一種用于大功率電磁發(fā)射機(jī)的gps時間同步裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種用于大功率電磁發(fā)射機(jī)的GPS時間同步裝置，包括：包括GPS接收模塊、主控單元；所述GPS接收模塊分別與主控單元通信連接；所述GPS接收模塊捕捉GPS衛(wèi)星信號，并將GPS衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)換處理，所述GPS接收模塊將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出至所述主控單元，所述主控單元解碼后得到標(biāo)準(zhǔn)的時間信號傳輸至上位機(jī)顯示。本實(shí)用新型能夠生成連續(xù)的高精度秒脈沖來維持精確可靠的同步，實(shí)現(xiàn)了高精度時間信號輸出。即便是在GPS信號出現(xiàn)異常時，同步裝置自身也能產(chǎn)生連續(xù)的PPS保證GPS時間的同步。在強(qiáng)電磁干擾下無論GPS信號是否正常，都能保持相當(dāng)高的精度和可靠性。
【專利說明】—種用于大功率電磁發(fā)射機(jī)的GPS時間同步裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種GPS時間同步裝置，特別涉及一種用于大功率電磁發(fā)射機(jī)的GPS時間同步裝置，屬于通信【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]電磁法是通過獲取大地介質(zhì)對射入電磁場的響應(yīng)，來獲得地下地質(zhì)體或礦體電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)信息的方法。由于金屬礦通常具有的良好導(dǎo)電性，因此，電磁法勘探是尋找金屬礦最為有效的地球物理勘探手段。對于電磁法勘探而言，離不開可靠的電磁勘探儀器裝備。而在電磁法勘探儀器的研制中，設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的同步又是其中一項(xiàng)非常關(guān)鍵的技術(shù)，因?yàn)樵趯?shí)際的野外實(shí)驗(yàn)中，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)都按照事先設(shè)定好的頻率表自動進(jìn)行信號的發(fā)射與接收，無需手動操作，所以需要保證發(fā)射與接收的同步，因而發(fā)射機(jī)和接收機(jī)需要進(jìn)行時間的同步。
[0003]關(guān)于時間同步方式，目前最常用方法是采用GPS進(jìn)行同步。在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中分別采用相同的GPS芯片，由于GPS同步不受距離及地形影響，并且GPS輸出的時間準(zhǔn)確度很高，因此采用GPS是一種比較好的同步方式。然而，現(xiàn)有的GPS時間同步裝置經(jīng)常會忽略GPS找星的問題，同時對GPS信號的依賴性都比較強(qiáng)，它們多是在假設(shè)GPS信號一定能找到且不會失效的前提下設(shè)計(jì)。由于GPS衛(wèi)星信號在空間傳播時受到多方面因素影響，會直接造成信號條件不理想。例如，在室內(nèi)和森林等低信噪下，遮擋、多徑和干擾等現(xiàn)象較嚴(yán)重，導(dǎo)致GPS接收芯片接收到的GPS信號功率受到嚴(yán)重的衰弱。GPS芯片其可捕獲衛(wèi)星數(shù)量明顯減少。當(dāng)GPS芯片捕獲到的衛(wèi)星數(shù)量低于一定值時，GPS芯片就無法準(zhǔn)確的獲得GPS時間信息。另外GPS芯片易受外界環(huán)境的影響，特別是在強(qiáng)電磁環(huán)境下其輸出的PPS(秒脈沖)會夾雜擾動信號，有可能導(dǎo)致PPS失效，裝置不能正常運(yùn)行。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是:提供一種精度高、穩(wěn)定、抗干擾的用于大功率電磁發(fā)射機(jī)的GPS時間同步裝置。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了如下的技術(shù)方案:
[0006]本實(shí)用新型提供一種用于大功率電磁發(fā)射機(jī)的GPS時間同步裝置，包括:GPS接收模塊、主控單元；
[0007]所述GPS接收模塊分別與主控單元通信連接；
