專利名稱：Gps/北斗雙模衛(wèi)星時(shí)鐘晶體振蕩器馴服系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種時(shí)鐘晶體振蕩器馴服系統(tǒng)，特別是涉及一種利用GPS衛(wèi)星或北斗衛(wèi)星所發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)對(duì)于晶體振蕩器進(jìn)行馴服控制的GPS/北斗雙模衛(wèi)星時(shí)鐘晶體振蕩器馴服系統(tǒng)，適用于電力、通信、鐵路、航空等行業(yè)需要高精度時(shí)鐘裝置的部門。
背景技術(shù)：
在電力、通信、鐵路、航空等需要高精度時(shí)鐘裝置的部門中，人們對(duì)儀器測量的精度和同步性要求也越來越高，尤其是要求分布在不同區(qū)域的儀器能夠?qū)崿F(xiàn)同步采集，并且在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)保證采樣的同步性，因此對(duì)時(shí)鐘系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了非常高的要求。不僅要求每個(gè)儀器的時(shí)鐘要穩(wěn)定，而且各個(gè)儀器之間的時(shí)鐘要求同步匹配。但是，目前市面上的晶振短時(shí)穩(wěn)定性好，但長時(shí)間工作后存在較大的累計(jì)誤差。此外，不同晶振之間即使是同一批生產(chǎn)的晶振，個(gè)體間也是有一定的差異的，應(yīng)用在高精度的儀器中將會(huì)帶來嚴(yán)重的累計(jì)誤差。而高精度的晶振，價(jià)格昂貴，并且也同樣存在累計(jì)誤差。衛(wèi)星定位系統(tǒng)或北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠提供遠(yuǎn)距離傳輸?shù)母呔然鶞?zhǔn)時(shí)間信號(hào)，具有高精度定位、授時(shí)和測速能力。GPS或北斗衛(wèi)星發(fā)出的秒脈沖信號(hào)具有長期穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，但短期較差。由于GPS為美國軍方所開發(fā)，受到意識(shí)形態(tài)和政治因素的影響，用GPS時(shí)鐘做為唯一時(shí)鐘源對(duì)于時(shí)鐘系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性存在一定安全隱患。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為我們開辟了一條新途徑。隨著近幾年我國“北斗一號(hào)”技術(shù)的成熟，GPS/北斗衛(wèi)星時(shí)鐘晶體振蕩器服技術(shù)中，有文獻(xiàn)提出根據(jù)GPS衛(wèi)星的秒信號(hào)建立晶振的一元二次方程，以此為依據(jù)對(duì)晶振進(jìn)行修正，此種方法需要事先對(duì)晶振進(jìn)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。有文獻(xiàn)利用單片機(jī)讀入GPS/北斗衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)并沒有給出數(shù)字鎖相環(huán)的具體設(shè)計(jì)方法；有文獻(xiàn)將衛(wèi)星接收器與短穩(wěn)性能好的高穩(wěn)晶振結(jié)合，構(gòu)成數(shù)字鎖相環(huán)，以衛(wèi)星鎖定后的頻率作為直接數(shù)字頻率合成器的參考，但文獻(xiàn)中未能詳細(xì)描述數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。另Ij外，上述文獻(xiàn)均未能實(shí)現(xiàn)GPS/北斗雙模馴服晶體振蕩器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對(duì)晶體振蕩器和GPS衛(wèi)星或北斗衛(wèi)星信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種基于GPS/北斗雙模衛(wèi)星時(shí)鐘晶體振蕩器馴服系統(tǒng)，利用衛(wèi)星所提供的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)，對(duì)于晶體振蕩器進(jìn)行馴服控制，使晶體振蕩器經(jīng)分頻輸出的秒信號(hào)與GPS衛(wèi)星或北斗衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn) 時(shí)間鎖定，實(shí)現(xiàn)其同頻同相輸出。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:這種基于GPS/北斗雙模衛(wèi)星時(shí)鐘的晶體振蕩器馴服系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)包括時(shí)鐘源模塊、單片微處理器、D/A轉(zhuǎn)換器、恒溫晶體振蕩器、調(diào)頻調(diào)相控制單元、相位超前滯后檢測單元、跟蹤/守時(shí)控制門、第一 2分頻電路和第二 2分頻電路、相位超前/滯后處理及分頻單元、異或門等部分，上述系統(tǒng)中，時(shí)鐘源模塊中包括GPS模板，北斗衛(wèi)星接收模板，時(shí)鐘源選擇單元。