基于FPGA的雙衛(wèi)星自恢復(fù)冗余授時(shí)系統(tǒng)的研究

王 鵬， 陳 婷， 黃 冰

（南京工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

0 引言

電力系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)性要求比較高的系統(tǒng)，在繼電保護(hù)和測(cè)量中，時(shí)間的精度以及同一性十分重要。如在二次控制、保護(hù)設(shè)備中，需要利用一些參數(shù)以進(jìn)行故障判斷、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析計(jì)算等，而這些參數(shù)除了本身大小等屬性之外，還都隱含著都屬于同一時(shí)刻這一重要特征：拋棄掉同一時(shí)刻這個(gè)先決條件，所有的計(jì)算都會(huì)變得毫無(wú)意義。在實(shí)際中，如果各個(gè)參數(shù)本身各自使用一套計(jì)時(shí)系統(tǒng)，很難做到每個(gè)采集到的數(shù)據(jù)在時(shí)間上的統(tǒng)一。針對(duì)這一問(wèn)題，同步技術(shù)的應(yīng)用即成為電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常的重要的一個(gè)內(nèi)容。

關(guān)于同步信號(hào)的來(lái)源，目前主要有各數(shù)值插值法和時(shí)鐘同步法。由于數(shù)值插值法其算法復(fù)雜，精度低，會(huì)出現(xiàn)累積誤差且會(huì)占用一定的硬件資源，影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性，故目前大多數(shù)同步系統(tǒng)采用了另外一種時(shí)鐘同步法，采用衛(wèi)星授時(shí)作為時(shí)鐘信號(hào)的來(lái)源，相比數(shù)值插值法而言，由于時(shí)鐘信號(hào)是第三方提供的，所以準(zhǔn)確度穩(wěn)定性等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，并且使得不同的電力設(shè)施之間具有統(tǒng)一的時(shí)間系統(tǒng)，便于全局管理。

本文提出了一種高穩(wěn)定性衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，針對(duì)單一衛(wèi)星授時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題后可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰這一致命缺點(diǎn)，利用GPS和北斗雙衛(wèi)星冗余授時(shí)，使授時(shí)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題的概率大大降低，并具有自恢復(fù)等特殊優(yōu)點(diǎn)。采用FPGA作為信號(hào)采集、處理、發(fā)送的控制核心。文中分析了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理、結(jié)構(gòu)，以及軟件算法的具體實(shí)現(xiàn)方案和仿真。

1 雙衛(wèi)星冗余授時(shí)的原理

雙衛(wèi)星冗余授時(shí)系統(tǒng)的框架圖如圖1所示，主要有衛(wèi)星接收模塊，信號(hào)處理模塊，需要同步的設(shè)備組成。衛(wèi)星接收模塊負(fù)責(zé)GPS和北斗信號(hào)的接收，并將信號(hào)傳輸給信號(hào)處理模塊；信號(hào)處理模塊（FPGA）處理接收到的衛(wèi)星信號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將正確的同步信號(hào)傳送給需要同步的設(shè)備。這樣，構(gòu)成了雙衛(wèi)星冗余授時(shí)的一個(gè)完整的系統(tǒng)。

圖1 雙衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)的模型

1.1 雙衛(wèi)星授時(shí)的必要性[1-3]

目前，雖然美國(guó)承諾免費(fèi)提供GPS信號(hào)給我國(guó)使用，但是作為一個(gè)現(xiàn)代化國(guó)家，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是國(guó)家的基礎(chǔ)設(shè)施之一，關(guān)系到國(guó)家人民生產(chǎn)生活的安全，如果GPS系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將產(chǎn)生不可估計(jì)的損失。北斗系統(tǒng)為我國(guó)自行研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，我國(guó)擁有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，應(yīng)大力發(fā)展提倡。北斗二代系統(tǒng)目前雖然發(fā)展很快，有著良好的前景，但在近幾年仍無(wú)法保證其穩(wěn)定性，針對(duì)這種情況，提出一種同時(shí)利用2種授時(shí)系統(tǒng)的冗余單元，在提高授時(shí)穩(wěn)定性的同時(shí)，增加了系統(tǒng)的安全性且為我國(guó)北斗系統(tǒng)的成熟發(fā)展提供了支持。目前，暫時(shí)將給GPS作為主授時(shí)系統(tǒng)，北斗系統(tǒng)作為后備，隨著北斗系統(tǒng)的不斷完善，將逐步取代GPS，最終完全使用北斗系統(tǒng)。

1.2 正確信號(hào)的要求[4-7]

通過(guò) GPS接收機(jī)或北斗接收機(jī)接收到衛(wèi)星發(fā)送的秒脈沖信號(hào)，在進(jìn)行同步之前，需要進(jìn)行秒脈沖信號(hào)的正確性以及穩(wěn)定性的檢測(cè)，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全。IEC60044協(xié)議[8]中，規(guī)定正確的秒脈沖信號(hào)(1 pps)的格式為：