[0008]所述GPS接收模塊捕捉GPS衛(wèi)星信號，并將GPS衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)換處理，所述GPS接收模塊將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出至所述主控單元，所述主控單元解碼后得到標(biāo)準(zhǔn)的時間信號傳輸至上位機(jī)顯示。
[0009]其中較優(yōu)地,還包括計(jì)數(shù)單元,所述計(jì)數(shù)模塊與所述主控單元通信連接；
[0010]所述計(jì)數(shù)單元向所述主控單元提供連續(xù)的頻率信號，所述主控單元對頻率信號處理后與GPS模塊轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)同步后得到標(biāo)準(zhǔn)的時間信號傳輸至所述上位機(jī)顯示。
[0011]其中較優(yōu)地,所述主控單元包括:主控單元包括控制單元和處理單元；
[0012]所述控制單元和所述處理單元通過總線通信連接；
[0013]所述GPS接收模塊將轉(zhuǎn)換后的GPS數(shù)據(jù)輸出至所述處理單元，所述處理單元解調(diào)、處理GPS數(shù)據(jù)后輸出標(biāo)準(zhǔn)的時間信號至所述上位機(jī)顯示；
[0014]所述主控單元對所述計(jì)數(shù)單元輸出的頻率倍頻后進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)信號傳輸至所述處理單元，所述處理模塊將并將計(jì)數(shù)信號轉(zhuǎn)換成秒脈沖信號，對秒脈沖信號與GPS模塊轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)同步后得到標(biāo)準(zhǔn)的時間信號傳輸至所述上位機(jī)顯示。
[0015]其中較優(yōu)地，所述控制單元是FPGA和處理單元DSP。
[0016]其中較優(yōu)地，所述處理單元包括:第一 URAT模塊、GPS解碼模塊、時間同步模塊、第二 URAT模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、外部中斷模塊；
[0017]所述第一 URAT模塊、所述GPS解碼模塊、所述時間同步模塊、所述第二 URAT模塊依序通信連接，所述數(shù)據(jù)處理模塊、所述中斷模塊、所述時間同步模塊依序通信連接；
[0018]第一 URAT模塊接收到所述GPS接收模塊發(fā)送的GPS數(shù)據(jù)后，轉(zhuǎn)發(fā)至所述GPS解碼模塊，所述GPS解碼模塊將GPS數(shù)據(jù)解碼成時間、狀態(tài)信息發(fā)送至所述時間同步模塊，所述時間同步模塊將時間信息、狀態(tài)信息處理成標(biāo)準(zhǔn)時間通過所述第二 URAT模塊發(fā)送至上位機(jī)；
[0019]所述數(shù)據(jù)處理模塊接收控制模塊或GPRS接收模塊傳輸?shù)挠?jì)數(shù)信息并轉(zhuǎn)化成秒脈沖信號，并將秒脈沖信號傳輸至所述外部中斷模塊，所述外部中斷模塊將秒脈沖信號轉(zhuǎn)換成時間信號傳輸至所述時間同步模塊，所述時間同步模塊將時間信號和GPRS接收模塊傳輸?shù)臅r間信號處理成標(biāo)準(zhǔn)時間通過所述第二 URAT模塊發(fā)送至上位機(jī)。
[0020]其中較優(yōu)地，所述控制單元包括:倍頻模塊、第一計(jì)數(shù)模塊、數(shù)據(jù)緩存區(qū)；
[0021]所述倍頻模塊、所述第一計(jì)數(shù)模塊、所述數(shù)據(jù)緩存區(qū)依序通信連接；
[0022]所述倍頻模塊將計(jì)數(shù)單元傳輸?shù)念l率倍頻處理后送到所述第一計(jì)數(shù)模塊里進(jìn)行計(jì)數(shù)，所述第一計(jì)數(shù)模塊中的計(jì)數(shù)值達(dá)到設(shè)定值后，再將計(jì)數(shù)值送到所述數(shù)據(jù)緩存區(qū)。
[0023]其中較優(yōu)地，還包括恒溫晶振反饋控制電路；
[0024]所述恒溫晶振反饋控制電路包括:第二計(jì)數(shù)模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、運(yùn)算放大電路；
[0025]所述倍頻模塊、所述第二計(jì)數(shù)模塊、所述數(shù)據(jù)處理模塊、所述數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、所述運(yùn)算放大電路、所述恒溫晶振依序通信連接；
[0026]所述倍頻模塊將恒溫晶振頻率倍頻處理后發(fā)送至所述第二計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)，所述數(shù)據(jù)處理模塊讀取所述第二計(jì)數(shù)模塊的計(jì)數(shù)值計(jì)算出晶振單位時間的誤差測量值和反饋電壓，將運(yùn)算出的反饋電壓值發(fā)送至所述數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為模擬信號并通過運(yùn)算放大電路放大處理后反饋至所述恒溫晶振的反饋電壓接口。