模板輸入與GPS天線相連,一條輸出線與單片微處理器的RXD引腳相連,另一條輸出線與時(shí)鐘源選擇單元相連。北斗衛(wèi)星接收模板的輸入線與北斗天線相連，一條輸出線與單片微處理器的RXD2引腳相連，另一條輸出線與鐘源選擇單元相連。轉(zhuǎn)換器與單片微理器的P23、P24、P25引腳相連，輸出模擬電壓與恒溫晶體振蕩器的控制電壓引腳相連；恒溫晶體振蕩器輸出分別與調(diào)頻調(diào)相控制單元、相位超前/滯后處理及分頻單元相連；相位超前/滯后處理及分頻單元接收恒溫晶體振蕩器發(fā)出的高頻脈沖并且與單片微處理器的P20、P21引腳相連，輸出IPPS標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)，并與第二 2分頻電路相連；跟蹤/守時(shí)控制門的輸入分別與單片微處理器的P21引腳相連和時(shí)鐘源模塊的輸出相連，其輸出與第一 2分頻電路相連；異或門的輸入分別與第一 2分頻電路、第二 2分頻電路的輸出相連，輸出與單片微處理器的INTO引腳相連；調(diào)頻調(diào)相控制單元的輸入與恒溫晶體振蕩器和第二 2分頻電路的輸出相連，其輸出與單片微處理器的TO引腳相連；相位超前滯后檢測單元的輸入分別與第一 2分頻電路、第二 2分頻電路的輸出相連，其輸出與單片微處理器的P22引腳相連。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用北斗與GPS雙時(shí)鐘源設(shè)計(jì)，同時(shí)接收北斗和GPS衛(wèi)星信號(hào)，采用先進(jìn)的時(shí)間控制處理算法，實(shí)現(xiàn)雙時(shí)間源智能切換，可確保系統(tǒng)時(shí)間同步的同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)GPS和北斗衛(wèi)星同時(shí)失鎖后在一段時(shí)間內(nèi)保持失鎖前的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度。


附圖1為本發(fā)明的電路原理框圖。附圖2為時(shí)鐘源模塊內(nèi)部方框圖。附圖3為單片微處理器的程序流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖1和附圖2，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。在前述系統(tǒng)中，GPS模板1.1通過天線接收來自GPS衛(wèi)星的國際標(biāo)準(zhǔn)的UTC時(shí)間信息，輸出與UTC時(shí)間同步的IPPS秒脈沖及串行的UTC時(shí)間信息。北斗衛(wèi)星接收模板1.2接收來自北斗衛(wèi)星的UTC時(shí)間信息，輸出與UTC時(shí)間同步的IPPS秒脈沖及串行的UTC時(shí)間信息。GPS模板和北斗衛(wèi)星接收模板輸出的串行UTC時(shí)間信息輸出至單片微處理器2的RXDl和RXD2引腳，兩模板輸出的IPPS秒脈沖則與時(shí)鐘選擇單元1.3相連并由單片微處理器的Pio, Pll引腳進(jìn)行控制，輸出GPS或北斗輸出的秒脈沖，并送至跟蹤/守時(shí)控制門7。跟蹤/守時(shí)控制門7接收GPS或北斗衛(wèi)星發(fā)過來的秒脈沖，并且由單片微處理器7的P21進(jìn)行跟蹤/守時(shí)控制，當(dāng)P21=l時(shí)，跟蹤/守時(shí)控制門7開放，系統(tǒng)處于跟蹤狀態(tài)，當(dāng)P21=0時(shí)，跟蹤/守時(shí)控制門7關(guān)閉，系統(tǒng)處于守時(shí)狀態(tài)。跟蹤/守時(shí)控制門7輸出信號(hào)送到第一 2分頻電路8，經(jīng)2分頻后輸出脈寬為I秒，周期為2秒的方波信號(hào)，分別送到調(diào)頻調(diào)相控制單元5、相位超前滯后檢測單元6和異或門U。調(diào)頻調(diào)相控制單元5利用周期為2秒的方波對(duì)于恒溫晶體振蕩器4輸出的高頻信號(hào)進(jìn)行控制并輸入到單片微片理器2的TO和Tl計(jì)數(shù)器進(jìn)行調(diào)頻計(jì)數(shù)和調(diào)相計(jì)數(shù)。恒溫晶體振蕩器4輸出的高頻信號(hào)輸入到相位超前/滯后處理及分頻單元9中，相位超前/滯后處理及分頻單元9利用單片微處理器2的P04進(jìn)行相位滯后控制，利用異或門11輸出的相位差信號(hào)進(jìn)行相位超前控制，然后進(jìn)行分頻，最后得到周期為I秒IPPS標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖的輸出信號(hào)。具體操作方法是，當(dāng)單片微處理器2檢測到經(jīng)分頻得后的秒信號(hào)相位超前標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)時(shí)，通過異或門11輸出的相位差信號(hào)對(duì)于恒溫晶體振蕩器4輸出秒信號(hào)進(jìn)行延時(shí)操作。而當(dāng)單片微處理器2檢測到經(jīng)分頻得后的秒信號(hào)相位滯后標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)時(shí)，對(duì)于經(jīng)分頻得后的秒信號(hào)進(jìn)行扣除脈沖操作。