袁博華,古　瓏， 李尚柏，鐘　睿

(1.國網(wǎng)山西省電力公司 大同供電公司，山西 大同　037000; 2.四川大學(xué) 原子核科學(xué)技術(shù)研究所 輻射物理及技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都　610064)

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基于主站GPS無線廣播重發(fā)精確同步校時(shí)方案的實(shí)現(xiàn)

袁博華1,古瓏1， 李尚柏2，鐘睿2

(1.國網(wǎng)山西省電力公司 大同供電公司，山西 大同037000; 2.四川大學(xué) 原子核科學(xué)技術(shù)研究所 輻射物理及技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610064)

摘要：無線分布式測量系統(tǒng)中，測量時(shí)鐘的同步與校時(shí)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)技術(shù)問題；提出一種基于主站GPS的無線精確校時(shí)方案，即在主站配置GPS同步時(shí)鐘源，再通過無線幀信號廣播重發(fā)偵聽方式，對子站時(shí)鐘進(jìn)行高精度同步校時(shí)；文章重點(diǎn)討論了利用nRF905無線模塊實(shí)現(xiàn)廣播重發(fā)偵聽校時(shí)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、校時(shí)原理、校時(shí)精度、較傳統(tǒng)無線校時(shí)方案的優(yōu)勢以及其它影響校時(shí)精度的因素等內(nèi)容；本校時(shí)方案應(yīng)用于在線絕緣帶電檢測系統(tǒng)使中，既降低了硬件成本，又取得了高精度的校時(shí)效果，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：主站GPS;廣播重發(fā);無線校時(shí);精確同步

0引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模也不斷擴(kuò)大。為了保障電力系統(tǒng)設(shè)備的安全運(yùn)行，各類監(jiān)測終端獲得了廣泛的應(yīng)用。監(jiān)測數(shù)據(jù)為及早發(fā)現(xiàn)隱患、排除故障以及調(diào)度工作等都起著非常重要的作用[1]。

目前，智能電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)一般采用多終端進(jìn)行監(jiān)測，各類監(jiān)測終端數(shù)量眾多且地域分布廣泛， 由于傳統(tǒng)有線連接方式存在布線復(fù)雜等問題，因此慢慢已不能適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的要求。目前，此類大規(guī)模分布測量系統(tǒng)多采用無線組網(wǎng)的方案[2]。如圖1所示。

圖1無線分布測量結(jié)構(gòu)

圖1中，檢測裝置負(fù)責(zé)對各個(gè)被檢設(shè)備的多路信號進(jìn)行采樣檢測、分析，然后通過無線信道，將數(shù)據(jù)結(jié)果匯總到管理系統(tǒng)。此類系統(tǒng)中，各檢測裝置記錄的數(shù)據(jù)需要打上高精度的時(shí)間標(biāo)記。這樣，在匯總的時(shí)候，來自不同檢測裝置的數(shù)據(jù)才能在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間軸上對齊，從而使得管理人員能夠了解整個(gè)系統(tǒng)在各個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)。但是，由于無線分布系統(tǒng)中，不同測量裝置都有自己不同的晶振時(shí)鐘，這就造成檢測裝置時(shí)間節(jié)奏的不同步。因此，解決無線組網(wǎng)條件下各個(gè)檢測裝置時(shí)間同步問題是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)所在[3]。

解決這一問題最常見的方案是在各個(gè)檢測裝置安裝GPS接收模塊，通過GPS秒脈沖前沿對齊的方法來校準(zhǔn)各自的工作時(shí)間，以此實(shí)現(xiàn)不同檢測裝置的時(shí)間同步。由于這種方案需要在每個(gè)檢測裝置上安裝GPS模塊，增加了硬件開銷，這在大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用中是必須要考慮的成本。

為了節(jié)約硬件成本，考慮到此類系統(tǒng)已經(jīng)存在供數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通道，在此基礎(chǔ)上，如何利用無線通道實(shí)現(xiàn)校時(shí)，以降低硬件開銷，成為人們研究的熱點(diǎn)。本文提出一種利用nRF905無線模塊，實(shí)現(xiàn)主站GPS通過無線網(wǎng)絡(luò)的精確校時(shí)方案。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)校時(shí)原理

