帶GPS授時的TMS320F2812數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

如今，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)很多，有基于數(shù)字信號處理器DSP設(shè)計的，也有基于現(xiàn)場可編程門陣列FPGA設(shè)計的，這些采集系統(tǒng)盡管采集處理數(shù)據(jù)能力不差，但大多都采用傳統(tǒng)授時模式。

而異地同步測量是工程中經(jīng)常用到的方法，如果用傳統(tǒng)的授時模式，其時鐘頻率的產(chǎn)生是用晶體，而晶體會老化，易受外界環(huán)境變化及長期的精度漂移影響，造成授時精度下降，這樣異地同步測量的數(shù)據(jù)其實在理論上已經(jīng)不再同步、同時了。本系統(tǒng)采用GPS新型授時方法，結(jié)合DSP技術(shù)和USB通信技術(shù)設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能較好地解決這個問題。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體硬件構(gòu)成與工作原理

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模擬量輸人、同步采樣控制、A／D轉(zhuǎn)換以及微處理器和接口組成，如圖1所示。

模擬量輸入部分設(shè)有多個通道(如16路)，可用來對若干路電壓和若干路電流同時測量。來自PT或CT副邊的電壓或電流，經(jīng)隔離變換、模擬低通濾波后，被建立在GPS時間基準(zhǔn)上的同步采樣系統(tǒng)所采樣，經(jīng)依次A／D轉(zhuǎn)換后按順序放入固定RAM區(qū)。DSP根據(jù)遞歸DFT算法，每來一個新的采樣點(diǎn)計算一次所有被測量的各相基波分量，然后利用GPS接收器串口提供的時間信息和數(shù)據(jù)窗第一個采樣點(diǎn)的順序編號，給計算結(jié)果置以便于識別的“時間標(biāo)簽”。計算得出的各相量連同其時間標(biāo)簽按照一定的數(shù)據(jù)格式，經(jīng)過DSP總線和USB2.0數(shù)據(jù)線送往PC上位機(jī)進(jìn)行處理和分析。

2 基于GPS授時的同步采樣控制單元

同步采樣是實現(xiàn)異地同步測量的關(guān)鍵技術(shù)，只有各測量點(diǎn)的采樣是同步進(jìn)行的，同一時刻計算出的相量具有統(tǒng)一的參考時問基準(zhǔn)，其相位關(guān)系才可直接進(jìn)行比較。本文討論了無線電廣播、LORANC、OMEGS、GOES、GLO-NASS、GPS這六種不同的授時方法。這些授時方法的誤差比較如表1所列。

通過比較不難看出，傳統(tǒng)的時鐘同步方法由于受技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等因素的影響，在精度和實用性上很難滿足異地同步測量的要求；只有GPS精密授時方法的優(yōu)越性能滿足要求。為此，本文所介紹的是一種基于GPS時間信號的最新時鐘同步方法。

2.1 GPS系統(tǒng)簡介

GPS(Global Positioing System，全球定位系統(tǒng))是美國研制的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分和用戶設(shè)備組成�？臻g部分主要由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成。在地球的任意處(有360°的視野)至少可以看到3顆衛(wèi)星(根據(jù)筆者實際用的情況看)。地面控制部分包括監(jiān)測站、主控站和注入站。用戶設(shè)備就是GPS接收機(jī)，本系統(tǒng)所選擇的接收機(jī)是GPS-OEM板(型號是GPS15L，在2.3小節(jié)會詳細(xì)討論)，它根據(jù)自己時鐘和接收到的導(dǎo)航電文計算出接收機(jī)(天線)所在的位置和GPS時間。

2.2 GPS授時原理

目前的定時型GPS接收機(jī)，在其內(nèi)部時鐘與GPS時間同步后，將給出與UCT時間同步的1 pps(秒脈沖)信號及其對應(yīng)的時間代碼，如圖2所示。

2.3 同步采樣控制單元硬件

在設(shè)計該模塊時，選擇Garmin 公司研制開發(fā)的GPS15L OEM板和單片機(jī)AT89C51分別作為GPS接收機(jī)和控制器。該模塊體現(xiàn)了整個系統(tǒng)要用到的GPS授時技術(shù)，工作原理如下：系統(tǒng)上電復(fù)位后，單片機(jī)通過串口TXD實現(xiàn)對GPS15L板初始化，設(shè)置GPS接收機(jī)傳送的數(shù)據(jù)格式。初始化完畢后，GPS15L板會給出相應(yīng)信息，單片機(jī)識別到這些信息后，開始接收GPS15L板傳送來的時間數(shù)據(jù)，并對它進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)換成北京時間輸出。如圖3所示，單片機(jī)AT89C51的串行口RXD、TXD分別和 GPS15L板的TXD1、RXD1連接起通信作用。由于TXD既要在上電時給GPS15L板發(fā)出初始化命令，又要在初始化完畢后傳送北京時間，因此為了不使兩階段的工作相互影響，用P1.0口線和若干邏輯門來控制通信的先后順序。GPS15L板初始化后，還會輸出秒脈沖信號。1pps信號有一路作為單片機(jī)的外部中斷源，以實現(xiàn)時間信息的同步處理，另外也用來監(jiān)測信號是否正常。還有一路信號可由單片機(jī)P1.1口進(jìn)行控制，根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果決定是否需要將其傳送給下一級控制器。

另外，本電路選用的高穩(wěn)晶振是OCXO型號的穩(wěn)補(bǔ)晶體振蕩器，其工作頻率為1 MHz，頻差不大于10-7。它輸出的振蕩信號經(jīng)過整形、電平轉(zhuǎn)換變?yōu)檫m合TTL電路的電平，經(jīng)計數(shù)器分頻后得到滿足采樣率要求的時鐘信號(采樣率可調(diào))。該時鐘信號每隔1 s被1 pps信號的上升沿同步1次，使之運(yùn)行在GPS時間基準(zhǔn)上。由于1 MHz晶振的穩(wěn)定度很高，1 s內(nèi)漂移不超過1μs，因此得到的同步采樣脈沖精度很高。

3 ADC與DSP的接口部分

DSP芯片采用美國德州儀器(Texas Instruments)公司研制的數(shù)字信號處理器TMS320F2812。它是一個32位定點(diǎn)運(yùn)算、集成度高、性價比高的DSP芯片。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用ADS8361作為片外ADC模塊，雖然TMS320F2812有16通道的12位ADC，但是為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換精度，增加了片外外設(shè)ADS8361。ADS8361是2+2通道，16位的A／D轉(zhuǎn)換器；它同ADS7861(12位)完全兼容，可以與F2812數(shù)字信號處理器直接接口使用。它是由四通道差分輸入分成兩組分別連接到獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器上的，可以完成雙信號的同時采集，最高轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到500 kHz。它工作在50 kHz頻率時具有極強(qiáng)的抗干擾能力，特別適合數(shù)據(jù)采集的高采樣率要求的場合。此外，ADS8361還提供高速雙串行接口，可以有效地減少軟件開銷，并且功耗非常低，只有150 mW。

來源：中國IT實驗室