孫雪淋 秦明偉 胡貴林

(1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽 621010；2.重慶九洲星熠導(dǎo)航設(shè)備有限公司，四川綿陽 621000)

1 引 言

當(dāng)今世界，科技快速發(fā)展，高精度授時(shí)及時(shí)間同步顯得非常重要，尤其在電力、通信以及軍事領(lǐng)域等等。北斗作為中國(guó)獨(dú)立研發(fā)的衛(wèi)星系統(tǒng)，為電力全網(wǎng)時(shí)間同步提供了安全保障。近年來，基于北斗的授時(shí)研究也隨著北斗衛(wèi)星系統(tǒng)不斷完善而取得了進(jìn)一步突破。王東霞等人對(duì)北斗RDSS授時(shí)服務(wù)性能做出了理性評(píng)估；沈飛等人設(shè)計(jì)了基于MSP430單片機(jī)的授時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；劉婭等人分析了一種基于單頻的授時(shí)方法等均達(dá)不到我國(guó)電力組網(wǎng)等領(lǐng)域的授時(shí)精度。而當(dāng)前我國(guó)電力組網(wǎng)、信息通信組網(wǎng)的建設(shè)完全依賴于高精度的時(shí)間同步系統(tǒng)，現(xiàn)有的授時(shí)系統(tǒng)往往做不到精度與成本兼顧。針對(duì)此問題，設(shè)計(jì)了一種低功耗、低成本并能兼顧高精度的時(shí)間同步系統(tǒng)。以北斗時(shí)作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間尺度，保障授時(shí)時(shí)間的準(zhǔn)確性，結(jié)合STM32芯片以及TDC測(cè)量技術(shù)，并利用PID控制器對(duì)系統(tǒng)偏差調(diào)整完善，從而構(gòu)建出高精度授時(shí)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用ARM的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)1PPS與1PPS的相位差，結(jié)合TDC對(duì)秒脈沖相位的高精度測(cè)量，采用PID算法調(diào)整本地OCXO時(shí)鐘頻率，使OCXO的輸出穩(wěn)定頻率，最終達(dá)到高精度授時(shí)目的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

授時(shí)系統(tǒng)主要包括4個(gè)模塊，分別是1PPS的生成模塊、參考捕獲時(shí)間同步模塊、鑒相模塊以及PID控制模塊。導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)接收北斗衛(wèi)星信號(hào)，輸出標(biāo)準(zhǔn)參考1PPS并輸入到鑒相器模塊；恒溫晶振經(jīng)ARM分頻得到本地時(shí)鐘，經(jīng)秒脈沖生成模塊輸出1PPS輸入到鑒相器模塊；鑒相模塊輸出的相位誤差值影響到PID控制器模塊，從而調(diào)整恒溫晶振的壓控值，進(jìn)而達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖Fig.1 Block diagram of the overall system scheme

3 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選用性能相對(duì)穩(wěn)定的恒溫晶振OCXO為STM32芯片提供10MHz的頻率，ARM芯片內(nèi)部集成了鎖相環(huán)PLL，通過軟件設(shè)置PLL將10MHz倍頻到150MHz，為整個(gè)系統(tǒng)提供工作時(shí)鐘，定時(shí)器TIM1和TIM2在系統(tǒng)時(shí)鐘下生成1PPS，同時(shí)生成與1PPS具有固定相位差的1PPS_TDC信號(hào)，如圖2所示。

在芯片內(nèi)部1PPS與標(biāo)準(zhǔn)1PPS進(jìn)行相位比較，得到鑒相值輸入到PID控制器調(diào)整恒溫晶振OCXO相應(yīng)的壓控值進(jìn)而得到相對(duì)穩(wěn)定準(zhǔn)確的OCXO輸出頻率，當(dāng)OCXO的輸出頻率調(diào)整到一定范圍，即1PPS與標(biāo)準(zhǔn)1PPS相位差小于某閾值時(shí)，采用TDC對(duì)標(biāo)準(zhǔn)1PPS和1PPS_TDC進(jìn)行相位差測(cè)量，并將測(cè)量值反饋到PID控制器。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Block diagram of hardware structure design

