基于主站gps的絕緣在線高精度同步測量與時間標記方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及無線同步測量系統(tǒng)，具體是一種基于主站GPS的絕緣在線高精度同步測量與時間標記方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無線同步測量系統(tǒng)(WSN)廣泛應用于電力絕緣性能的測量中，其測量原理如下:通過各個子站分別測量介質(zhì)的漏電流和母線電壓，并通過無線信道將測量數(shù)據(jù)匯集到主站，然后通過計算漏電流和母線電壓之間的相位差，來評估介質(zhì)的絕緣性能。無線同步測量系統(tǒng)在實際工作中，需要其各個站點(主站和各個子站)協(xié)同工作才能獲得有用的信息，因此要求其各個站點之間具有嚴格的同步性。為了保證這一同步性，目前普遍采用的同步方法是:在無線同步測量系統(tǒng)的主站和各個子站均安裝GPS時鐘，并通過GPS時鐘的秒脈沖信號來啟動同步測量和對測量數(shù)據(jù)進行時間標記。然而，此種同步方法由于安裝了多個GPS時鐘，一方面會導致系統(tǒng)的成本過高和耗電增加，另一方面會導致系統(tǒng)出現(xiàn)各個GPS時鐘信息不一致時的管理問題，由此導致系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復雜。目前也有一些采用無線通信實現(xiàn)站點同步的方法，但是這些同步方法大都未能考慮初次同步后，隨著時間推移，各個子站的本地時鐘之間產(chǎn)生的累計誤差對后續(xù)同步工作帶來的影響?；诖?，有必要發(fā)明一種適用于無線同步測量系統(tǒng)的全新同步方法，既考慮各個子站的本地時鐘之間產(chǎn)生的累計誤差對后續(xù)同步工作帶來的影響，又解決常用無線同步測量系統(tǒng)GPS同步方法導致系統(tǒng)的成本過高、耗電增加、結(jié)構(gòu)復雜的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有采用無線通信實現(xiàn)站點同步的方法未考慮各個子站的本地時鐘之間產(chǎn)生的累計誤差對后續(xù)同步工作帶來的影響、以及常用的GPS同步方法導致系統(tǒng)的成本過高、耗電增加、結(jié)構(gòu)復雜的問題，提供了一種基于主站GPS的絕緣在線高精度同步測量與時間標記方法。
[0004]本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:基于主站GPS的絕緣在線高精度同步測量與時間標記方法，該方法是采用如下步驟實現(xiàn)的:
1)無線同步測量系統(tǒng)的組成:
無線同步測量系統(tǒng)采用I個主站和η個子站的結(jié)構(gòu)，主站和各個子站通過無線信道組成無線同步測量系統(tǒng);主站和各個子站均連接有nRF905無線通信模塊;主站分別具有GPS時鐘和本地時鐘;各個子站僅具有本地時鐘;其中，主站的本地時鐘由外掛日歷時鐘芯片和微秒級計時器構(gòu)成，子站的本地時鐘由FPGA內(nèi)置日歷時鐘和微秒級計時器構(gòu)成；主站和子站的采樣時鐘和標記時間均由本地時鐘提供；
2)采樣的同步啟動:
2.1)主站向各個子站發(fā)送采樣啟動請求，并在發(fā)送后完成本站的采樣準備工作;各個子站接收到采樣啟動請求后，通過解析命令確定是否是采樣啟動請求;如果是采樣啟動請求，則各子站完成本站的采樣準備工作；
2.2)主站利用nRF905無線通信模塊的自動重傳模式提交啟動采樣命令，在命令開始發(fā)送的時刻，主站連接的nRF905模塊的DR引腳會出現(xiàn)跳變信號；主站將DR信號作為幀同步信號，并在DR信號的上升沿啟動采樣，然后以確定的采樣頻率進行連續(xù)采集，完成規(guī)定的采樣點數(shù)；
