CN101202545B - 高精度数据录取授时仪 - Google Patents

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CN101202545B CN 200710180533 CN200710180533A CN101202545B CN 101202545 B CN101202545 B CN 101202545B CN 200710180533 CN200710180533 CN 200710180533 CN 200710180533 A CN200710180533 A CN 200710180533A CN 101202545 B CN101202545 B CN 101202545B
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Abstract

本发明公开一种高精度数据录取授时仪，由GPS授时板通过天线接收到精度的秒脉冲信息和绝对时间信息，传递给录取控制板并校正控制板的内部时钟，保持控制板与绝对时的严格同步；录取控制板通过通信电缆分别连接被录取设备和用户数据收集计算机，遵循通信协议接收用户数据收集计算机发送的命令，向用户数据收集计算机反馈GPS接收机状态和GPS时间、位置信息，并设置与被录取设备的通信速率、数据帧格式，建立与被录取设备的通信；该授时仪器使用携带方便，在任何有GPS卫星信号的地域均能工作，用于对时统精度要求为1×10-4秒提供异步串行测试接口，且通信速率为38400bps测试帧长度固定的真值设备或被测设备输出数据的录取。

Description

高精度数据录取授时仪
技术领域
本发明涉及数据录取授时技术领域，一种基于GPS授时技术的小型化高精度数据录取授时仪。
背景技术
目前，在进行各种粗、高精度民用雷达、航空管制雷达、精密跟踪雷达以及光电跟踪设备的动态精度试验时，为叙述方便，上述设备，以下简称被录取设备，既要获得空中或地面目标精确的动态位置数据，也要获得被录取设备输出的测量数据，而且这两种数据获取，根据被录取设备精度要求的不同，需要保持不同精度上的时间同步，只有同步后的数据，才能够按一定要求进行数据对齐，求误差等处理，得出被录取设备的搜索或跟踪精度，以决策被录取设备能否满足精度指标要求。
在测试过程中，通常需要动用光电经纬仪和精测雷达等大型真值测量设备，实时、精确地测量空中或地面目标的动态位置，随着被测试系统的搜索和跟踪作用距离不同，光电经纬仪、精测雷达和被测试系统需要分布在数公里、数十公里、甚至上百公里的范围内。传统的同步方法通常采用同步控制装置，通过有线连接，同步脉冲信号触发等方式，控制真值数据以及被录取设备数据的同步录取，其缺点是：设备量大、操作复杂；在采样频率高、测试数据流量较大、试验点位布站地域广时，无法传递同步信号或同步信号延迟大，使精度指标的测量受到限制。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的是设计和实现一种基于GPS授时技术的小型化高精度数据录取授时仪，该授时仪器使用携带方便，在任何有GPS卫星信号的地域均能工作，用于对时统精度要求不高于1×10-4秒、提供异步串行测试接口且通信速率不高于38400bps、测试帧长度固定的真值设备或被测设备输出数据的录取。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
所述的高精度数据录取授时仪，由GPS授时板通过GPS天线接收GPS卫星信息并进行解算，得到符合GPS授时板精度的秒脉冲信息和绝对时间信息，传递给录取控制板；录取控制板通过通信电缆分别连接被录取设备和用户数据收集计算机；
所述的录取控制板，用于接收秒脉冲信息和绝对时间信息，并校正控制板的内部时钟，保持控制板与绝对时的严格同步；
所述的录取控制板，遵循通信协议接收用户数据收集计算机发送的命令，向用户数据收集计算机反馈GPS接收机状态和GPS时间、位置信息，并设置与被录取设备的通信速率、数据帧格式，建立与被录取设备的通信；当被录取设备有数据到来时进行接收，将接收的数据和接收时刻的绝对时标打包，向用户数据收集计算机发送，从而完成数据录取授时的过程；
所述的数据录取授时的方法，其步骤如下：
1)、高精度数据录取授时仪采用GPS授时板提供的秒脉冲PPS信号校时，对于普通的GPS，OEM板，秒脉冲PPS前沿与绝对时的精度误差不超过200纳秒；
2)、实现数据录取记录的时标所表示的时刻与被录取设备数据发出时刻的时间误差在±1×10-4秒以内；
3)、由数据录取板上高精度晶振构成的振荡器经过分频能产生满足时间分辨率高于1×10-6要求的时钟信号，并通过一个计数器为其计数；它每隔1秒被GPS授时板的秒脉冲PPS信号前沿同步一次，计数器清零；
