一種基于高精度時間基準(zhǔn)觸發(fā)的同步測量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及同步測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于高精度時間基準(zhǔn)觸發(fā)的同步測 量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 同步測量有利于提高測量準(zhǔn)確性、實(shí)現(xiàn)瞬變信號的多方位測量，在瞬變信號監(jiān)測、 發(fā)射源定位等測試方面有著重要應(yīng)用。目前，常用的多臺儀器同步測量的主要方法三種。
[0003] 方法一:基于命令消息的方式，由主控制器向各測量儀器發(fā)送命令開始測量，內(nèi)部 計(jì)時實(shí)現(xiàn)等間隔同步測量。這種方法實(shí)現(xiàn)同步測量操作簡單，容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是同步精度 低。主控制器與各測量儀器之間連線距離不同、傳輸介質(zhì)差異，造成傳輸延時不同；不同設(shè) 備對命令的響應(yīng)時間不同，決定了多臺設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的同時開始測量。
[0004] 方法二：基于儀器相對時間基準(zhǔn)的方式，由網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)或精確時間協(xié)議 (PTP)實(shí)現(xiàn)多臺儀器時鐘同步，設(shè)定統(tǒng)一時間基準(zhǔn)和測量時間間隔完成同步測量。這種方法 缺點(diǎn)是硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軟件工作量大;需要網(wǎng)絡(luò)連接，距離過長時網(wǎng)絡(luò)延時導(dǎo)致誤差增大。
[0005] 方法三:基于儀器絕對時間基準(zhǔn)的方式，利用GPS實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時，然后設(shè)定統(tǒng)一時 間基準(zhǔn)同步觸發(fā)測量。利用GPS實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時的方法比較多，一般的模擬器件很難實(shí)現(xiàn)秒脈 沖低頻信號的鑒頻鑒相，常見的利用數(shù)字鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)時鐘同步于GPS，硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜，不容 易實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種易于實(shí)現(xiàn)的基于高精度時間基準(zhǔn)觸發(fā)的同步測量裝置 及方法，該裝置及方法利用GPS和可編程邏輯器件FPGA實(shí)現(xiàn)儀器的精確授時，并將儀器的整 個信號采集通路同步于GPS，實(shí)現(xiàn)了多臺儀器的高精度同步測量。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0008] -種基于高精度時間基準(zhǔn)觸發(fā)的同步測量裝置，包括:CPU模塊、GPS模塊、FPGA、采 集模塊、DAC、壓控振蕩器、本振模塊和下變頻裝置；
[0009] 所述FPGA與CPU、GPS模塊、采集模塊、DAC分別連接;下變頻裝置、采集模塊、FPGA、 CPU依次串聯(lián)連接;DAC、壓控振蕩器、本振模塊依次串聯(lián)連接;壓控振蕩器與采樣時鐘、本振 分別連接;本振模塊與下變頻裝置連接;GPS模塊與CPU連接；
[0010] GPS模塊鎖定后輸出串口時間信息到CPU模塊，輸出秒脈沖到CPU模塊和FPGA;CPU 根據(jù)解析出的時間信息設(shè)置FPGA時間累加器初值，F(xiàn)PGA開始計(jì)時并對秒脈沖計(jì)數(shù)，根據(jù)計(jì) 數(shù)值調(diào)整DAC輸出，使得壓控振蕩器時鐘頻率同步于GPS;壓控振蕩器為采集模塊和本振提 供頻率參考;被測信號經(jīng)下變頻裝置、采集模塊進(jìn)入FPGA處理，每個進(jìn)入FPGA的信號都對應(yīng) 準(zhǔn)確的GPS時間;完成時鐘同步后由CPU模塊根據(jù)測試需求設(shè)定各個儀器的統(tǒng)一觸發(fā)時間和 測量間隔，實(shí)現(xiàn)同步測量。
[0011] 所述本振模塊由頻率合成單元組成，用于合成輸入信號下變頻所需頻率信號，頻 率合成時鐘參考由同步于GPS的壓控振蕩器提供。
[0012] 所述下變頻裝置用于對被測信號的下變頻處理，輸出中頻信號到采集模塊;所述 采集模塊包含ADC和采樣時鐘兩個部分，ADC對接收到的中頻信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣時鐘 由鎖相環(huán)組成，其頻率參考由同步于GPS的壓控振蕩器提供。