①相鄰兩個(gè)脈沖上升沿之間的間隔T應(yīng)為1 s，即頻率為1 Hz，信號(hào)為光量或者電壓量，每個(gè)上升沿的誤差為±10 μs。

②高電平的持續(xù)時(shí)間T1應(yīng)大于10 μs。

③脈沖間隔時(shí)間T2應(yīng)大于500 ms。

只有同時(shí)滿足以上3個(gè)條件，才能被計(jì)算為1個(gè)完整的秒脈沖信號(hào)。

為了保證衛(wèi)星信號(hào)的穩(wěn)定性，通常規(guī)定，只有連續(xù)檢測(cè)到4個(gè)正確的秒脈沖信號(hào)后，才能發(fā)送一個(gè)正確的同步信號(hào)。同理，在下一個(gè)正確的同步信號(hào)的發(fā)送時(shí)，表面上只檢測(cè)了這一時(shí)刻的一個(gè)正確秒脈沖，而實(shí)際上，已隱含包括了上 3個(gè)正確的秒脈沖。波形如圖2所示。

圖2 正確信號(hào)的定義

1.3 雙衛(wèi)星自恢復(fù)同步算法的設(shè)計(jì)

根據(jù)接收正確秒脈沖信號(hào)的定義，在發(fā)送正確的同步信號(hào)狀態(tài)時(shí)，如檢測(cè)到某個(gè)秒脈沖信號(hào)出現(xiàn)異常，這時(shí)，可利用晶振的短時(shí)穩(wěn)定性維持一段時(shí)間同步信號(hào)的發(fā)送，同時(shí)，重新檢測(cè) 3個(gè)正確的GPS秒脈沖信號(hào)以恢復(fù)正確的同步信號(hào)。如果在一段時(shí)間內(nèi)，仍不能恢復(fù)正常，則進(jìn)入北斗衛(wèi)星的秒脈沖的檢測(cè)系統(tǒng)，利用了與GPS秒脈沖產(chǎn)生同步信號(hào)相同的方法，實(shí)現(xiàn)同步的冗余操作。生成的同步信號(hào)狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖3所示。

圖3 自恢復(fù)同步算法的狀態(tài)轉(zhuǎn)移

圖3中，狀態(tài)S0-S4為關(guān)于GPS時(shí)鐘的，S5-S9是北斗時(shí)鐘的狀態(tài)。

狀態(tài)S0：初始狀態(tài)，信號(hào)檢測(cè)計(jì)數(shù)器清零開始計(jì)數(shù)，如計(jì)數(shù)到150000000(晶振50 MHz，大約3 s)仍未檢測(cè)到GPS秒脈沖信號(hào)的上升沿，或者錯(cuò)誤累積計(jì)數(shù)器達(dá)到 3，則進(jìn)入北斗時(shí)鐘的初始狀態(tài)S5，形成冗余操作，并復(fù)位各個(gè)計(jì)數(shù)器；若檢測(cè)到GPS秒脈沖信號(hào)的上升沿，則進(jìn)入狀態(tài)S1。

狀態(tài)S1：用來(lái)檢測(cè)高電平持續(xù)時(shí)間，根據(jù)正確信號(hào)最少維持10 μs的規(guī)定以及50 MHz的晶振可計(jì)算得出計(jì)數(shù)次數(shù)。GPS秒脈沖脈寬計(jì)數(shù)器清零開始計(jì)數(shù)，當(dāng)其計(jì)數(shù)值超過(guò)500，則進(jìn)入狀態(tài)S2進(jìn)一步檢測(cè)，否則，錯(cuò)誤累積計(jì)數(shù)器加1，返回狀態(tài)S0。

狀態(tài)S2：檢測(cè)相鄰的2個(gè)秒脈沖的正確性，根據(jù)誤差±10 μs的規(guī)定，在 GPS秒脈沖脈寬計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值在49000500～50000500之間時(shí)，如檢測(cè)到GPS秒脈沖信號(hào)的上升沿，即說(shuō)明完成一個(gè)正確秒脈沖的檢測(cè)，正確秒脈沖計(jì)數(shù)器加1，進(jìn)入狀態(tài)S3進(jìn)一步檢測(cè)，否則，錯(cuò)誤累積計(jì)數(shù)器加1，返回狀態(tài)S0。

狀態(tài)S3：檢測(cè)正確脈沖計(jì)數(shù)器，是否達(dá)到3個(gè)連續(xù)正確的秒脈沖，如果是，則發(fā)送1 pps信號(hào)，進(jìn)入狀態(tài)4，否則，返回狀態(tài)S1。

狀態(tài)S4：GPS秒脈沖脈寬計(jì)數(shù)器清零開始計(jì)數(shù)，如果在49000500～50000500(1 s)內(nèi)接收到上升沿信號(hào)，則發(fā)送1 pps信號(hào)，并維持 S4狀態(tài)，否則，即出現(xiàn)了秒脈沖的錯(cuò)誤，錯(cuò)誤累積計(jì)數(shù)器加1，返回狀態(tài)S0。