4)、试验数据第一个字节到来时，记下晶振计数器的值，将上1秒GPS授时仪器传来的时间信息加1，再加上记录的计数器值除以晶振频率的商，最后减去1个字节的串口传输延时，就得到了该试验数据帧的准确时标；
5)、GPS秒脉冲抗干扰措施，基于GPS的时间同步是靠每秒钟起始时刻发出的同步秒脉冲PPS来保证，而GPS的秒脉冲信号只是用一根信号线来传送，由于GPS的秒脉冲信号在系统设计中作为中断源使用，在两次PPS信号之间受到干扰影响的可能性很大，因此需正确识别秒脉冲信号以确保时间同步，为防止CPU的错误动作，根据秒脉冲总是位于前后2秒交界处的特点，采用秒脉冲软件抗干扰措施；
鉴别方法是将系统晶振的误差、相应中断服务程序执行的时间、PPS误差值等时间误差总和设为W，并设定一定容限，对于10-4秒的精度要求，可将W设为1×10-5秒，采用晶振计数器定时识别；当进入秒脉冲中断处理程序时，判断晶振计数器的值是否落在1±W秒内，如果是则校正本地时钟，计数器清零，如果不是，则认为是干扰脉冲，继续计数；
6)、GPS秒脉冲失效处理，录取控制板检测到GPS授时板在复杂电磁环境的数据录取中，偶尔会存在与GPS卫星不同步或卫星系统的信号由于某种原因而消失的GPS信号失效时，本地晶振时钟独立运行，可保持数分钟满足系统精度要求的试验数据录取，当重新捕获到GPS卫星信号后，可重新建立同步。
所述的高精度数据录取授时仪，其通信协议指数据录取授时仪与用户数据收集计算机的通信协议，包括：
1)开机和录取准备询问命令：
B0标志字F1
B1录取帧标志位长度n：表明被录取设备发送的数据帧帧头的长度，为读取帧头的内容作准备；
B2-B1+n录取帧标志字内容：依据标志字长度读取相应长度的字节，作为录取数据帧的帧头；
B2+n录取帧数据长度：录取帧的除标志字和校验和以外实际数据的长度；
B3+n录取帧校验和位数：原码表示校验和位数，
B4+n-B5+n录取的速率：取值范围从1200-38400bit/s，原码表示，先发低字节再发高字节；
B6+n校验和：除标志字外所有字节逐一相加，溢出不计；
该帧由用户数据收集计算机向数据录取授时仪发送，询问是否开机和录取准备情况，并告知需录取的数据帧格式；其中录取帧标志字内容字段中的字节8位均有效；
2)数据录取授时仪开机应答命令：
B0标志字E1，
B1 GPS状态标志，0：表示GPS正在定位中还无法进行录取和授时，该帧随后的GPS的数据无效全为0；1：表示GPS定位成功可以进行录取和授时，该帧随后的GPS的数据有效；
B2设备所处半球指示，高3位指示东西半球，0表示西半球，1表示东半球；低4位指示南北半球，0表示南半球，1表示北半球；
B3-B8经度，设备所在位置的经度共6个字节，表示形式为度(2b)、分(1b)、秒(3b)，秒精确到小数点第4位，其中第1字节表示小数点右边的数值，第2、3字节表示小数点左边的数值；
B9-B13纬度，设备所在位置的纬度共5字节，表示形式为度(1b)、分(1b)、秒(3b)，秒的表示与经度一致；
B14年B15月B16日B17时B18分B19秒，均用1个字节表示，其中“年”只给出后2位的值，如：2004年，则内容是04；
B20校验和，除标志字外所有字节逐一相加，溢出不计；
该帧由数据录取授时仪向用户数据收集计算机发送，应答用户数据收集计算机的开机询问，同时上报GPS状态；
3)数据录取命令：
B0标志字F2
B1附带时标标志，0：表示仅录取数据不需要附带时标；1：表示录取数据并附带时标；
B2校验和，除标志字外所有字节逐一相加，溢出不计；
该帧由用户数据收集计算机向数据录取授时仪发送，指示数据录取授时仪开始录取装备数据，数据录取授时机在接收到该命令后，初始化与设备的接口，开始录取数据；
4)录取应答命令：
B0标志字E2
B1录取状态标志，0：下位机故障无法进行录取；1：表示已进入录取状态；
B2校验和，除标志字外所有字节逐一相加，溢出不计；
该帧由数据录取授时仪向用户数据收集计算机发送，是对数据录取命令的应答，表示数据录取授时仪已经打开录取数据接口，进入录取状态。用户数据收集计算机在接收到该命令后，可以开始接收上报的录取数据；
5)数据录取授时机上报的录取数据：
B0-Bn-1录取帧标志字，从开机询问命令获得的录取帧标志字；
Bn-Bn+x录取的内容，从设备接收的帧除录取帧标志字外的所有数据；
Bn+x+1-Bn+x+6时标，结构为时(1b)、分(1b)、秒(4b)，秒精确到小数点第5位，其中第1字节表示小数点右边的数值，第2、3、4字节表示小数点左边的数值。不要求时标时，该字段的值全为0；
Bn+x+7校验和，除标志字外所有字节逐一相加，溢出不计；
该帧由数据录取授时仪向用户数据收集计算机发送，上报从设备录取的附带时标数据；
6)录取停止命令，
B0标志字F4
B1保留字节0，无实际意义，内容为0，预留备用；
B2校验和，除标志字外所有字节逐一相加，溢出不计；
该帧由用户数据收集计算机向数据录取授时仪发送，命令停止数据的录取；
7)停止应答命令：