主站GPS無線校時(shí)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一個(gè)主站和多個(gè)子站構(gòu)成。例如，圖1所示的多個(gè)檢測裝置中，可由其中的1個(gè)充當(dāng)主站角色，其它的作為子站。主站和子站的硬件結(jié)構(gòu)基本上是相同的，只是主站配置有GPS或具有標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間接口，而子站無需配置GPS模塊，因此節(jié)約硬件成本，如圖2所示。

圖2　主站和子站硬件構(gòu)成

其中，采用FPGA實(shí)現(xiàn)nRF905硬件信號的捕獲和邏輯控制。為了簡化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，在FPGA中搭建一個(gè)SPI總線接口和NIOS CPU。SPI接口與無線通信模塊nRF905相連，并通過NIOS CPU實(shí)現(xiàn)對nRF905的讀寫操作。

傳統(tǒng)的無線校時(shí)的基本步驟是，當(dāng)主站收到GPS秒脈沖時(shí)，將絕對時(shí)間通過數(shù)據(jù)包廣播給各個(gè)子站，子站收到時(shí)間數(shù)據(jù)包后，解析并校正自己的時(shí)間。完成這一基本過程，耗時(shí)一般在1 s內(nèi)，因此，這類基本校時(shí)方案能夠達(dá)到校時(shí)精度為秒級，適合校時(shí)精度要求不高的應(yīng)用場合[4]。

為了達(dá)到更高的校時(shí)精度，目前采用的部分校時(shí)方案中，對校時(shí)過程中的一些時(shí)間消耗進(jìn)行了修正。以本文采用的nRF905模塊校時(shí)原理為例，如圖3所示。

圖3　nRF905校時(shí)基本原理

圖3中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包中包含的是GPS絕對時(shí)間。當(dāng)主站接收到GPS秒脈沖信號或其它標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(如IRIGB碼)時(shí)，主站通過向子站發(fā)送時(shí)間數(shù)據(jù)包的方式廣播絕對時(shí)間，其中接收到GPS秒脈沖到使能發(fā)送TRX_CE的時(shí)間間隔為T1。隨之，子站就會偵測到載波信號CD和接收就緒信號DR，兩者之間耗時(shí)為T3。此時(shí)子站讀取校時(shí)包的絕對時(shí)間(耗時(shí)為T4)，并校正本地時(shí)鐘，達(dá)到同步時(shí)鐘的目標(biāo)。

如果從主站發(fā)送使能(TRX_CE有效)到實(shí)際發(fā)送之間沒有延遲，那么子站偵測到載波信號的時(shí)刻就是主站實(shí)際發(fā)送的時(shí)刻，因而子站得到絕對時(shí)間的時(shí)刻相對于GPS秒脈沖信號的延遲就是T1+T3+T4。

然而，實(shí)際工作中，主站只能控制發(fā)送使能，真實(shí)的發(fā)送時(shí)刻是由nRF905決定的。當(dāng)nRF905初始化后，nRF905用發(fā)送使能信號TRX_CE控制發(fā)送。當(dāng)TRX_CE置高時(shí)，發(fā)送過程開始，需要執(zhí)行以下步驟：

1)無線發(fā)射自動上電。

2)產(chǎn)生引導(dǎo)碼、計(jì)算CRC校驗(yàn)碼，產(chǎn)生發(fā)送數(shù)據(jù)包。

3)發(fā)送使能信號TRX_CE置低，發(fā)送數(shù)據(jù)包。

4)當(dāng)發(fā)送完成后，設(shè)置DR信號為高電平。

5)當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成后，進(jìn)入接收模式或休眠模式。

TRX_CE控制信號的最小脈沖寬度為10 μs，為了建立穩(wěn)定可靠的傳輸，從TRX_CE有效到實(shí)際發(fā)送還需要約650 μs的延遲時(shí)間。因而主站的實(shí)際發(fā)送時(shí)刻是無法精確預(yù)知的，因此，根據(jù)圖1所示的原理只能達(dá)到毫秒級的校時(shí)精度，而不能達(dá)到微秒級的高精度校時(shí)。這也是目前普通無線校時(shí)方案還沒有解決的問題。

2高精度校時(shí)優(yōu)化方案及實(shí)現(xiàn)