4 授時(shí)軟件設(shè)計(jì)

4.1 1PPS生成

1PPS即1秒1個(gè)秒沖信號(hào)，1PPS的生成目前主要有FPGA/CPLD分頻生成方式和MCU定時(shí)器生成方式兩種，本系統(tǒng)采用STM32的定時(shí)器輸出捕獲功能完成1PPS的生成。1PPS生成過程如圖3所示。

圖3 1PPS生成過程圖Fig.3 Synchronous 1PPS generation

16位定時(shí)器時(shí)基時(shí)鐘頻率為150MHz，分辨率約為6.67ns，最多能計(jì)時(shí)為437μs，無法計(jì)時(shí)到1s，雖然通過提高時(shí)基時(shí)鐘頻率的方法可以增大計(jì)時(shí)范圍，但是這樣會(huì)帶來分辨率的降低，直接影響授時(shí)系統(tǒng)跟蹤標(biāo)準(zhǔn)1PPS的精度，故本系統(tǒng)采用二級(jí)定時(shí)器的方式生成1PPS，這樣既可以保證計(jì)時(shí)范圍，又能兼顧高精度。如圖3所示，采用的TIM1設(shè)為粗分辨率時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率為150MHz，分頻系數(shù)為60 000，周期為2 500，則其每次加1表示時(shí)間增加400μs，周期時(shí)間即為1s，TIM2為細(xì)分辨率時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率也為150MHz，分頻系數(shù)為1，周期為60 000，則TIM1每次加1表示時(shí)間增加1/150μs，周期時(shí)間為400μs。在某時(shí)刻捕獲輸出1PPS信號(hào)，由于STM32為順序運(yùn)行芯片，為準(zhǔn)確在某時(shí)刻輸出時(shí)沿，需使用輸出捕獲功能，若這里將TIM1的計(jì)數(shù)值看作小數(shù)，TIM2的計(jì)數(shù)值看作整數(shù)，則在某時(shí)刻0.0捕獲輸出高電平，在249.0時(shí)刻輸出低電平，即可捕獲輸出1PPS信號(hào)，脈沖寬度為100ms。

4.2 基于TDC的1PPS生成(1PPS_TDC)

時(shí)間數(shù)字TDC測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于激光測(cè)量、航空航天時(shí)間測(cè)量、雷達(dá)測(cè)距以及衛(wèi)星導(dǎo)航等各大領(lǐng)域。其測(cè)量范圍在校準(zhǔn)工作模式下被測(cè)時(shí)差不超過2×

T

，鑒相分辨率為ps級(jí)。且TDC只能測(cè)量?jī)蓚€(gè)具有相位差的信號(hào)的時(shí)間間隔近。近幾年運(yùn)用最多的TDC測(cè)量技術(shù)包括基于時(shí)鐘脈沖的直接計(jì)數(shù)法的時(shí)間測(cè)量、基于抽頭延遲線法的時(shí)間測(cè)量以及基于游標(biāo)法的時(shí)間測(cè)量等。其中直接計(jì)數(shù)法是利用系統(tǒng)時(shí)鐘對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到一定值時(shí)計(jì)算出時(shí)間值，從而達(dá)到時(shí)間測(cè)量目的，測(cè)量精度往往時(shí)鐘頻率有關(guān)，測(cè)量精度很難達(dá)到ps級(jí)，因此無法應(yīng)用在有精密測(cè)量要求的場(chǎng)合中；抽頭延時(shí)線法是由

N

個(gè)具有相同傳輸延時(shí)時(shí)間

t

觸發(fā)器線性連接組成，被測(cè)量的start信號(hào)在觸發(fā)器間傳輸，抽頭信號(hào)stop信號(hào)鎖定start信號(hào)時(shí)表示采樣結(jié)束，然后根據(jù)采樣結(jié)果可以知道start信號(hào)傳輸多少個(gè)觸發(fā)器，即測(cè)量時(shí)間間隔為