在主站連接的nRF905模塊的DR引腳出現(xiàn)跳變信號的時刻，如果不考慮無線電波以光速傳輸帶來的各個子站接收到啟動采樣命令的時刻的差異，則各個子站會同時偵測到來自主站的無線載波信號，且各個子站連接的nRF905模塊的CD引腳會同步出現(xiàn)跳變信號；各個子站將CD信號作為幀同步信號，并在CD信號的上升沿啟動采樣，然后以確定的采樣頻率進行連續(xù)采集，完成規(guī)定的采樣點數(shù)；
由于DR引腳出現(xiàn)跳變信號與CD引腳出現(xiàn)跳變信號是同步發(fā)生的，使得主站和各個子站的采樣是同步啟動的；
3)采樣時鐘的同步:
主站利用nRF905無線通信模塊的自動重傳模式發(fā)送采樣幀同步命令，并將重發(fā)時間間隔設置為20ms，由此使得nRF905模塊的DR引腳每20ms出現(xiàn)一次跳變信號;nRF905模塊的DR引腳每出現(xiàn)一次跳變信號，主站即在DR信號的上升沿對本地時鐘的分頻器進行一次清零，使得主站的采樣時鐘脈沖前沿與DR信號的上升沿對齊；
由于在主站連接的nRF905模塊的DR引腳出現(xiàn)跳變信號的時刻，各個子站連接的nRF905模塊的CD引腳會同步出現(xiàn)跳變信號，因此各個子站連接的nRF905模塊的CD引腳每20ms會出現(xiàn)一次跳變信號;nRF905模塊的CD引腳每出現(xiàn)一次跳變信號，各個子站即在CD信號的上升沿對本地時鐘的分頻器進行一次清零，使得各個子站的采樣時鐘脈沖前沿與CD信號的上升沿對齊；
此時，如果不考慮無線電波以光速傳輸帶來的各個子站接收到采樣幀同步命令的時刻的差異，則DR信號的上升沿、CD信號的上升沿、主站的采樣時鐘脈沖前沿、各個子站的采樣時鐘脈沖前沿均是對齊的，由此使得主站和各個子站的采樣時鐘每20ms同步一次，從而減少了隨著時間推移，各個子站的本地時鐘之間由于晶振漂移等因素產(chǎn)生的累計誤差對后續(xù)同步工作帶來的影響，進而提高了同步精度；
4)本地時鐘的標定和校正:
4.1)主站利用GPS時鐘發(fā)出的一個GPS秒脈沖啟動本地時鐘的微秒級計時器，并利用GPS時鐘發(fā)出的下一個GPS秒脈沖停止該微秒級計時器;然后，主站利用本地時鐘測得相鄰兩個GPS秒脈沖之間的計時脈沖數(shù)，并根據(jù)計時脈沖數(shù)標定主站的本地時鐘的微秒級計時器的計時脈沖的寬度;具體標定公式如下:to=l/No；
上式中:to為主站的本地時鐘的微秒級計時器的計時脈沖的寬度，No為相鄰兩個GPS秒脈沖之間的計時脈沖數(shù)；
標定完成后，主站利用本地時鐘精確標記每個采樣點出現(xiàn)的絕對時刻；
4.2)主站利用本地時鐘的微秒級計時器測得相鄰兩個DR信號之間的時間，第η個子站利用本地時鐘的微秒級計時器測得相鄰兩個CD信號之間的計時脈沖數(shù);然后，根據(jù)主站測得的相鄰兩個DR信號之間的時間和第η個子站測得的相鄰兩個CD信號之間的計時脈沖數(shù)，校正第η個子站的本地時鐘的微秒級計時器的計時脈沖的寬度;具體校正公式如下: tn=T2/Nn；
上式中:tn為第η個子站的本地時鐘的微秒級計時器的計時脈沖的寬度，T2為主站測得的相鄰兩個DR信號之間的時間具為第η個子站測得的相鄰兩個CD信號之間的計時脈沖數(shù)；校正完成后，第η個子站利用本地時鐘精確標記每個采樣點出現(xiàn)的絕對時刻。
[0005]與現(xiàn)有無線同步測量系統(tǒng)的同步方法相比，本發(fā)明所述的基于主站GPS的絕緣在線高精度同步測量與時間標記方法無需安裝多個GPS時鐘，而只需在主站安裝一個GPS時鐘，并通過采用采樣的同步啟動技術(shù)、采樣時鐘的同步技術(shù)、本地時鐘的標定校正技術(shù)，即可實現(xiàn)無線同步測量系統(tǒng)的在線高精度同步測量與時間標記，由此其不僅考慮了各個子站的本地時鐘之間產(chǎn)生的累計誤差對后續(xù)同步工作帶來的影響，而且大幅降低了系統(tǒng)的成本、大幅減少了系統(tǒng)的耗電，同時徹底避免了系統(tǒng)出現(xiàn)多個GPS時鐘信息不一致時的管理問題，由此大幅簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