本文根據(jù)nRF905的自動重傳特性提出了一種改進(jìn)型的校時(shí)方法，精度可達(dá)微秒級。其校時(shí)過程如圖4所示[5]。

圖4　nRF905自動重發(fā)機(jī)制校時(shí)原理

nRF905的自動重傳模式由配置寄存器的AUTO_RETRAN位確定，可用TRX_CE控制自動重發(fā)次數(shù)。當(dāng)AUTO_RETRAN被設(shè)置為1，且保持RTX_CE和TX_EN為高時(shí)，則可使相同的數(shù)據(jù)包發(fā)送若干次，一旦TRX_CE被置為低電平，則發(fā)送完當(dāng)前的數(shù)據(jù)包后，進(jìn)入休眠模式。

在自動重傳模式下，對于每個(gè)傳輸包，發(fā)送就緒信號DR在引導(dǎo)碼發(fā)送開始時(shí)被置高，引導(dǎo)碼發(fā)送結(jié)束時(shí)被置低。因而在每個(gè)傳輸數(shù)據(jù)包的開始時(shí)刻出現(xiàn)DR信號的脈沖，脈沖的寬度代表了引導(dǎo)碼的發(fā)送時(shí)間。

如圖4所示，將主站的發(fā)送模式設(shè)置為自動重傳模式，主站在GPS秒脈沖的前沿開始發(fā)送，每個(gè)校時(shí)包發(fā)送兩次。在主站開始發(fā)送時(shí)，啟動一個(gè)高精度計(jì)時(shí)器。由于發(fā)送被設(shè)為自動重傳模式，第一個(gè)校時(shí)包的引導(dǎo)碼發(fā)送時(shí)，主站的發(fā)送就緒信號DR信號變高。用DR信號的上升沿停止計(jì)時(shí)器，該計(jì)時(shí)器的值t1就是從GPS秒脈沖到校時(shí)包實(shí)際開始發(fā)送的時(shí)間。

對于子站，在檢測到第一個(gè)校時(shí)包的載波信號CD時(shí)，用CD啟動一個(gè)高精度計(jì)時(shí)器，用接收就緒信號DR停止計(jì)時(shí)器。該計(jì)時(shí)器的值就是子站校時(shí)包的接收時(shí)間t3。再啟動一個(gè)計(jì)時(shí)器，測量子站讀取校時(shí)包、解析數(shù)據(jù)以及完成本地時(shí)鐘校正所用的時(shí)間t4。

從上面的分析可以看出，由于在重傳模式下，數(shù)據(jù)包的發(fā)送開始時(shí)刻由DR信號的上升沿精確定位，從而解決了正常發(fā)送模式下不能精確確定發(fā)送開始時(shí)刻的難題，子站得到絕對時(shí)間的時(shí)刻相對于GPS秒信號的延遲就是t1+t3+t4。

子站在接收校時(shí)包后，用校時(shí)包的絕對時(shí)間(年、月、日、時(shí)、分、秒)校正本地時(shí)鐘，并記錄本地時(shí)鐘相對于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻的延遲偏差，從而達(dá)到精確的時(shí)間同步。

此外，為了實(shí)現(xiàn)高精度的校時(shí)，還需要考慮其它一些影響校時(shí)精度的因素，包含：

1)本地晶振帶來的誤差

值得注意的是，t1是由主站的計(jì)時(shí)器測量的值，而t3和t4是由子站的計(jì)時(shí)器測量的值，也就是說主站和子站測量的計(jì)時(shí)基準(zhǔn)是不一致的。由于二者的本地時(shí)鐘的誤差，相同的測量脈沖數(shù)所代表的時(shí)間是不同的。對于工業(yè)上常用的晶體振蕩器，每秒之間的時(shí)鐘誤差可能達(dá)到幾十個(gè)微秒。因此必須對它們進(jìn)行修正。

如圖5所示，對于主站，可以通過測量相鄰兩個(gè)GPS秒脈沖之間的計(jì)時(shí)脈沖數(shù)，從而精確計(jì)算出計(jì)時(shí)脈沖的時(shí)間間隔。如圖4所示，假定在兩個(gè)GPS秒之間，主站測量的計(jì)時(shí)脈沖計(jì)數(shù)為N0，脈沖寬度為t0，則主站的計(jì)時(shí)脈沖的時(shí)間間隔為