B0标志字E4
B1保留字节0：无实际意义，内容为0，预留备用；
B2校验和：除标志字外所有字节逐一相加，溢出不计。
该帧由数据录取授时仪向用户数据收集计算机发送，表明授时机已关闭接口，停止数据的录取。
所述的高精度数据录取授时仪，系统硬件包括：GPS天线、GPS授时板、录取控制板、封装盒、供电电池、整流电源和通信电缆；GPS授时板连接GPS天线，提供PPS信号和GPS时间信息给录取控制板，录取控制板通过串行接口由通信电缆分别连接被录取设备和用户数据收集计算机。
所述的高精度数据录取授时仪，录取控制板的逻辑结构包括：一个以上的录取控制板RS232接口、电平转换单元、本地时钟源、直流稳压电路、中心处理器和调试接口电路；
所述的录取控制板RS232接口电路连接被录取设备、用户数据收集计算机及封装的GPS授时板；
所述的电平转换单元转换秒脉冲为内部总线电压并触发中央处理器中断来校准录取控制板的本地时钟；
所述的本地时钟源为高精度晶振电路，该电路在为中心处理器提供主频的同时，也和中心处理器的计数器一起构成了录取控制板的本地时钟；
所述的直流稳压电路为录取控制板和GPS授时板提供直流稳压源。
所述的高精度数据录取授时仪，录取控制板的电路具有：
GPS授时板提供的PPS信号，通过IC6缓冲驱动器74HC244进行总线信号驱动转换为内部总线电平并接入IC2中心处理器MB90F591A的INT0口产生中断；连接芯片通信信号和电源以及LED指示灯，当录取控制板通电时，LED灯点亮，有数据通信时，LED灯闪烁；
串口时间信息通过com1接口连接到录取控制板的中心处理器MB90F591A，中心处理器MB90F591A外接4M晶振、内部机器频率16MHz、最小指令执行时间62.5ns；
IC2中央处理器MB90F591A的com0收、发端口分别为SIN0和SOUT0，在接口J8和IC2之间通过IC3串行接口芯片MAX232进行电平转换和信号驱动，完成com0口的通信功能；J8是com0的接口，连接被录取设备测试口，引脚2，3分别为com0收、发引脚，脚5接地，其中com0也可为烧写程序接口；
IC2中央处理器MB90F591A的com1收、发端口分别为SIN1和SOUT1，在接口J4和IC2之间通过IC4串行接口芯片MAX232进行电平转换和信号驱动，完成com1口的通信功能；J4是com1的接口，连接GPS授时板；引脚2、5分别为com1收、发引脚，引脚3接入GPS授时板的PPS信号，引脚4接地；
IC2中央处理器MB90F591A的com2收、发端口分别为SIN2和SOUT2，在J5和IC2之间通过IC5串行接口芯片MAX232进行电平转换和信号驱动，完成com2口的通信功能；J5是com2的接口，连接用户数据收集计算机；引脚2，3分别为com2收、发引脚，引脚5接地；
通信电缆为三线制串行通信线缆；
芯片RST端是电容C12和电阻R14组成典型的上电复位电路，当电路板加电时，给芯片复位信号；
芯片端口85、86接的是接地电阻，85、86为普通IO口，保持长低电平，是单片机软件需要这两个端口保持输入为“0”，以实现某些功能；
芯片端口1，连接com2的用户接收数据计算机的RTS请求发送信号；
电源由市电通过整流提供直流输出与12V直流电池供电，通过二极管D1、D2整流稳压，IC1直流电压转换模块PKF2111PI将外部12V直流输入转换为2路5V直流输出，通过接口J2、J3分别给录取控制板和GPS授时板供电。
所述的高精度数据录取授时仪，主机盒采用铝合金压制盒，安装散热片，内装录取控制板和GPS授时板；
主机盒的前面板上设置有开关：KNX303，标识：工作/下载；指示灯：直径3mm双色，带灯座，标识：指示灯；计算机接口：DB9ZJ，标识：计算机；设备接口：DB9ZJ，标识：设备接口；后面板上设置有电源口：Y4M4，标识：电源；GPS数据输出口：DB9ZJ，标识：GPS；天线接入口：TNC-KF3，标识：天线；1PPS输出口：BNC-KF3，标识：1PPS。
所述的高精度数据录取授时仪的系统软件：其包括数据录取软件和录取控制软件：
1)、数据录取软件为嵌入式主控软件，运行于录取控制板中心处理器，完成数据录取和授时；它通过通信协议受用户数据收集计算机的控制，完成规定的功能；包括：主控模块、PPS中断模块、录取数据中断模块；
主控模块：控制录取控制板，进行计数器、串行通信等初始化工作，接收GPS授时板时间信息，接收用户数据收集计算机命令，将录取的设备测试数据于时标打包形成数据帧上传至用户数据收集计算机；
PPS中断模块：完成中心处理器计数器清零工作；
数据录取中断模块：为被录取设备通信中断服务程序，同时完成记录录取时刻的工作；
数据录取软件流程如下：