周期為I秒IPPS標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖的輸出信號(hào)和第一 2分頻電路8的輸出送到異或門11輸入端，其輸出為兩個(gè)秒信號(hào)之間的相位差，這一相位差信號(hào)送到單片微處理器的INTO引腳，作為測相計(jì)數(shù)器的開門控制信號(hào)。下面結(jié)合附圖3，對(duì)本發(fā)明中的單片微處理器的程序流程做詳細(xì)說明。單片微處理器2根據(jù)收到的GPS和北斗衛(wèi)星串行UTC時(shí)間信息進(jìn)行時(shí)鐘源的選擇和判斷，選擇GPS或北斗衛(wèi)星輸出的秒脈沖進(jìn)行跟蹤控制，當(dāng)GPS和北斗衛(wèi)星全部失鎖時(shí)，則由P20由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?，使系統(tǒng)進(jìn)入守時(shí)狀態(tài)。單片微處理器2根據(jù)計(jì)數(shù)器Tl所計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)于兩個(gè)秒脈沖的相位進(jìn)行判斷，相位超前由異或門11輸出的相位差信號(hào)直接控制，相位差滯后則由P20進(jìn)行控制。單片微處理器2根據(jù)計(jì)數(shù)器TO所計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)于恒溫晶體振蕩器4的輸出頻率進(jìn)行測量，以IOMHz頻率為基準(zhǔn)，當(dāng)所測頻率高于IOMHz時(shí)，通過P23、P24、P25引腳控制D/A轉(zhuǎn)換器提高恒溫晶體振蕩器4的輸出頻率；當(dāng)所測頻率低于IOMHz時(shí)，通過P23、P24、P25引腳控制D/A轉(zhuǎn)換器降低恒溫晶體振蕩器4的輸出頻率；等于IOMHz時(shí)不調(diào)整；最終使恒溫晶體振蕩器4的輸出頻率鎖定在IOMHz上。前述的恒溫晶體振蕩器4輸出的高頻信號(hào)頻率為10MHz，其型號(hào)為0C50-VBAXBC-10MHZ ;相位超前/滯后處理及分頻單元9的分頻系數(shù)為IO7 ;單片微處理器2型號(hào)為宏晶STC單片機(jī)中的STC12C5A60S2，并工作于IT時(shí)鐘模式；單片微處理器2的TO作為調(diào)頻計(jì)數(shù)器，Tl作為調(diào)相計(jì)數(shù)器。
權(quán)利要求
1.一種基于GPS/北斗雙模衛(wèi)星時(shí)鐘的晶體振蕩器馴服系統(tǒng)系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括時(shí)鐘源模塊(I)、單片微處理器(2)、D/A轉(zhuǎn)換器(3)、恒溫晶體振蕩器(4)、調(diào)頻調(diào)相控制單元(5 )、相位超前滯后檢測單元(6 )、跟蹤/守時(shí)控制門(7 )、第一 2分頻電路(8 )和第二2分頻電路(10)、相位超前/滯后處理及分頻單元(9)、異或門(11)部分，上述系統(tǒng)中，時(shí)鐘源模塊(I)中包括GPS模板(1.1)、北斗衛(wèi)星接收模板(1.2)、時(shí)鐘源選擇單元(1.3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于GPS/北斗雙模衛(wèi)星時(shí)鐘的晶體振蕩器馴服系統(tǒng)系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)中單片微處理器(2)為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，單片微處理器的RXD1、RXD2、P10、Pll與時(shí)鐘源模塊(I)相連，P23、P24、P25與D/A轉(zhuǎn)換器(3)相連，T0、Tl與調(diào)頻調(diào)相控制單元(5)相連，INTO與第一 2分頻電路(8)相連，P22與相位超前滯后檢測單元(6)相連，INTl與相位超前/滯后處理及分頻單元(9)、和異或門(11)相連，P20、P04與相位超前/滯后處理及分頻單元(9)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于GPS/北斗雙模衛(wèi)星時(shí)鐘的晶體振蕩器馴服系統(tǒng)系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)中GPS模板(1.1)接收來自GPS衛(wèi)星的國際標(biāo)準(zhǔn)的UTC時(shí)間信息，輸出與UTC時(shí)間同步的IPPS秒脈沖及串行的UTC時(shí)間信息； 北斗衛(wèi)星接收模板(1.2)接收來自北斗衛(wèi)星的UTC時(shí)間信息，輸出與UTC時(shí)間同步的IPPS秒脈沖及串行的UTC時(shí)間信息； GPS模板和北斗衛(wèi)星接收模板輸出的串行UTC時(shí)間信息輸出至單片微處理器(2)的RXDl和RXD2引腳，兩模板輸出的IPPS秒脈沖則與時(shí)鐘選擇單元(1.3)相連并由單片微處理器的P10，Pll引腳進(jìn)行控制，輸出GPS或北斗輸出的秒脈沖，并送至跟蹤/守時(shí)控制門(7)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于GPS/北斗雙模衛(wèi)星時(shí)鐘的晶體振蕩器馴服系統(tǒng)系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)中，D/A轉(zhuǎn)換器(3)與單片微理器(2)的P23、P24、P25引腳相連，接受單片微理器(2)的控制，輸出模擬電壓與恒溫晶體振蕩器(4)的控制電壓引腳相連，對(duì)于恒溫晶體振蕩器(4)輸出的頻率進(jìn)行控制。`