[0027]其中較優(yōu)地，還包括:處理秒脈沖的邏輯電路；
[0028]所述邏輯電路包括:二輸入與門、二輸入或門；
[0029]所述二輸入與門的第一輸入端與所述GPS接收模塊連接、所述二輸入與門的第二輸入端與所述處理單元的第二 GP1接口連接，所述二輸入與門的輸出端與所述二輸入或門的第一輸入端連接，所述二輸入與門的第二輸入與所述處理單元的第一 GP1接口連接，二輸入或門的輸出端與所述處理單元的INT接口連接。
[0030]本實(shí)用新型提供的用于大功率電磁發(fā)射機(jī)的GPS時間同步裝置，能夠生成連續(xù)的高精度秒脈沖來維持精確可靠的同步，實(shí)現(xiàn)了高精度時間信號輸出。即便是在GPS信號出現(xiàn)異常時，同步裝置自身也能產(chǎn)生連續(xù)的PPS保證GPS時間的同步。在強(qiáng)電磁干擾下無論GPS信號是否正常，都能保持相當(dāng)高的精度和可靠性，綜上本文所設(shè)計(jì)的GPS時間同步裝置適用于電磁勘探中，而且可以廣泛應(yīng)用于電力、通訊、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等需要高精度實(shí)時同步的場合，因此具有很大的應(yīng)用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1是本實(shí)用新型GPS時間同步裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖2是GPS模塊輸出的秒脈沖和串行數(shù)據(jù)波形示意圖；
[0033]圖3是GPS模塊輸出完整串行數(shù)據(jù)波形示意圖；
[0034]圖4是秒脈沖邏輯電路與DSP連接示意圖；
[0035]圖5是秒脈沖信號生成原理示意圖；
[0036]圖6是秒脈沖被干擾秒脈沖信號未丟失的波形示意圖；
[0037]圖7是秒脈沖被干擾秒脈沖信號丟失的波形示意圖；
[0038]圖8是恒溫晶振反饋控制電路回路示意圖；
[0039]圖9是邏輯電路處理后的秒脈沖波形示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0040]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本實(shí)用新型，但不用來限制本實(shí)用新型的范圍。
[0041]如圖1所示，本實(shí)用新型提供一種用于大功率電磁發(fā)射機(jī)的GPS時間同步裝置(以下簡稱GPS時間同步裝置)，包括:GPS接收模塊、主控單元；GPS接收模塊與主控單元通信連接；GPS接收模塊捕捉GPS衛(wèi)星信號，并將GPS衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)換處理，GPS接收模塊將轉(zhuǎn)換后的GPS數(shù)據(jù)輸出至主控單元，主控單元解碼GPS數(shù)據(jù)后得到標(biāo)準(zhǔn)的時間信號傳輸至上位機(jī)顯示。下面對本實(shí)用新型展開詳細(xì)的說明。
[0042]由于GPS衛(wèi)星信號在空間中傳播時，易受外界環(huán)境的影響，如果遇到障礙物，其信號功率會減弱或消失，將會影響到接收芯片對衛(wèi)星信號的捕捉，所以應(yīng)設(shè)法提高同步裝置捕捉到GPS衛(wèi)星信號的能力。本文采用了以下兩種改進(jìn)方法:一方面，將GPS天線放到開闊并沒有遮擋的地帶，以減小障礙物對衛(wèi)星信號功率的衰弱；另一方面，增大GPS接收芯片的射頻供應(yīng)電壓(例如，由3.3V增加到5V)，提高接收芯片對衛(wèi)星信號的接收能力。如果在上述兩種方式處理后仍然不能接收到完整的GPS信號，需要在GPS信號丟失后，通過其他方式為系統(tǒng)提供GPS時間同步裝置提供時間信息，確保系統(tǒng)輸出高精度的時間信號。在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，GPS接收模塊優(yōu)選美國CONNOR — WINFIELD公司的Wil25。Wil25GPS接收模塊時間精度達(dá)到25ns。GPS接收模塊將GPS衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)換處理后直接區(qū)分輸出如圖2所示秒脈沖PPS(pulses per second)和圖3所示的串行數(shù)據(jù)(NMEA-0183語句)，其中串行數(shù)據(jù)中包含著GPS時間信息和定位信息等。秒脈沖PPS和串行數(shù)據(jù)由GPS接收模塊兩個不同的口輸出。