T

=

nt

，測(cè)量精度取決于觸發(fā)器的傳輸延遲時(shí)間，一般測(cè)量精度能達(dá)到(101～102)ps量級(jí)，基本適用大多數(shù)的測(cè)量要求；游標(biāo)法同機(jī)械游標(biāo)卡尺的測(cè)量方式相似，其原理是針對(duì)固定相位差的時(shí)鐘信號(hào)

T

和

T

，

T

信號(hào)和

T

信號(hào)同時(shí)在start信號(hào)和stop信號(hào)間傳遞，當(dāng)信號(hào)重合時(shí)采樣結(jié)束，分別記錄

T

信號(hào)和

T

信號(hào)的計(jì)數(shù)值

n

和

n

，則有

T

=

n

T

+

n

T

。

基于上述分析，本設(shè)計(jì)選用基于抽頭延遲線法的TDC時(shí)間測(cè)量技術(shù)，，提供給TDC的參考時(shí)鐘為5MHz，則被測(cè)時(shí)差不能超過400ns。而1PPS和標(biāo)準(zhǔn)1PPS的相位不是固定某個(gè)超前于某個(gè)，在對(duì)齊時(shí)沿和穩(wěn)定狀態(tài)下兩個(gè)1PPS信號(hào)都會(huì)交替超前，顯然不能直接將1PPS作為Start或Stop信號(hào)，必須另外生成1PPS_TDC信號(hào)作為TDC輸入Start信號(hào)，而1PPS_TDC必須超前標(biāo)準(zhǔn)1PPS，基于此，本系統(tǒng)設(shè)置固定超前200ns，即能滿足要求。

4.3 參考捕獲時(shí)間同步原理

得到與北斗時(shí)間同步的1PPS信號(hào)是高精度授時(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵功能，這個(gè)過程通過ARM內(nèi)部處理。同步的過程如圖4所示。

圖4 參考捕獲同步流程圖Fig.4 Flowchart of reference capture synchronization

由于OCXO上電需要加熱內(nèi)部恒溫槽，此段時(shí)間頻率變化較大，不宜進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)校時(shí)，因此需要預(yù)熱一段時(shí)間后再與參考源同步，所以在上電初始化后TIM1和TIM2開始計(jì)數(shù)時(shí)，需先等待預(yù)熱時(shí)間完成，而預(yù)熱時(shí)間根據(jù)本地時(shí)鐘源OCXO或原子鐘特性決定，再判斷參考是否有效，若參考有效則捕獲標(biāo)準(zhǔn)1PPS的上升沿，并讀取定時(shí)器TIM1和TIM2的計(jì)數(shù)值，然后重置放秒位置，即此時(shí)捕獲輸出高電平，在100ms后捕獲輸出低電平，此過程直接調(diào)整相位，使1PPS相位對(duì)齊標(biāo)準(zhǔn)1PPS。調(diào)相過程一般在上電第一次同步或者相位差相差過大時(shí)進(jìn)行，當(dāng)相位較小時(shí)通過調(diào)整OCXO頻率來調(diào)整1PPS相位，此過程為調(diào)頻過程。通過調(diào)頻和調(diào)相，使恒溫晶振輸出具有精準(zhǔn)的1PPS和頻率信號(hào)。

4.4 鑒相單元

當(dāng)系統(tǒng)上電同步后由于OCXO頻率尚未調(diào)準(zhǔn)的原因，1PPS信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)1PPS信號(hào)的相位還會(huì)存在小幅度變化，這時(shí)候需要利用PID算法根據(jù)相位值調(diào)整頻率使相位調(diào)準(zhǔn)對(duì)齊。