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于GPS/北斗雙模衛(wèi)星時(shí)鐘的晶體振蕩器馴服系統(tǒng)系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)中，恒溫晶體振蕩器(4)輸出分別與調(diào)頻調(diào)相控制單元(5)、相位超前/滯后處理及分頻單元(9)相連，將輸出的高頻信號(hào)送至上述單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于GPS/北斗雙模衛(wèi)星時(shí)鐘的晶體振蕩器馴服系統(tǒng)系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)中，相位超前/滯后處理及分頻單元(9)接收恒溫晶體振蕩器(4)發(fā)出的高頻脈沖并且與單片微處理器(2)的P20、P21引腳相連，輸出IPPS標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)，作為整個(gè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)，并與第二 2分頻電路(10)相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于GPS/北斗雙模衛(wèi)星時(shí)鐘的晶體振蕩器馴服系統(tǒng)系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)中，跟蹤/守時(shí)控制門(7)的輸入分別與單片微處理器(2)的P21引腳相連和時(shí)鐘源模塊(I)的輸出相連，其輸出與第一 2分頻電路(8)相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于GPS/北斗雙模衛(wèi)星時(shí)鐘的晶體振蕩器馴服系統(tǒng)系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)中，異或門(11)的輸入分別與第一 2分頻電路(8)、第二 2分頻電路(10)的輸出相連，輸出與單片微處理器(2)的INTO引腳相連，作為單片微處理器的相位差輸入線，同時(shí)與相位超前/滯后處理及分頻單元(9)相連，作為相位差超前控制線。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于GPS/北斗雙模衛(wèi)星時(shí)鐘的晶體振蕩器馴服系統(tǒng)系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)中，調(diào)頻調(diào)相控制單元(5)的輸入與恒溫晶體振蕩器(4)和第二 2分頻電路(10)的輸出相連，其輸出與單片微處理器(2)的TO引腳相連，作為測頻輸入引腳。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于GPS/北斗雙模衛(wèi)星時(shí)鐘的晶體振蕩器馴服系統(tǒng)系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng) 中，相位超前滯后檢測單元(6)的輸入分別與第一 2分頻電路(8)、第二 2分頻電路(10)的輸出相連，其輸出與單片微處理器2的P22引腳相連，作為測相輸入引腳。
全文摘要
一種GPS/北斗雙模衛(wèi)星時(shí)鐘晶體振蕩器馴服系統(tǒng)，可用于電力、通信、鐵路、航空等領(lǐng)域需要高精度時(shí)鐘裝置，包括有時(shí)鐘源模塊、單片微處理器、D/A轉(zhuǎn)換器、恒溫晶體振蕩器、調(diào)頻調(diào)相控制單元、相位超前滯后檢測單元、跟蹤/守時(shí)控制門、第一2分頻電路和第二2分頻電路、相位超前/滯后處理及分頻單元、異或門等部分。本發(fā)明以GPS/北斗衛(wèi)星時(shí)鐘模塊輸出的1PPS秒脈沖為基準(zhǔn)，通過微處理器及單元電路，對(duì)于恒溫晶體振蕩器進(jìn)行馴服控制，對(duì)輸出的脈沖進(jìn)行分頻、調(diào)頻調(diào)相，使之輸出與GPS或北斗衛(wèi)星輸出1PPS脈沖完全同步的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖，當(dāng)GPS/北斗衛(wèi)星失鎖時(shí)，能夠在相當(dāng)長的時(shí)間輸出的秒脈沖仍然保持原衛(wèi)星鎖定時(shí)的精度。
文檔編號(hào)G04G7/00GK103117742SQ20111036407
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者曾一凡, 陳貴軍 申請(qǐng)人:沈陽工業(yè)大學(xué)