N0×t0=1，t0=1/N0

由于主站每秒都會出現(xiàn)GPS秒脈沖，可以不斷的測量這個(gè)值，并甄別測量值的合法性，再通過統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算計(jì)時(shí)脈沖的時(shí)間間隔t0，從而提高計(jì)時(shí)器的精度和它的穩(wěn)定性。

圖5　晶振因素矯正

在標(biāo)定了計(jì)時(shí)器的精度后，主站可以通過DR信號精確測量相鄰兩個(gè)重發(fā)數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間t2(見圖2)。而這個(gè)時(shí)間正是子站偵測到兩個(gè)相鄰CD信號的時(shí)間t5。假定第n個(gè)子站用本地時(shí)鐘測量到兩個(gè)相鄰CD信號之間的計(jì)時(shí)脈沖數(shù)為Nn，計(jì)時(shí)脈沖寬度為tn，則

Nn×tn=t2，tn=t2/Nn

t5=Nn×tn

利用上述討論的方法，用GPS秒脈沖對主站計(jì)時(shí)間隔進(jìn)行標(biāo)定，用相鄰重發(fā)校時(shí)包所對應(yīng)的CD信號對子站的計(jì)時(shí)器間隔進(jìn)行標(biāo)定，從而消除了本地時(shí)鐘帶來的誤差，進(jìn)而提高了時(shí)間同步的精度。

2)傳輸距離帶來的誤差

電磁波的傳輸速率是30萬公里/秒，這意味著每300 m就有1 μs的傳輸延遲。如果主站和子站之間的安裝距離在300 m之內(nèi)，則傳輸延遲小于1 μs，如果主站和子站的安裝距離超過300 m，則傳輸延遲大于1 μs。

在許多應(yīng)用場合，主站與子站分布在300 m之內(nèi)，在考慮微秒級時(shí)間同步精度的情況下，可以忽略安裝距離所帶來傳輸延遲。但當(dāng)主站和子站的安裝距離超過300 m時(shí)，必須進(jìn)行傳輸延遲的修正。關(guān)于傳輸延遲修正的方法已有很多文獻(xiàn)給出，由于篇幅所限，本文只考慮安裝距離小于300 m的情況。

3結(jié)論

無線校時(shí)方案，充分利用了無線通信信道，既完成了數(shù)據(jù)傳遞，又完成了同步時(shí)鐘校準(zhǔn)。因此是一種成本低廉的實(shí)用性方案。針對傳統(tǒng)無線校時(shí)方案中校時(shí)精度不夠高的問題，本文提出采用nRF905無線模塊的重發(fā)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了微妙級的時(shí)鐘同步方案。本方案應(yīng)用在無線絕緣帶電檢測系統(tǒng)中，取得了良好的效果。

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Scheme of Synchronization Timing Based on Master Station GPS Wireless Broadcast Retransmission

Yun Bohua1, Gu Long1, Li Shangbai2, Zhong Rui2

(1.State Grid Shanxi Datong Electric Power Company, Datong037000，China; 2.Institute of Nuclear Science and Technology,Sichuan University, Ministerial Key Laboratory of Radiation Physics and Technology, Chengdu610064, China)

Abstract:In wireless distributed measurement system, the key and difficult technical problem is the synchronization of measurement time. In this paper, a new method based on the GPS of the master station is presented, in which the master station had configured a GPS synchronization clock source, and then use the wireless broadcast retransmission frame signal interception mode to synchronize the sub-station time with high precision. In this paper, we discussed how to use nRF905 wireless module to realize broadcasting retransmission sense, include system structure, principle, accuracy, the comparison with the traditional wireless correcting scheme and other accuracy factors need pay attention. The scheme applied to the on-line insulation detection system, which can reduce the hardware cost and achieve high accuracy.

Keywords:master GPS; broadcast retransmission; correction time; precise synchronization

文章編號：1671-4598(2016)02-0192-03

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.053

中圖分類號：TM76

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：袁博華(1987-)，男，廣西桂嶺人，中級工程師，主要從事電力系統(tǒng)及其自動化方向的研究。

收稿日期：2015-08-13；修回日期：2015-09-17。