[0043]如圖1所示，為了避免在GPS信號丟失后，GPS時間同步裝置將不能輸出高精度的時間信號。為避免這一問題，本實(shí)用新型提供的GPS時間同步裝置還設(shè)置有計(jì)數(shù)單元，計(jì)數(shù)單元與主控單元通信連接；計(jì)數(shù)單元向主控單元提供連續(xù)的恒溫晶振頻率，主控單元對恒溫晶振頻率處理后與GPS模塊轉(zhuǎn)換后的GPS數(shù)據(jù)同步得到標(biāo)準(zhǔn)的時間信號傳輸至上位機(jī)顯示。本GPS時間同步裝置能夠通過計(jì)數(shù)單元生成連續(xù)的高精度恒溫晶振頻率來維持精確可靠的同步。在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，GPS時間同步裝置中，計(jì)數(shù)單元優(yōu)選選用恒溫晶振，秒脈沖的精度取決于恒溫晶振的精度。恒溫晶振優(yōu)選頻率是12.288M的恒溫晶振。頻率是12.288M的恒溫晶振頻率精度達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后9個數(shù)量級，頻率短期穩(wěn)定度優(yōu)于2E-11 (2E-11 = 2*10_n，12.288M的恒溫晶振的頻率短期穩(wěn)定度能達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后11位，精度比較高)，日老化率〈=±0.5ppb，且?guī)в蟹答佌{(diào)節(jié)，使其具有很高的頻率精度和穩(wěn)定度，這些優(yōu)點(diǎn)使得本裝置比使用普通晶振的裝置大大提高了同步精度、溫度穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性。
[0044]如圖1所不，主控單兀包括控制單兀FPGA(Field — Programmable Gate Array,現(xiàn)場可編程門陣列)和處理單元DSP(digital signal processor,數(shù)字信號處理器)，控制單元和處理單元通過地址、數(shù)據(jù)總線通信連接?？刂茊卧吞幚韱卧ㄟ^地址、數(shù)據(jù)總線以并行形式傳輸數(shù)據(jù)。GPS接收模塊將轉(zhuǎn)換后的GPS數(shù)據(jù)輸出至處理單元，處理單元分別通過不同的接口接收GPS數(shù)據(jù)(例如，秒脈沖與串行數(shù)據(jù)分別接到處理單元DSP的外部中斷口與RXD 口)。處理單元對接收到的串行數(shù)據(jù)解調(diào)、處理成標(biāo)準(zhǔn)的時間數(shù)據(jù)，傳輸至上位機(jī)顯示?？刂茊卧邮沼?jì)數(shù)單元發(fā)送的恒溫晶振頻率，并對其倍頻后進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)后的計(jì)數(shù)信號傳輸至處理單元，處理單元將計(jì)數(shù)信號同步處理成時間信號并與GPS時間數(shù)據(jù)同步形成標(biāo)準(zhǔn)的時間傳輸至上位機(jī)顯示。本GPS時間同步裝置通過計(jì)數(shù)單元產(chǎn)生高精度的秒脈沖，最終使GPS時間同步裝置自身產(chǎn)生高精度的秒脈沖，對秒脈沖處理后和GPS數(shù)據(jù)中的時間同步，確保輸出高精度的時間信號。
[0045]在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，處理單元包括:第一 URAT模塊、GPS解碼模塊、時間同步模塊、第二 URAT模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、外部中斷模塊。第一 URAT模塊、GPS解碼模塊、時間同步模塊、第二 URAT模塊依序通信連接，數(shù)據(jù)處理模塊、中斷模塊、時間同步模塊依序通信連接。第一 URAT模塊接收到GPS接收模塊發(fā)送的GPS數(shù)據(jù)后，轉(zhuǎn)發(fā)至GPS解碼模塊，GPS解碼模塊將GPS數(shù)據(jù)解碼成當(dāng)前時間、狀態(tài)信息發(fā)送至?xí)r間同步模塊，時間同步模塊將時間信息、狀態(tài)信息處理成UTC時間(世界標(biāo)準(zhǔn)時間)發(fā)送至第二 URAT模塊，第二 URAT模塊將UTC時間發(fā)送至顯示模塊。數(shù)據(jù)處理模塊接收控制模塊傳輸?shù)挠?jì)數(shù)值并轉(zhuǎn)化成秒脈沖信號并傳輸至外部中斷模塊，外部中斷模塊將秒脈沖信號處理成單位時間(例如一秒為間隔中斷)并傳輸至?xí)r間同步模塊，時間同步模塊同步單位時間與當(dāng)前時間形成UTC時間(世界標(biāo)準(zhǔn)時間)發(fā)送至第二 URAT模塊，第二 URAT模塊將UTC時間發(fā)送至顯示模塊。