[0013] 所述FPGA根據(jù)CPU的時間信息設(shè)置計(jì)時累加器初值，接收秒脈沖進(jìn)行秒計(jì)時，接收 壓控振蕩器時鐘進(jìn)行納秒計(jì)時;轉(zhuǎn)換成UTC時間等待觸發(fā);每隔一段時間產(chǎn)生中斷與CPU模 塊校時;對秒脈沖計(jì)數(shù)，根據(jù)計(jì)數(shù)值計(jì)算控制量調(diào)整DAC輸出，調(diào)整壓控振蕩器同步于GPS; 接收采集模塊的數(shù)字信號記錄時間信息，運(yùn)算處理后傳到CHJ模塊。
[0014] 多個基于高精度時間基準(zhǔn)觸發(fā)的同步測量裝置分別通過無線網(wǎng)絡(luò)與中心計(jì)算機(jī) 通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，同時可以將測量結(jié)果傳輸?shù)街行挠?jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)多臺儀器的同步測量、 運(yùn)算處理。
[0015] -種基于高精度時間基準(zhǔn)觸發(fā)的同步測量方法，包括：
[0016] A1 )GPS模塊輸出秒脈沖和串口時間信息，CPU利用秒脈沖和時間信息設(shè)置FPGA時 間初值，F(xiàn)PGA設(shè)置累加器開始計(jì)時；
[0017] A2)FPGA對相鄰秒脈沖間隔進(jìn)行計(jì)數(shù)，根據(jù)計(jì)數(shù)值計(jì)算控制量調(diào)整DAC輸出，調(diào)整 壓控振蕩器頻率同步于GPS;
[0018] A3)利用同步于GPS的時鐘作為本振和采集模塊采樣時鐘的頻率參考，實(shí)現(xiàn)采集過 程與FPGA硬件時間基準(zhǔn)的同步；
[0019] A4)由CPU設(shè)定各個儀器的統(tǒng)一觸發(fā)時間和測量間隔，實(shí)現(xiàn)同步測量。
[0020] 所述步驟A1)的具體方法為：
[0021 ] A101 )GPS模塊鎖定后產(chǎn)生秒脈沖和時間信息，CPU接收到秒脈沖后讀取串口信息， 解析出當(dāng)前時間，隨后把時間信息傳到FPGA設(shè)置計(jì)時累加器初值；
[0022] A102)FPGA的秒累加器、納秒累加器接收初值后開始計(jì)時，秒累加器的計(jì)數(shù)時鐘為 秒脈沖，納秒累加器的計(jì)數(shù)時鐘為同步于GPS的壓控振蕩器時鐘；
[0023] A103)每隔設(shè)定時間FPGA發(fā)出校時中斷信號給CPU，同時上傳 FPGA時間信息;CPU接 收到中斷后立即讀取串口得到GPS時間，將GPS時間與FPGA上傳的時間相比較，若存在偏差， 調(diào)整FPGA秒累加器值，通過反饋校時保證了 FPGA計(jì)時的秒級時間的絕對準(zhǔn)確性。
[0024]所述步驟A2)的具體方法為：
[0025] A201 )FPGA檢測GPS秒脈沖的上升沿，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，下一個秒脈沖到來時保存 計(jì)數(shù)值，計(jì)數(shù)器清零重新開始計(jì)數(shù)，保存的第k次計(jì)數(shù)值記為X(k)，k=l，2,3...;
[0026] A202)利用前N個計(jì)數(shù)值X(k)(k=l，2. . .，N)，采用滑動平均濾波的方法計(jì)算第k個 相鄰秒脈沖時間間隔的計(jì)數(shù)值浐(k);
[0027] A203)假設(shè)壓控振蕩器的理論頻率為f，實(shí)際測得頻率為f(kf = X\k)，計(jì)算頻率誤 差A(yù) f(k)，并根據(jù)頻率誤差計(jì)算控制量u(k);
[0028] A204)利用低通濾波器對控制量進(jìn)行濾波處理，按照數(shù)據(jù)手冊中給出的壓控振蕩 器電壓-頻率對應(yīng)關(guān)系及DAC輸入數(shù)字量-輸出電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系，計(jì)算出輸出到DAC的數(shù)字量； [0029] A205)控制DAC輸出電壓，調(diào)整壓控振蕩器頻率，使得壓控振蕩器頻率同步于GPS秒 脈沖。
[0030]所述步驟A3)的具體方法為：
[0031] A301 )FPGA控制的壓控振蕩器與GPS同步完成后，本振的頻率參考由內(nèi)部時基參考 切換到壓控振蕩器時鐘；
[0032] A302)ADC采樣時鐘通過鎖相環(huán)方式產(chǎn)生，頻率參考為壓控振蕩器時鐘，通過鑒頻 鑒相方式使得輸出采樣時鐘與參考時鐘保持固定相位關(guān)系；
[0033]所述步驟A4)的具體方法為：
[0034] A401)根據(jù)測量需求，由CPU設(shè)定觸發(fā)時間和測量間隔，各個測量儀器在同一時刻 實(shí)現(xiàn)同步測量;CPU設(shè)定的觸發(fā)時間是FPGA硬件時間，同步于GPS模塊的納秒級時間；
[0035] A402)觸發(fā)開始后，F(xiàn)PGA鎖存采集的數(shù)字信號完成數(shù)據(jù)處理，記錄測量結(jié)果和對應(yīng) 的時間信息，通過網(wǎng)絡(luò)將帶時間信息的測量結(jié)果發(fā)送到中心計(jì)算機(jī)，完成后續(xù)處理。
[0036]本發(fā)明的有益效果是：
[0037] 本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)在于基于GPS利用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時，不增加 電路復(fù)雜性，易于實(shí)現(xiàn)，同步測量精度高，各同步儀器間不受距離的限制。本發(fā)明方案利用 FPGA和GPS確定了高精度的測量