這里的鑒相包括采用系統(tǒng)時(shí)鐘捕獲時(shí)標(biāo)的定時(shí)器鑒相部分和TDC直接測(cè)量?jī)擅朊}沖信號(hào)相位差的TDC鑒相部分。其中定時(shí)器鑒相的部分直接采用1PPS參考輸入捕獲的方式，獲取到1PPS參考時(shí)標(biāo)，與1PPS時(shí)標(biāo)基準(zhǔn)相比較得出相差。TDC鑒相部分則由TDC測(cè)量后通過SPI傳到ARM。

由于標(biāo)準(zhǔn)1PPS來自于BD衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，這些參考信號(hào)在傳輸?shù)浇K端過程中不僅會(huì)受到電離層、對(duì)流層等外界因素影響，同時(shí)這也有可能出現(xiàn)跳變的情況，因此在鑒相過程中必須進(jìn)行濾波，采用中位值遞推平均濾波方法，保證了相位差的純凈和準(zhǔn)確。所以在得到相位差后，進(jìn)行了濾波，具體操作步驟如下。

1)連續(xù)取

N

個(gè)相位值，將其排列成一個(gè)隊(duì)列，長(zhǎng)度固定為N，采用先進(jìn)先出原則，當(dāng)采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)時(shí)就將該數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并丟掉隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)；2)把隊(duì)列中的

N

個(gè)數(shù)據(jù)按照從大到小進(jìn)行排列，去掉頭尾兩數(shù)，即數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，而后計(jì)算剩下數(shù)據(jù)的算術(shù)平均數(shù)并作為相位差值輸出。

這種濾波方法優(yōu)點(diǎn)是不僅能夠消除脈沖性偶然出現(xiàn)的干擾，還能抑制周期性干擾。

4.5 PID控制器

PID控制器是控制系統(tǒng)中最常用的閉環(huán)控制器，如圖5所示，PID控制器通過比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)、微分調(diào)節(jié)共同作用被控對(duì)象的輸入偏差，通過線性擬合輸出控制量，該控制量又反饋到被控對(duì)象輸入端，從而對(duì)輸入偏差進(jìn)行修正。

圖5 PID控制器原理框圖Fig.5 Principle of PID controller

位置式PID和增量式PID算法是現(xiàn)今最常用的PID算法，本系統(tǒng)主要根據(jù)相位差

Δu

來調(diào)整恒溫晶振的壓控值，進(jìn)而調(diào)準(zhǔn)1PPS和標(biāo)準(zhǔn)1PPS的相位，形成閉環(huán)控制，達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。由于增量式PID算法計(jì)算量較小，算法復(fù)雜更低，故系統(tǒng)采用該P(yáng)ID算法。其公式如式(1)所示

Δu

=

u

-

u

-1

(1)

式中：

u

——當(dāng)前時(shí)刻的壓控值；

u

-1——上一時(shí)刻的壓控值；

T

——采樣周期；

e

——5s前相位差均值；

e

-1——10s前相位差值；

K

——比例系數(shù)；

T

——微分系數(shù)；

T

——積分系數(shù)。其中采樣周期時(shí)間選擇5s，壓控值5s改變一次，最終得到的

Δu

即為當(dāng)前壓控值與上一壓控值的差值。從式(1)可以看出，確定PID參數(shù)是算法的關(guān)鍵所在。在PID算法中，比例調(diào)節(jié)的作用是對(duì)期望值與當(dāng)前值的偏差做出瞬間反應(yīng)，當(dāng)比例系數(shù)越大時(shí)，調(diào)節(jié)力度增大，控制參數(shù)越穩(wěn)定，反之比例系數(shù)越小，控制參數(shù)越容易震蕩；積分調(diào)節(jié)是用來對(duì)比例調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的余差的積累與消除，通常與比例調(diào)節(jié)共同作用；而微分部分主要是調(diào)控偏差的變化速度，進(jìn)而阻止偏差的變化。確定PID參數(shù)的方法很多，本設(shè)計(jì)的參數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)法和湊試法，按照比例(P)、積分(I)，微分(D)的順序依次進(jìn)行，步驟如下。1)先令