GPS芯片向DSP發(fā)送的串行數(shù)據(jù)中包含當(dāng)前時刻的UTC時間，而秒脈沖每觸發(fā)一次外部中斷，對應(yīng)的UTC時間就加Is。處理單元DSP優(yōu)選TI公司的TMS320F2812，主頻達(dá)到150MHz，大部分指令周期為6.67ns，數(shù)據(jù)處理速度快，同時片內(nèi)集成了功能強(qiáng)大的I/O 口和許多外設(shè)功能。TMS320F2812 有豐富的時間管理器，SCI (Serial Communicat1n Interface，串行通信接口)模塊和中斷模塊為本裝置的設(shè)計(jì)提供了極大的便利。
[0046]在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，控制單元包括:倍頻模塊、第一計(jì)數(shù)模塊、數(shù)據(jù)緩存區(qū)。倍頻模塊、第一計(jì)數(shù)模塊、數(shù)據(jù)緩存區(qū)依序通信連接。倍頻模塊將計(jì)數(shù)單元傳輸?shù)念l率倍頻處理后送到第一計(jì)數(shù)模塊里進(jìn)行計(jì)數(shù)，第一計(jì)數(shù)模塊中的計(jì)數(shù)值達(dá)到設(shè)定值后，再將計(jì)數(shù)值送到數(shù)據(jù)緩存區(qū)，等待DSP的讀取。FPGA的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)相當(dāng)于DSP的一個外部存儲器，當(dāng)DSP從FPGA讀取數(shù)據(jù)及向FPGA發(fā)送控制命令時，需要為每個數(shù)據(jù)分配地址?？刂茊卧狥PGA選用了 Altera公司的Cyclone II系列FPGA器件，其自身時鐘頻率可以達(dá)到幾百兆赫茲，再加上并行處理的特性，可以達(dá)到很高的處理速度，非常適合應(yīng)用于時間精度有較高要求的實(shí)時系統(tǒng)。
[0047]由于GPS衛(wèi)星信號在空間傳播時，信號傳輸往往受到環(huán)境條件的多方面限制，多徑和干擾等現(xiàn)象較嚴(yán)重。特別是在強(qiáng)電磁環(huán)境下其輸出的GPS數(shù)據(jù)會夾雜擾動信號，有可能導(dǎo)致PPS失效。為了避免本GPS時間同步裝置收到干擾導(dǎo)致輸出的時間信息精度不高和可靠性差，需要考慮GPS時間同步裝置在強(qiáng)電磁環(huán)境下，GPS接收模塊在傳送PPS時有可能夾雜干擾的問題，有可能出現(xiàn)跳秒的情況。為保證本GPS時間同步裝置輸出精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)信號，必須設(shè)法消除PPS秒脈沖干擾，避免跳秒現(xiàn)象的出現(xiàn)。另外，實(shí)用新型人多次研究發(fā)現(xiàn)DSP不能對GPS芯片產(chǎn)生的秒脈沖直接進(jìn)行處理，需要對秒脈沖進(jìn)行處理后，再交由DSP處理。如圖1所示，為了避免電磁干擾對PPS秒脈沖干擾，更好的使DSP對秒脈沖處理，提高輸出時間的精度。本GPS時間同步裝置還包括:處理秒脈沖的邏輯電路。如圖1所示，邏輯電路連接在GPS接收模塊與主控單元之間。如圖4所示，邏輯電路包括二輸入與門、二輸入或門，二輸入與門的第一輸入端與GPS接收模塊連接、二輸入與門的第二輸入端與DSP的第二GP10(General Purpose Input Output,通用輸入/輸出)接口連接，二輸入與門的輸出端與二輸入或門的第一輸入端連接，二輸入與門的第二輸入與DSP的第一 GP1接口連接，二輸入或門的輸出端與DSP的INT接口連接。
[0048]圖5示出了邏輯電路對秒脈沖信號處理后的秒脈沖信號生成原理。如圖4和圖5所示，本GPS時間同步裝置中，邏輯電路的工作模式主要分為一下三種；第一、GPS信號未被干擾;第二、GPS信號被干擾，秒脈沖信號未丟失；第三、GPS信號被干擾，秒脈沖信號也丟失。下面對本GPS時間同步裝置中，邏輯電路的工作模式詳細(xì)說明。
[0049]第一工作模式，GPS信號未被干擾(即圖5中0_3s):信號I是GPS時間同步裝置自身產(chǎn)生的秒脈沖信號，信號I是控制單元FPGA對恒溫晶振倍頻后計(jì)數(shù)得到。GPS信號未被干擾時，信號I以提前GPS秒脈沖t/2時間作為起始時刻(Os時信號I和GPS_PPS同步，信號I第一次計(jì)時(l_t/2)s，之后都計(jì)時Is)。由于選用的FPGA自身工作頻率可以達(dá)到幾百兆赫茲，因此FPGA在將恒溫晶振倍頻后計(jì)數(shù)一次的時間僅為幾納秒，所以在確保輸出信號I時，也能將時間t設(shè)定的非常短(小于Ius)，這樣確保同步裝置自身產(chǎn)生的秒脈沖信號I和GPS接收模塊提供秒脈沖信號時間偏差非常的小。在GPS信號未被干擾時，輸入信號經(jīng)過邏輯電路后，輸出的信號4和GPS_PPS (GPS秒脈沖)是同步的，這樣也就確保了 GPS_PPS被準(zhǔn)確無誤的送到DSP的外部中斷模塊中，經(jīng)過DSP的時間同步模塊的處理，系統(tǒng)就能夠輸出準(zhǔn)確的時間信號。