[0006]本發(fā)明有效解決了現(xiàn)有采用無線通信實現(xiàn)站點同步的方法未考慮各個子站的本地時鐘之間產(chǎn)生的累計誤差對后續(xù)同步工作帶來的影響、以及常用的GPS同步方法導致系統(tǒng)的成本過高、耗電增加、結(jié)構(gòu)復雜的問題，適用于無線同步測量系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0007]圖1是本發(fā)明的步驟2)的示意圖。
[0008]圖2是本發(fā)明的步驟3)的示意圖。
[0009]圖3是本發(fā)明的步驟4)的不意圖。
[0010]圖4是本發(fā)明的主站的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖5是本發(fā)明的無線同步測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0012]基于主站GPS的絕緣在線高精度同步測量與時間標記方法，該方法是采用如下步驟實現(xiàn)的:
1)無線同步測量系統(tǒng)的組成:
無線同步測量系統(tǒng)采用I個主站和η個子站的結(jié)構(gòu)，主站和各個子站通過無線信道組成無線同步測量系統(tǒng);主站和各個子站均連接有nRF905無線通信模塊;主站分別具有GPS時鐘和本地時鐘;各個子站僅具有本地時鐘;其中，主站的本地時鐘由外掛日歷時鐘芯片和微秒級計時器構(gòu)成，子站的本地時鐘由FPGA內(nèi)置日歷時鐘和微秒級計時器構(gòu)成；主站和子站的采樣時鐘和標記時間均由本地時鐘提供；
2)采樣的同步啟動:
2.1)主站向各個子站發(fā)送采樣啟動請求，并在發(fā)送后完成本站的采樣準備工作;各個子站接收到采樣啟動請求后，通過解析命令確定是否是采樣啟動請求;如果是采樣啟動請求，則各子站完成本站的采樣準備工作；
2.2)主站利用nRF905無線通信模塊的自動重傳模式提交啟動采樣命令，在命令開始發(fā)送的時刻，主站連接的nRF905模塊的DR引腳會出現(xiàn)跳變信號；主站將DR信號作為幀同步信號，并在DR信號的上升沿啟動采樣，然后以確定的采樣頻率進行連續(xù)采集，完成規(guī)定的采樣點數(shù)；
在主站連接的nRF905模塊的DR引腳出現(xiàn)跳變信號的時刻，如果不考慮無線電波以光速傳輸帶來的各個子站接收到啟動采樣命令的時刻的差異，則各個子站會同時偵測到來自主站的無線載波信號，且各個子站連接的nRF905模塊的CD引腳會同步出現(xiàn)跳變信號；各個子站將CD信號作為幀同步信號，并在CD信號的上升沿啟動采樣，然后以確定的采樣頻率進行連續(xù)采集，完成規(guī)定的采樣點數(shù)；
由于DR引腳出現(xiàn)跳變信號與CD引腳出現(xiàn)跳變信號是同步發(fā)生的，使得主站和各個子站的采樣是同步啟動的；
3)采樣時鐘的同步:
主站利用nRF905無線通信模塊的自動重傳模式發(fā)送采樣幀同步命令，并將重發(fā)時間間隔設置為20ms，由此使得nRF905模塊的DR引腳每20ms出現(xiàn)一次跳變信號;nRF905模塊的DR引腳每出現(xiàn)一次跳變信號，主站即在DR信號的上升沿對本地時鐘的分頻器進行一次清零，使得主站的采樣時鐘脈沖前沿與DR信號的上升沿對齊；
由于在主站連接的nRF905模塊的DR引腳出現(xiàn)跳變信號的時刻，各個子站連接的nRF905模塊的CD引腳會同步出現(xiàn)跳變信號，因此各個子站連接的nRF905模塊的CD引腳每20ms會出現(xiàn)一次跳變信號;nRF905模塊的CD引腳每出