T

和

T

的值為零即控制器為純比例控制器，再逐漸調(diào)節(jié)比例系數(shù)Kp的值，當(dāng)達(dá)到等幅振蕩時(shí)，記錄臨界比例系數(shù)

K

和臨界振蕩周期

T

值；2)根據(jù)步驟(1)中

K

和

T

的臨界值，采用經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出調(diào)節(jié)器

K

，

T

和

T

的值；

3)最后再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)一步調(diào)整。值得注意的是，不同的OCXO如果壓控范圍不同，需要適當(dāng)調(diào)整PID參數(shù)。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

根據(jù)設(shè)計(jì)，在相同環(huán)境下選擇同批號(hào)硬件同批號(hào)生產(chǎn)的兩塊樣機(jī)板進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試。兩塊樣機(jī)通過串口連接電腦PC端，并通過串口助手顯示查看時(shí)間信息，同時(shí)利用示波器對(duì)比輸出秒脈沖與授時(shí)精度小于10ns的時(shí)標(biāo)儀的相位誤差——授時(shí)精度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整PID參數(shù)，詳細(xì)記錄在不同PID參數(shù)下樣機(jī)輸出穩(wěn)定1PPS信號(hào)的授時(shí)時(shí)間以及授時(shí)精度，記錄結(jié)果見表1。

表1 經(jīng)典法控制器參數(shù)Tab.1 Controller parameters of classical method控制器類型KpTiTd1號(hào)樣機(jī)授時(shí)成功時(shí)間2號(hào)樣機(jī)授時(shí)成功時(shí)間1號(hào)樣機(jī)授時(shí)精度2號(hào)樣機(jī)授時(shí)精度P0.5Ku//6分15秒6分03秒57ns60nsPI0.55Ku0.85Tu/3分45秒3分53秒33ns30nsPID0.6Ku0.5Tu0.12Tu1分30秒1分17秒13ns15nsP0.43Ku//5分48秒6分09秒49ns51nsPI0.57Ku0.93Tu/4分13秒4分37秒26ns23nsPID0.66Ku0.47Tu0.25Tu1分07秒1分13秒19ns17ns

通過對(duì)PID參數(shù)的試湊調(diào)整，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，當(dāng)3個(gè)參數(shù)均大于或者小于

K

=4，

T

=1，

T

=0.24時(shí)，授時(shí)精度上下浮動(dòng)較大，由于PID參數(shù)的不同設(shè)定，授時(shí)成功時(shí)間也在浮動(dòng)，考慮授時(shí)精度小就無法兼顧授時(shí)成功時(shí)間。所以綜合考慮，當(dāng)選用

K

=4，

T

=1，

T

=0.24，此時(shí)的

K

=6.67，

T

=2，授時(shí)精度能達(dá)到13ns即在20ns以內(nèi)，授時(shí)成功時(shí)間也較短。實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期設(shè)想，基本能達(dá)到設(shè)計(jì)初衷。

6 結(jié)束語

電力、通信等領(lǐng)域?qū)r(shí)間的精度有著非常高的要求，對(duì)此需要高精度授時(shí)系統(tǒng)。在此條件下，本文設(shè)計(jì)的基于TDC和ARM的高精度授時(shí)系統(tǒng)是一個(gè)低成本、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單又能達(dá)到高精度授時(shí)目的系統(tǒng)，并詳細(xì)闡述了各個(gè)模塊設(shè)計(jì)。系統(tǒng)在正常工作的情況下，通過鑒相、PID控制器調(diào)整恒溫晶振時(shí)鐘頻率，進(jìn)而達(dá)到高精度授時(shí)要求。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，授時(shí)精度低于20ns，完全符合高精度授時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。保障了電力、通信等系統(tǒng)授時(shí)要求。