[0050]第二工作模式，GPS信號被干擾,秒脈沖信號未丟失(即圖5中3_4s):如圖6所示，在GPS信號被干擾但秒脈沖還未丟失的情況下，由于信號I只在GPS秒脈沖上升沿的兩偵牝且波形非常的窄。所以信號I和GPS_PPS經(jīng)過與門后，只要GPS信號正常，GPS秒脈沖就可以順利通過與門，而在信號I窄脈沖之外的脈沖干擾就會被屏蔽，由于窄脈沖的寬度非常的小，所以該邏輯電路可以很好的消除干擾脈沖。
[0051]第三工作模式，GPS信號未被干擾，秒脈沖信號也丟失(即圖5中4_5s):如圖7所示，在GPS信號被干擾，秒脈沖信號也丟失的情況下，GPS時間同步裝置自身產(chǎn)生的秒脈沖信號I代替GPS信號提供秒脈沖輸出。如果數(shù)據(jù)處理模塊監(jiān)測到圖5中5s處信號I在整個高電平期間信號2 —直是低電平，此時可以判定GPS秒脈沖信號已經(jīng)丟失。數(shù)據(jù)處理模塊收到計(jì)數(shù)模塊I的計(jì)數(shù)值后，立刻生成信號1，并對FPGA計(jì)數(shù)模塊I發(fā)送計(jì)數(shù)清零命令，在檢測到GPS信號異常時(GPS秒脈沖丟失)，生成信號3，立刻給信號3 —個脈沖信號，信號3與信號2經(jīng)過或門后，信號4得到了一個脈沖信號(也就是GPS時間同步裝置自身產(chǎn)生的秒脈沖信號)，這個秒脈沖信號相比實(shí)際GPS_PPS延遲了 t/2時間，由于時間t非常的短，所以裝置自身產(chǎn)生的秒脈沖信號和GPS接收模塊提供秒脈沖信號也就無明顯差異了。
[0052]經(jīng)過上述處理，裝置即使失去GPS信號也不會失去正常工作所需的秒脈沖，待GPS秒脈沖信號恢復(fù)正常后在切換到工作模式I運(yùn)轉(zhuǎn)，該同步裝置既考慮了 GPS由于外界干擾可能造成同步脈沖消失，又防止了突變干擾信號被誤認(rèn)為同步信號現(xiàn)象的發(fā)生。在強(qiáng)電磁環(huán)境下被干擾的GPS秒脈沖(圖6和圖7)經(jīng)過邏輯電路處理后得到如圖9所示的秒脈沖波形圖。從圖9中可以看出，經(jīng)過邏輯電路處理后圖6中秒脈沖夾雜的擾動信號被消除，且沒有出現(xiàn)跳秒的現(xiàn)象，圖7中丟失的秒脈沖信號經(jīng)過邏輯電路處理后由同步裝置自身產(chǎn)生同步的脈沖信號，確保系統(tǒng)輸出高精度的同步時間。本實(shí)用新型提供的GPS時間同步裝置通過設(shè)置邏輯電路，無論有無GPS信號，是否收到電磁干擾，都可以保證輸出脈沖的精度。
[0053]盡管選用的恒溫晶振精度非常的高，但單位時間的誤差較穩(wěn)定。GPS時間同步裝置使用恒溫晶振使自身產(chǎn)生高精度的秒脈沖，仍然存在一定的累計(jì)誤差，再加上老化的因素，長期使用后頻率輸出會有偏移。為了進(jìn)一步保證本GPS時間同步裝置輸出的時間信號的精度，需要把晶振單位時間的誤差測量估算出來，利用晶振可以反饋調(diào)節(jié)的特性(恒溫晶振自帶電壓反饋控制管腳)，實(shí)現(xiàn)對恒溫晶振頻率的閉環(huán)控制。
[0054]如圖1所示，為了更好地估算和消除晶振單位時間的誤差，本GPS時間同步裝置還包括恒溫晶振反饋控制電路，恒溫晶振反饋控制電路設(shè)置在主控單元與恒溫晶振之間。如圖8所示，恒溫晶振反饋控制電路包括:第二計(jì)數(shù)模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、運(yùn)算放大電路。倍頻模塊、第二計(jì)數(shù)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、運(yùn)算放大電路恒溫晶振依序通信連接。倍頻模塊將恒溫晶振頻率倍頻處理后發(fā)送至第二計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)，數(shù)據(jù)處理模塊讀取第二計(jì)數(shù)模塊的計(jì)數(shù)值計(jì)算出晶振單位時間的誤差測量值和反饋電壓，將運(yùn)算處的反饋電壓值發(fā)送至數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為模擬信號，將模擬信號通過運(yùn)算放大電路方法處理后反饋至恒溫晶振的反饋電壓口。