录取控制板加电启动程序，首先进行初始化，包括设置GPS授时板参数、启动本地晶振时钟，打开与用户数据收集计算机通信接口工作，初始化完成后，进入等待接收命令状态，如果收到开机和录取准备询问命令，则记录需录取的数据帧格式，询问GPS授时板是否定位，并向用户数据收集计算机应答开机询问；如果收到数据录取命令，则打开数据录取端口，开始数据录取，并打时标，同时向数据收集计算机发送录取应答命令；在录取到数据时，将数据和时标进行上报；在数据录取期间，如果收到用户数据收集计算机的录取停止命令，马上关闭录取端口，停止数据录取，同时发送停止应答命令；
2)、录取控制软件采用VC开发，运行与用户数据收集计算机，控制数据录取授时仪进行数据录取并实时接收带时标的数据进行存储，存储后的数据由用户根据实际需要进行处理；
录取控制软件依据用户界面事件如鼠标或键盘事件产生消息，驱动各模块执行相应的操作；由于软件是一个实时的控制和数据接收程序，因此在实现时需采用多线程技术，数据的接收和发送、存储由运行时创建的后台辅助线程完成，主用户界面线程完成用户交互和数据显示的工作；
录取控制软件流程如下：
用户可通过专门的设置界面设置需录取的数据帧格式和通信速率，在用户点击连接“建立连接”菜单项后，软件打开与数据录取授时仪的通信端口，串口初始化并发送开机和录取准备询问命令，如果授时仪无应答则连接失败，有应答，则连接建立，提示用户录取准备就绪；若GPS没有定位，则禁止启动数据录取，否则允许启动数据录取；在数据录取授时仪应答GPS定位后，用户可点击相应菜单项发送数据录取命令，启动数据录取授时仪进行数据录取，在接收到数据录取授时仪的录取应答命令后，进行数据的接收，将接收的数据和GPS时标信息实时显示；
当用户点击停止录取菜单项时，软件向数据录取授时仪发送停止录取命令，并存储录取的数据和时标，串口关闭。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：
该高精度数据录取授时仪，经过测试，数据录取授时仪的绝对时同步精度高于1×10-4秒，它具有以下优点：
1、系统采用GPS授时技术实现了数据录取的时间绝对时同步。用GPS作为同步时间源，取消了使用地域的限制，只要能接收到GPS卫星信号的地方均能使用该授时仪。
2、系统的数据录取时间同步精度高，并进行了精心的通信协议设计，对测试时统精度要求不大于1×10-4秒、提供异步串行测试接口或转接口且通信速率不高于38400bps、测试帧长度固定的设备均可进行测试数据的录取；
3、数据录取授时仪硬件设计小型化、方案简洁、成本低，功能强、使用安装方便、对被测系统影响小，能适用于大数据量、长时间测试任务。
该高精度数据录取授时仪已应用于多项对空跟踪设备的精度鉴定任务，获取了有效的试验数据，取得了满意的效果，可向类似需求的军用、民用项目推广。
附图说明
图1是数据录取授时仪组成框图；
图2是录取控制板逻辑结构图；
图3是系统授时原理框图；
图4是数据录取电路原理图；
图5是主机盒内部接线关系框图；
图6是前面板示意图；
图7是后面板示意图；
图8是PPS中断模块工作流程图；
图9是数据录取中断模块工作流程图；
图10是数据录取控制软件运行流程图；
图11是数据录取授时仪实施图；
图12是数据录取软件流程图；
图13是秒脉冲软件抗干扰措施原理框图；
图14是数据录取授时仪通信协议的流程图。
图中：1-GPS天线；2-GPS授时板；3-数据录取控制板；4-被录取设备；5-用户数据收集计算机；6-真值设备；7-被测试动态目标；8-开关；9-指示灯；10-计算机接口；  11-设备接口；12-电源口；13-天线入口；14-GPS数据输出口；15-1PPS输出口；16-数据录取授时仪；17-精度数据处理。
具体实施方式
如图1至图14所示：该高精度数据录取授时仪，实现了数据录取的时间绝对时同步。用GPS作为同步时间源，取消了使用地域的限制，只要能接收到GPS卫星信号的地方均能使用该授时仪。
采用该种高精度数据录取授时仪进行精度试验的典型实施方案如图11所示，是被录取设备(4)与真值设备(6)放置于甲、乙两地，两地距离可根据试验的要求任意安排。被录取设备(4)与真值设备(6)对被测试动态目标(7)的测试，由两套数据录取授时仪(16)分别连接真值设备(6)和被录取设备(4)，录取真值数据和被测试数据，并保持录取数据的绝对时同步，用户数据收集计算机(5)获取数据后，即可将被测试数据与真值数据比对，即精度数据处理(17)得到精度试验结果。
该高精度数据录取授时仪，系统总体设计主要由GPS天线、GPS授时板、录取控制板组成，其组成框图如图1所示。GPS天线和GPS授时板可购买现有商用产品，录取控制板需要自行研制。
高精度数据录取授时仪由GPS授时板通过GPS天线接收GPS卫星信息并进行解算，得到符合GPS授时板精度的秒脉冲信息和绝对时间信息，录取控制板接收该信息，并校正控制板的内部时钟，保持控制板与绝对时的严格同步。
