電源經(jīng)過電容再進入IC電源腳。為了防止PCB本身產(chǎn)生干擾，整個系統(tǒng)采用了雙面鋪地線的方法。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖6 程序流程圖

系統(tǒng)主要功能程序流程如圖6所示。上電開機時先初始化各功能模塊，包括初始化GPS模塊，并開始搜索GPS信號。系統(tǒng)以GPS的秒脈沖信號為時間基準(zhǔn)，故GPS信號是系統(tǒng)一切操作的前提。只有搜索到GPS信號來測量到的所有數(shù)據(jù)才能保證其有效性。在GPS之后，將時間信息讀入微處理器，并不停檢測號，以達到同步效果。同時微處理器通過控制菜單界面，并搭配按鍵組合成相應(yīng)的功能，包括是否啟動檢測信號，讀取、保存或刪除資料等。

3 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果及分析

原始數(shù)據(jù)測試。將設(shè)計的2塊系統(tǒng)板的測試點直接相連，其中1塊產(chǎn)生觸發(fā)信號，采用安捷倫54622D示波器觀察2個測量結(jié)果，可以得到在輸入信號相同時兩系統(tǒng)的固有測量誤差的范圍。測試數(shù)據(jù)如表1所示，所有數(shù)據(jù)單位均為μs。

表1 原始測試數(shù)據(jù)

系統(tǒng)的測量精度不僅和GPS的精度有關(guān)，還和微處理器本身的時鐘晶體精度有關(guān)。系統(tǒng)時鐘需要在2個PPS信號之間作為被測信號的參考，即最差的情況下，晶振需要在1 s時間內(nèi)作為測量基準(zhǔn)。故此測量方式由于晶振引入的累積誤差最大應(yīng)在1 μs左右。另一方面，由于誤差的累積與信號達到測量點的時間有關(guān)，即累積時間越長，誤差越大。如果忽略短期(1 s)內(nèi)晶振的頻率漂移問題，則由于晶振時鐘和標(biāo)準(zhǔn)時鐘的差別是可以測量的，所以累積誤差的大小也是可以推測的。由此，可以考慮使用軟件對累積誤差進行某種程度的校正，以提高測試精度。

表1的測試結(jié)果還可以看出，累積時長和誤差的大小也存在比較明顯的關(guān)系。如果能得到此關(guān)系，則可以使用軟件校正消除此誤差的絕大部分。假設(shè)此誤差的增長和內(nèi)部基準(zhǔn)維持的時間是正比關(guān)系，對測試結(jié)果使用軟件修正，得知系統(tǒng)最終的精度應(yīng)該在1 μs～2 μs之間。使用系統(tǒng)板定時產(chǎn)生2個相差一定時間的脈沖信號，分別測量這2個信號到達2個測量點的時間，得到其時間差，觀察此數(shù)據(jù)的變化，由定時程序得到理論定時值為1 280 μs。由于程序使用C語言編寫，定時長度具有一定誤差，此定時的實際精度應(yīng)該在 1 283 μs左右，最終的測量誤差同樣不超過 2 μs，因此2 μs的測試精度是有保證的。

系統(tǒng)的精度關(guān)鍵在于GPS秒脈沖的精度和系統(tǒng)時鐘精度。前面已經(jīng)知道，測量精度和晶振累計時間長度有關(guān)，計數(shù)累計時間越長，誤差越大。由此可以推斷，晶體的本身特性對于系統(tǒng)測量的誤差有較大影響。從另一方面來講，軟件校正是基于大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，而不同的晶振顯然需要不同的校正數(shù)據(jù)，還需要在不同溫度條件下分別測試，其工作量很大且沒有可移植性，因此也需要找到能夠最大限度決定精度的器件對其做出修改。使用更高精度有源晶體，系統(tǒng)的測試精度將會有極大提高。

系統(tǒng)經(jīng)過2步優(yōu)化后的測試結(jié)果如表2所示，所有數(shù)據(jù)單位均為μs?？梢钥吹?，優(yōu)化后的系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性比優(yōu)化前有了較大提高。

利用嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)GPS異地時間測量，具有出色的性能和較高的穩(wěn)定性，使用軟件校正的方法可以減小一定程度的累計誤差，并結(jié)合晶振同步的方法，進一步減小了測量誤差，有效保證了GPS異地時間測量系統(tǒng)的高精度，最終誤差控制在3 μs之內(nèi)。

表2 優(yōu)化后測試結(jié)果

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