在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，利用FPGA可并行處理的特性，再加入一路計(jì)數(shù)器第二計(jì)數(shù)模塊。第二計(jì)數(shù)模塊與FPGA的備品模塊通信連接，第二計(jì)數(shù)模塊與DSP的數(shù)據(jù)處理模塊連接。第二計(jì)數(shù)模塊計(jì)算相鄰2個GPS秒脈沖時間內(nèi)FPGA對倍頻后的恒溫晶振頻率計(jì)數(shù)值。第二將計(jì)數(shù)模塊相鄰2個GPS秒脈沖時間內(nèi)FPGA對倍頻后的恒溫晶振頻率計(jì)數(shù)值發(fā)送至DSP的數(shù)據(jù)處理模塊。倍頻后的晶振單位時間的誤差測量值計(jì)算在DSP中完成，根據(jù)算出的晶振頻率偏差值，算出反饋電壓，實(shí)現(xiàn)對恒溫晶振頻率的閉環(huán)控制，這樣也就能修正恒溫晶振的頻率。
[0055]在GPS信號正常時，GPS芯片產(chǎn)生的秒脈沖信號時是非常精準(zhǔn)的，所以計(jì)數(shù)模塊2計(jì)數(shù)時間選取相鄰的兩個秒脈沖之間。在第一次GPS秒脈沖觸發(fā)DSP外部中斷后，DSP的數(shù)據(jù)處理模塊立刻給FPGA計(jì)數(shù)模塊2清零指令，計(jì)數(shù)模塊2開始對倍頻后的晶振頻率計(jì)數(shù)，第二次中斷觸發(fā)后，首先將計(jì)數(shù)模塊2的計(jì)數(shù)值讀取進(jìn)來，并保存下來，然后給FPGA計(jì)數(shù)模塊2清零指令，開始下一次計(jì)數(shù)，再下次觸發(fā)中斷后，重復(fù)第二次進(jìn)入外部中斷的操作。由于在GPS秒脈沖丟失后，秒脈沖由同步裝置自身產(chǎn)生，所以Is內(nèi)計(jì)數(shù)模塊I和2的值是相等的，所以不再對恒溫晶振進(jìn)行校正工作，待GPS秒脈沖信號恢復(fù)后，再對晶振頻率進(jìn)行校正工作。GPS信號正常時計(jì)數(shù)模塊2工作，當(dāng)GPS秒脈沖信號丟失后計(jì)數(shù)模塊2停止工作。
[0056]綜上所述，本實(shí)用新型提供的用于大功率電磁發(fā)射機(jī)的GPS時間同步裝置，能夠生成連續(xù)的高精度秒脈沖來維持精確可靠的同步，實(shí)現(xiàn)了高精度時間信號輸出。即便是在GPS信號出現(xiàn)異常時，同步裝置自身也能產(chǎn)生連續(xù)的PPS保證GPS時間的同步。在強(qiáng)電磁干擾下無論GPS信號是否正常，都能保持相當(dāng)高的精度和可靠性，綜上本文所設(shè)計(jì)的GPS時間同步裝置適用于電磁勘探中，而且可以廣泛應(yīng)用于電力、通訊、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等需要高精度實(shí)時同步的場合，因此具有很大的應(yīng)用前景。
[0057]以上實(shí)施方式僅用于說明本實(shí)用新型，而并非對本實(shí)用新型的限制，有關(guān)【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本實(shí)用新型的范疇，本實(shí)用新型的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
【權(quán)利要求】
1.一種用于大功率電磁發(fā)射機(jī)的GPS時間同步裝置，其特征在于，包括:GPS接收模塊、主控單元； 所述GPS接收模塊分別與主控單元通信連接； 所述GPS接收模塊捕捉GPS衛(wèi)星信號，并將GPS衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)換處理，所述GPS接收模塊將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出至所述主控單元，所述主控單元解碼后得到標(biāo)準(zhǔn)的時間信號傳輸至上位機(jī)顯示 還包括計(jì)數(shù)單元，所述計(jì)數(shù)模塊與所述主控單元通信連接； 所述計(jì)數(shù)單元向所述主控單元提供連續(xù)的頻率信號，所述主控單元對頻率信號處理后與GPS模塊轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)同步后得到標(biāo)準(zhǔn)的時間信號傳輸至所述上位機(jī)顯示。