录取控制板可遵循通信协议，接收用户数据收集计算机发送的命令，向用户数据收集计算机反馈GPS接收机状态和GPS时间、位置信息，并设置与被录取设备的通信速率、数据帧格式，建立与被录取设备的通信。当被录取设备有数据到来时进行接收，将接收的数据和接收时刻的绝对时标打包，向用户数据收集计算机发送。从而完成数据录取授时的过程。
录取控制板的设计
录取控制板的逻辑结构如图2所示，包括：一个以上的录取控制板RS232接口、电平转换单元、本地时钟源、直流稳压电路、中心处理器和调试接口电路；其中录取控制板RS232接口电路连接被录取设备、用户数据收集计算机以及封装的GPS授时板；电平转换单元转换秒脉冲为内部总线电压并触发中央处理器中断来校准录取控制板的本地时钟；本地时钟源为高精度晶振电路，该电路在为中心处理器提供主频的同时，也和中心处理器的计数器一起构成了录取控制板的本地时钟；直流稳压电路为录取控制板和GPS授时板提供直流稳压源。
数据录取授时仪通信协议
数据录取授时仪与用户数据收集计算机的通信协议如图14所示，包括：开机和录取准备询问命令、数据录取授时仪开机应答命令、数据录取命令、录取应答命令、数据录取授时机上报的录取数据、录取停止命令、停止应答命令；
通信协议的具体说明如下：
1)开机和录取准备询问命令
B0 B1 B2-B1+n B2+n
标志字 录取帧标志位长度 录取帧标志字内容 录取帧数据长度
F1 n
  B3+n   B4+n-B5+n   B6+n
  录取帧校验和位数   录取的速率   校验和
说明：该帧由用户数据收集计算机向数据录取授时仪发送，询问是否开机和录取准备情况，并告知需录取的数据帧格式。其中录取帧标志字内容字段中的字节8位均有效。
·录取帧标志字长度：表明被录取设备发送的数据帧帧头的长度，为读取帧头的内容作准备；
·录取帧标志字内容：依据标志字长度读取相应长度的字节，作为录取数据帧的帧头；
·录取帧数据长度：录取帧的除标志字和校验和以外实际数据的长度；
·录取帧校验和位数：原码表示校验和位数。
·录取的速率：取值范围从1200-38400bit/s，原码表示先发低字节再发高字节；
·校验和：除标志字外所有字节逐一相加，溢出不计。
2)数据录取授时仪开机应答命令
B0 B1 B2  B3-B8
标志字 GPS状态标志 设备所处半球指示 经度
E1
 B9-B13  B14 B15 B16 B17  B18 B19 B20
 纬度 年 月 日 时  分 秒 校验和
说明：该帧由数据录取授时仪向用户数据收集计算机发送，应答用户数据收集计算机的开机询问，同时上报GPS状态。
·GPS状态标志：0：表示GPS正在定位中还无法进行录取和授时，该帧随后的GPS的数据无效全为0；1：表示GPS定位成功可以进行录取和授时，该帧随后的GPS的数据有效；
·设备所处半球指示：高3位指示东西半球，0表示西半球，1表示东半球；低4位指示南北半球，0表示南半球，1表示北半球；
·经度：设备所在位置的经度共6个字节，表示形式为度(2b)、分(1b)、秒(3b)，秒精确到小数点第4位，其中第1字节表示小数点右边的数值，第2、3字节表示小数点左边的数值；
·纬度：设备所在位置的纬度共5字节，表示形式为度(1b)、分(1b)、秒(3b)，秒的表示与经度一致；
·年、月、日、时、分、秒均用1个字节表示，其中“年”只给出后2位的值，如：2004年，则内容是04。
·校验和：除标志字外所有字节逐一相加，溢出不计。
3)数据录取命令
B0  B1  B2
标志字 附带时标标志 校验和
F2
说明：该帧由用户数据收集计算机向数据录取授时仪发送，指示数据录取授时仪开始录取装备数据，数据录取授时机在接收到该命令后，初始化与设备的接口，开始录取数据。
·附带时标标志：0：表示仅录取数据不需要附带时标；1：表示录取数据并附带时标；
·校验和：除标志字外所有字节逐一相加，溢出不计。
4)录取应答命令
B0 B1 B2
标志字 录取状态标志 校验和
E2
说明：该帧由数据录取授时仪向用户数据收集计算机发送，是对数据录取命令的应答，表示数据录取授时仪已经打开录取数据接口，进入录取状态。用户数据收集计算机在接收到该命令后，可以开始接收上报的录取数据。
·录取状态标志：0：下位机故障无法进行录取；1：表示已进入录取状态；
·校验和：除标志字外所有字节逐一相加，溢出不计。
5)数据录取授时机上报的录取数据
B0-Bn-1  Bn-Bn+x  Bn+x+1-Bn+x+6  Bn+x+7
录取帧标志字  录取的内容  时标  校验和
说明：该帧由数据录取授时仪向用户数据收集计算机发送，上报从设备录取的附带时标数据。
·录取帧标志字：从开机询问命令获得的录取帧标志字；
·录取的内容：从设备接收的帧除录取帧标志字外的所有数据；
·时标：结构为时(1b)、分(1b)、秒(4b)，秒精确到小数点第4位，其中第1字节表示小数点右边的数值，第2、3、4字节表示小数点左边的数值。不要求时标时，该字段的值全为0；
·校验和：除标志字外所有字节逐一相加，溢出不计。
6)录取停止命令
B0  B1  B2