狀態(tài)S5-S9與狀態(tài)S0-S4功能基本一致，只增加了針對(duì)北斗時(shí)鐘和GPS時(shí)鐘固有誤差的補(bǔ)償，這里就不贅述。

由同步算法可知，在相應(yīng)狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)計(jì)數(shù)器的及時(shí)清零重新計(jì)數(shù)操作，使用普通晶振即可滿足在短時(shí)間內(nèi)的精確性，從而解決了晶振的累積誤差問(wèn)題；同樣，每秒鐘的晶振的清零也解決了接收機(jī)的正態(tài)分布誤差以及衛(wèi)星信號(hào)誤差的累積問(wèn)題。而當(dāng)其中一種授時(shí)方式出現(xiàn)問(wèn)題后，清除該授時(shí)方式的各個(gè)計(jì)數(shù)器，使其恢復(fù)到初始狀態(tài)；并利用晶振短時(shí)計(jì)數(shù)為系統(tǒng)同步，直到第二種授時(shí)方式準(zhǔn)備完畢，這樣，既保證了2種授時(shí)方式交接時(shí)的穩(wěn)定性又可以保證第二種授時(shí)方式出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)仍可使用第一種授時(shí)方式，使系統(tǒng)具有自恢復(fù)的能力。

2 同步算法的仿真與驗(yàn)證

編程和仿真采用Altera公司提供的Quartus II軟件，由于仿真速度的限制，在仿真時(shí)，將衛(wèi)星秒脈沖（sclk）的周期定為1 ms，而晶振（CLK）仍采用50 MHz，為了便于觀察每個(gè)秒脈沖的波形，將每個(gè)秒脈沖的波形的占空比調(diào)整為1:1，但是設(shè)定檢測(cè)正確高電平的維持時(shí)間仍保持在10 μs，即500個(gè)晶振周期。由于秒脈沖的周期變小而晶振頻率不變，每個(gè)秒脈沖的計(jì)數(shù)值即為 50000，由于精確度的原因，每個(gè)秒脈沖的誤差由±10 μs變?yōu)椤?.1 μs，即5個(gè)晶振周期，在下一個(gè)秒脈沖的檢測(cè)范圍即為49995-50005，oserror為錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器，osnone為無(wú)信號(hào)計(jì)數(shù)器，osright為正確信號(hào)計(jì)數(shù)器，ssend為發(fā)送的同步秒脈沖。下面，以實(shí)際情況中可能出現(xiàn)的2種情況進(jìn)行說(shuō)明。

①出現(xiàn)問(wèn)題自恢復(fù)的情況：當(dāng)秒脈沖信號(hào)檢測(cè)正確，進(jìn)入到同步信號(hào)發(fā)送的狀態(tài)，這時(shí)檢測(cè)新的秒脈沖信號(hào)出現(xiàn)異常的情況，如圖4所示，由圖可知，此時(shí)立即返回初始狀態(tài)重新檢測(cè)3個(gè)正確的秒脈沖，oserror和osnone同時(shí)加1，并且晶振計(jì)數(shù)(ojz)開始工作，以保證系統(tǒng)的不中斷，待檢測(cè)正確后，晶振計(jì)數(shù)停止工作，重新工作由GPS秒脈沖控制的同步信號(hào)發(fā)送狀態(tài)。

②出現(xiàn)問(wèn)題未能自恢復(fù)的情況：當(dāng)初始秒脈沖信號(hào)檢測(cè)正確，進(jìn)入到同步信號(hào)發(fā)送的狀態(tài)，這時(shí)檢測(cè)新的秒脈沖信號(hào)出現(xiàn)異常的情況，如圖5所示，本仿真與圖4不同，由圖可知，在出現(xiàn)異常返回初始步驟后，此時(shí)由于各種原因在規(guī)定的容錯(cuò)期間內(nèi)沒(méi)有通過(guò)3個(gè)正確秒脈沖的檢測(cè)，oserror和osnone計(jì)數(shù)達(dá)到極限，這時(shí)立即轉(zhuǎn)入北斗系統(tǒng)的初始狀態(tài)（為了顯示北斗狀態(tài)，設(shè)定進(jìn)入 S5狀態(tài)后馬上取消晶振的輔助計(jì)時(shí)）。

圖4 GPS信號(hào)偶然丟失仿真(自恢復(fù))

圖5 GPS信號(hào)丟失仿真(未能自恢復(fù)，轉(zhuǎn)入北斗)

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)電力系統(tǒng)中對(duì)同步信號(hào)的要求，提出了一種新的基于北斗和GPS雙衛(wèi)星自恢復(fù)冗余的授時(shí)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，軟件的算法，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)符合電力系統(tǒng)對(duì)同步信號(hào)高穩(wěn)定性，高精確性，高安全性的要求，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，擁有極高的實(shí)用價(jià)值。

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