2.如權(quán)利要求1所述的GPS時間同步裝置，其特征在于，所述主控單元包括:主控單元包括控制單元和處理單元； 所述控制單元和所述處理單元通過總線通信連接； 所述GPS接收模塊將轉(zhuǎn)換后的GPS數(shù)據(jù)輸出至所述處理單元，所述處理單元解調(diào)、處理GPS數(shù)據(jù)后輸出標(biāo)準(zhǔn)的時間信號至所述上位機(jī)顯示； 所述主控單元對所述計(jì)數(shù)單元輸出的頻率倍頻后進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)信號傳輸至所述處理單元，所述處理模塊將并將計(jì)數(shù)信號轉(zhuǎn)換成秒脈沖信號，對秒脈沖信號與GPS模塊轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)同步后得到標(biāo)準(zhǔn)的時間信號傳輸至所述上位機(jī)顯示。
3.如權(quán)利要求2所述的GPS時間同步裝置，其特征在于，所述控制單元是FPGA和處理單元DSP。
4.如權(quán)利要求2所述的GPS時間同步裝置，其特征在于，所述處理單元包括:第一URAT模塊、GPS解碼模塊、時間同步模塊、第二 URAT模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、外部中斷模塊； 所述第一 URAT模塊、所述GPS解碼模塊、所述時間同步模塊、所述第二 URAT模塊依序通信連接，所述數(shù)據(jù)處理模塊、所述中斷模塊、所述時間同步模塊依序通信連接； 第一 URAT模塊接收到所述GPS接收模塊發(fā)送的GPS數(shù)據(jù)后，轉(zhuǎn)發(fā)至所述GPS解碼模塊，所述GPS解碼模塊將GPS數(shù)據(jù)解碼成時間、狀態(tài)信息發(fā)送至所述時間同步模塊，所述時間同步模塊將時間信息、狀態(tài)信息處理成標(biāo)準(zhǔn)時間通過所述第二 URAT模塊發(fā)送至上位機(jī)； 所述數(shù)據(jù)處理模塊接收控制模塊或GPRS接收模塊傳輸?shù)挠?jì)數(shù)信息并轉(zhuǎn)化成秒脈沖信號，并將秒脈沖信號傳輸至所述外部中斷模塊，所述外部中斷模塊將秒脈沖信號轉(zhuǎn)換成時間信號傳輸至所述時間同步模塊，所述時間同步模塊將時間信號和GPRS接收模塊傳輸?shù)臅r間信號處理成標(biāo)準(zhǔn)時間通過所述第二 URAT模塊發(fā)送至上位機(jī)。
5.如權(quán)利要求2所述的GPS時間同步裝置，其特征在于，所述控制單元包括:倍頻模塊、第一計(jì)數(shù)模塊、數(shù)據(jù)緩存區(qū)； 所述倍頻模塊、所述第一計(jì)數(shù)模塊、所述數(shù)據(jù)緩存區(qū)依序通信連接； 所述倍頻模塊將計(jì)數(shù)單元傳輸?shù)念l率倍頻處理后送到所述第一計(jì)數(shù)模塊里進(jìn)行計(jì)數(shù)，所述第一計(jì)數(shù)模塊中的計(jì)數(shù)值達(dá)到設(shè)定值后，再將計(jì)數(shù)值送到所述數(shù)據(jù)緩存區(qū)。
6.如權(quán)利要求5所述的GPS時間同步裝置，其特征在于，還包括恒溫晶振反饋控制電路； 所述恒溫晶振反饋控制電路包括:第二計(jì)數(shù)模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、運(yùn)算放大電路； 所述倍頻模塊、所述第二計(jì)數(shù)模塊、所述數(shù)據(jù)處理模塊、所述數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、所述運(yùn)算放大電路、所述恒溫晶振依序通信連接； 所述倍頻模塊將恒溫晶振頻率倍頻處理后發(fā)送至所述第二計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)，所述數(shù)據(jù)處理模塊讀取所述第二計(jì)數(shù)模塊的計(jì)數(shù)值計(jì)算出晶振單位時間的誤差測量值和反饋電壓，將運(yùn)算出的反饋電壓值發(fā)送至所述數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為模擬信號并通過運(yùn)算放大電路放大處理后反饋至所述恒溫晶振的反饋電壓接口。
7.如權(quán)利要求2所述的GPS時間同步裝置，其特征在于，還包括:處理秒脈沖的邏輯電路； 所述邏輯電路包括:二輸入與門、二輸入或門； 所述二輸入與門的第一輸入端與所述GPS接收模塊連接、所述二輸入與門的第二輸入端與所述處理單元的第二 GP1接口連接，所述二輸入與門的輸出端與所述二輸入或門的第一輸入端連接，所述二輸入與門的第二輸入與所述處理單元的第一 GP1接口連接，二輸入或門的輸出端與所述處理單元的INT接口連接。
【文檔編號】H04J3/06GK204068992SQ201420385562
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月11日
【發(fā)明者】張一鳴, 韓磊, 朱學(xué)政, 丁建智, 田甲申, 王旭紅 申請人:北京工業(yè)大學(xué)