标志字  保留字节  校验和
F4  0
说明：该帧由用户数据收集计算机向数据录取授时仪发送，命令停止数据的录取。
·保留字节：无实际意义，内容为0，预留备用。
·校验和：除标志字外所有字节逐一相加，溢出不计。
7)停止应答命令
B0  B1  B2
标志字  保留字节  校验和
E4  0
说明：该帧由数据录取授时仪向用户数据收集计算机发送，表明授时机已关闭接口，停止数据的录取。
·保留字节：无实际意义，内容为0，预留备用。
·校验和：除标志字外所有字节逐一相加，溢出不计。
数据录取授时仪系统授时原理
如图3所示：授时仪采用GPS授时板提供的秒脉冲PPS信号校时，对于普通的GPS，OEM板，PPS前沿与绝对时的精度误差不超过200纳秒。关键在于实现数据录取记录的时标所表示的时刻与被录取设备数据发出时刻的时间误差在±1×10-4秒以内，主要通过以下描述的方法解决。
1)、由数据录取板上高精度晶振构成的振荡器经过分频能产生满足时间分辨率高于1×10-6要求的时钟信号，并通过一个计数器为其计数。它每隔1秒被GPS授时板的PPS信号前沿同步一次，计数器清零。
2)、试验数据第一个字节到来时，记下晶振计数器的值，将上1秒GPS授时仪器传来的时间信息加1，再加上记录的计数器值除以晶振频率的商，最后减去1个字节的串口传输延时，就得到了该试验数据帧的准确时标。
3)、GPS秒脉冲抗干扰措施如图13所示，基于GPS的时间同步是靠每秒钟起始时刻发出的同步秒脉冲PPS来保证，而GPS的秒脉冲信号只是用一根信号线来传送，由于GPS的秒脉冲信号在系统设计中作为中断源使用，在两次PPS信号之间受到干扰影响的可能性很大，因此需正确识别秒脉冲信号以确保时间同步，为防止CPU的错误动作，根据秒脉冲总是位于前后2秒交界处的特点，采用秒脉冲抗干扰措施；
鉴别方法是将系统晶振的误差、相应中断服务程序执行的时间、PPS误差值等时间误差总和设为W，并设定一定容限，对于10-4秒的精度要求，可将W设为1×10-5秒，采用晶振计数器定时识别；当进入秒脉冲中断处理程序时，判断晶振计数器的值是否落在1±W秒内，如果是则校正本地时钟，计数器清零，如果不是，则认为是干扰脉冲，继续计数。
4)、GPS秒脉冲失效处理，录取控制板检测到GPS授时板在复杂电磁环境的数据录取中，偶尔会存在与GPS卫星不同步或卫星系统的信号由于某种原因而消失的GPS信号失效时，本地晶振时钟独立运行，可保持数分钟满足系统精度要求的试验数据录取，当重新捕获到GPS卫星信号后，可重新建立同步。
上述方法是在考虑以下5个方面因素的基础上提出来的：
1)、晶振1秒内时间的漂移非常小，在本应用可以忽略不计，但长时间运行的累计误差较大；
2)、GPS授时板的PPS在跟踪卫星后，长时间运行稳定，无累计误差；
3)、串口通信接口单字节传输硬件时延固定，可精确计算；
4)、数据录取授时仪，被录取设备的数据发送和接收硬件处理时间为门级即ns(10-9)级，可以忽略不计。
5)、处理板中断处理程序的软件执行时间，在机器周期为MHz(绝大多数单片机处理芯片的机器周期量级)的情况下，为μs(10-6)级，也可忽略不计。
通过上述方法可保证录取数据时标的误差在±1×10-4秒以内。
所述的高精度数据录取授时仪，其系统硬件实现：
系统的硬件由GPS天线、GPS授时板、录取控制板、封装盒、供电电池、充电器、整流电源以及通信电缆组成。由GPS天线(1)接收，GPS授时板(2)提供的PPS信号通过录取控制板(3)；录取控制板(3)通过接口由通信电缆分别连接被录取设备(4)和用户数据收集计算机(5)。
采购Garmin25LP接收机作为GPS授时板(2)，该接收机可提供串口时间信息和PPS接口；GPS天线(1)采用合众思壮公司提供5V蘑菇头天线；供电电池采用12V直流电池；也可用整流电源提供市电转12V直流输出；通信电缆为三线制串行通信线缆，录取控制板(3)和封装盒需进行设计。
1)录取控制板电路的实现如图4所示：
录取控制板的电路具有：
GPS授时板提供的PPS信号，通过IC6缓冲驱动器74HC244进行总线信号驱动转换为内部总线电平并接入IC2中心处理器MB90F591A的INT0口产生中断；连接芯片通信信号和电源以及LED指示灯，当录取控制板通电时，LED灯点亮，有数据通信时，LED灯闪烁；
串口时间信息通过com1接口连接到录取控制板的中心处理器MB90F591A，中心处理器MB90F591A外接4M晶振Y1、内部机器频率16MHz、最小指令执行时间62.5ns；
IC2中央处理器MB90F591A的com0收、发端口分别为SIN0和SOUT0，在接口J8和IC2之间通过IC3串行接口芯片MAX232进行电平转换和信号驱动，完成com0口的通信功能；J8是com0的接口，连接被录取设备测试口，引脚2，3分别为com0收、发引脚，脚5接地，其com0也可为烧写程序接口J7；
IC2中央处理器MB90F591A的com1收、发端口分别为SIN1和SOUT1，在接口J4和IC2之间通过IC4串行接口芯片MAX232进行电平转换和信号驱动，完成com1口的通信功能；J4是com1的接口，连接GPS授时板；引脚2、5分别为com1收、发引脚，引脚3接入GPS授时板的PPS信号，引脚4接地；
IC2中央处理器MB90F591A的com2收、发端口分别为SIN2和SOUT2，在接口J5和IC2之间通过IC5串行接口芯片MAX232进行电平转换和信号驱动，完成com2口的通信功能；J5是com2的接口，连接用户数据收集计算机；引脚2，3分别为com2收、发引脚，引脚5接地，通信电缆为三线制串行通信线缆。
IC2芯片RST端是由电容C12和电阻R14组成典型的上电复位电路，当电路板加电时，给芯片复位信号。接口J6是测试口，维修调试用。
IC2芯片端85、86接的是接地电阻R14和R15，IC2芯片端85、86端为普通IO口，保持长低电平，是单片机软件需要这两个端口保持输入为“0”，以实现某些功能；IC2芯片MD端的接口J9和J10是空置接口。
IC2芯片端1，连接com2的用户接收数据计算机的RTS请求发送信号。
电源由市电通过整流提供直流输出与12V直流电池供电，由接口J1通过二极管D1、D2整流稳压，IC1直流电压转换模块PKF2111PI将外部12V直流输入转换为2路5V直流输出，通过接口J2、J3分别给录取控制板和GPS授时板供电；
其IC2芯片中心处理器采用富士通公司提供的MB90F591A，该芯片采用0.5μm制程，为16位处理器，提供1个18位计数器、2个16位计数器、3个全双工异步串行接口，处理器外接4M晶振、内部机器频率16MHz、最小指令执行时间62.5ns，该处理器芯片的技术指标完全能够满足本系统的要求。
串行接口电路采用通用的MAX232芯片，3块MAX232分别连接中心处理器的异步串行接口为com0、com1、com2，com0接被录取设备，com1接GPS授时板、com2接计算机，其中com0也作为烧写程序接口。
GPS授时板的PPS信号通过电平转换电路后，接入IC2芯片中心处理器INT0口产生中断。
PKF2111PI为直流电压转换模块，将外部12V直流输入转换为2路5V直流输出，分别通过接口J2、J3给录取控制板和GPS接收机供电。
74HC244为8位缓冲和驱动器，转换PPS信号为内部总线电平并输出，同时连接芯片通信信号和电源以及LED指示灯，当录取控制板通电时，接口J11的LED灯点亮，有数据通信时，LED灯闪烁。
2)结构设计
a.主机盒，采用铝合金压制盒，安装散热片，内装录取控制板和GPS授时板；
b.前面板如图6所示：
开关(8)：KNX303，标识：工作/下载；
指示灯(9)：直径3mm双色，带灯座，标识：指示灯；
计算机接口(10)：DB9ZJ，标识：计算机；
设备接口(11)：DB9ZJ，标识：设备接口；
c.后面板如图7所示：
电源口(12)：Y4M4，标识：电源，；
GPS数据输出口(14)：DB9ZJ，标识：GPS；
天线入口(13)：TNC-KF3，标识：天线；
1PPS输出口(15)：BNC-KF3，标识：1PPS，用于连接录取控制板(3)的接口J12。
主机盒内部接线关系如图5所示：
录取控制板(3)通过串口com1连接GPS授时板(2)，连接后面板的GPS数据口(14)；通过串口com2接口连接前面板的计算机接口(10)，通过串口com0接口连接前面板的设备接口(11)；GPS授时板(2)的数据口连接录取控制板(3)，连接后面板的1pps端，后面板的电源口(12)连接录取控制板(3)。
数据录取授时仪的系统软件如图7，包括数据录取软件和录取控制软件。
1)数据录取软件
数据录取软件为嵌入式软件，运行于录取控制板中心处理器，完成数据录取和授时，它通过通信协议受用户数据收集计算机的控制，完成规定的功能。
该软件包括主控模块、PPS中断模块、录取数据中断模块等模块。
主控模块控制录取控制板，进行计数器、串行通信等初始化工作，接收GPS授时板时间信息，接收用户数据收集计算机命令，将录取的设备测试数据于时标打包形成数据帧上传至用户数据收集计算机。
PPS中断模块完成中心处理器计数器清零工作。PPS中断模块工作流程如图8所示。数据录取中断模块为被录取设备通信中断服务程序，完成记录录取时刻的工作，数据录取中断模块工作流程如图9所示。
数据录取软件流程如下：
如图12所示：录取控制板加电启动程序，首先进行初始化，包括设置GPS授时板参数、启动本地晶振时钟，打开与用户数据收集计算机通信接口工作，初始化完成后，进入等待接收命令状态，如果收到开机和录取准备询问命令，则记录需录取的数据帧格式，询问GPS授时板是否定位，并向用户数据收集计算机应答开机询问；如果收到数据录取命令，则打开数据录取端口，开始数据录取，并打时标，同时向数据收集计算机发送录取应答命令；在录取到数据时，将数据和时标进行上报；在数据录取期间，如果收到用户数据收集计算机的录取停止命令，马上关闭录取端口，停止数据录取，同时发送停止应答命令；
2)录取控制软件
录取控制软件采用VC开发，运行与用户数据收集计算机，控制数据录取授时仪进行数据录取并实时接收带时标的数据进行存储，存储后的数据由用户根据实际需要进行处理。
录取控制软件依据用户界面事件鼠标或键盘事件产生消息，驱动各模块执行相应的操作。由于软件是一个实时的控制和数据接收程序，因此在实现时需采用多线程技术，数据的接收和发送、存储由运行时创建的后台辅助线程完成，主用户界面线程完成用户交互和数据显示的工作。
录取控制软件的运行流程如下：
如图10所示：用户可通过专门的设置界面设置需录取的数据帧格式和通信速率，在用户点击连接“建立连接”菜单项后，软件打开与数据录取授时仪的通信端口，串口初始化并发送开机和录取准备询问命令，如果授时仪无应答则连接失败，有应答，则连接建立，提示用户录取准备就绪；若GPS没有定位，则禁止启动数据录取，否则允许启动数据录取；在数据录取授时仪应答GPS定位后，用户可点击相应菜单项发送数据录取命令，启动数据录取授时仪进行数据录取，在接收到数据录取授时仪的录取应答命令后，进行数据的接收，将接收的数据和GPS时标信息实时显示；当用户点击停止录取菜单项时，软件向数据录取授时仪发送停止录取命令，并存储录取的数据和时标，串口关闭。
该种高精度数据录取授时仪使用说明
使用前，在用户自行准备的数据收集计算机(5)上安装录取控制软件，该软件也可由用户自行根据通信协议和特定的需求编写，设定串口通信速率为38400bps。
使用时，首先将GPS天线(1)架设在开阔处，数据录取授时仪com2的设备接口(11)通过通信电缆与用户数据收集计算机(5)连接起来，数据录取授时仪com0的计算机接口(10)与被录取设备连接起来，然后连接GPS天线(1)和电源，最后确认无误，方可加电。
加电后，用户操作录取控制软件向数据录取授时仪发送状态查询和录取数据格式命令，数据录取授时仪在GPS授时板成功跟踪卫星提供正确的时间信号后，向用户数据收集计算机(5)应答录取准备就绪；录取开始后，用户数据收集计算机(5)发送数据录取命令，数据录取授时仪接收命令，开始对被录取设备的测试数据实时录取，同时利用录取的间隙向用户数据收集计算机(5)上报带时标的测试数据，用户数据收集计算机(5)接收数据进行解帧、显示并存储；录取任务结束后，用户数据收集计算机(5)发送录取停止命令，终止数据的录取。
在首次使用或长时间不用时，数据录取授时仪需要预加电15～20分钟，GPS方可定位，然后才能进行数据录取。
数据录取授时仪(16)的使用并非仅限于上述模式，用户可以发挥创造性，在任何符合使用条件，需要进行高精度数据录取情况下，应用该仪器。

Claims (5)

1.一种高精度数据录取授时仪，其特征在于：由GPS授时板通过GPS天线接收GPS卫星信息并进行解算，得到符合GPS授时板精度的秒脉冲信号和绝对时间信息，传递给录取控制板；录取控制板通过通信电缆分别连接被录取设备和用户数据收集计算机；
所述的录取控制板，用于接收秒脉冲信号和绝对时间信息，并校正录取控制板的内部时钟，保持录取控制板与绝对时的严格同步；
所述的录取控制板，遵循通信协议接收用户数据收集计算机发送的命令，向用户数据收集计算机反馈GPS接收机状态和GPS时间、位置信息，并设置与被录取设备的通信速率、数据帧格式，建立与被录取设备的通信；当被录取设备有数据到来时进行接收，将接收的数据和接收时刻的绝对时标打包，向用户数据收集计算机发送，从而完成数据录取授时的过程；
数据录取授时的方法，其步骤如下：
1)、高精度数据录取授时仪采用GPS授时板提供的秒脉冲信号校时，对于普通的GPS-OEM板，秒脉冲信号前沿与绝对时的精度误差不超过200纳秒；
2)、实现数据录取记录的时标所表示的时刻与被录取设备数据发出时刻的时间误差在±1×10-4秒以内；
3)、由数据录取板上高精度本地晶振构成的振荡器经过分频能产生满足时间分辨率高于1×10-6要求的时钟信号，并通过一个晶振计数器为其计数；它每隔1秒被GPS授时板的秒脉冲信号前沿同步一次，晶振计数器清零；
4)、试验数据第一个字节到来时，记下晶振计数器的值，将上1秒GPS授时板传来的时间信息加1，再加上记录的晶振计数器值除以本地晶振频率的商，最后减去1个字节的串口传输延时，就得到了该试验数据的帧的准确时标；
5)、GPS的秒脉冲信号抗干扰措施，基于GPS的时间同步是靠每秒钟起始时刻发出的同步秒脉冲信号来保证，而GPS的秒脉冲信号只是用一根信号线来传送，由于GPS的秒脉冲信号在系统设计中作为中断源使用，在两次秒脉冲信号之间受到干扰影响的可能性很大，因此需正确识别秒脉冲信号以确保时间同步，为防止CPU的错误动作，根据秒脉冲信号总是位于前后2秒交界处的特点，采用秒脉冲软件抗干扰措施；
鉴别方法是将本地晶振的误差、相应中断服务程序执行的时间、PPS误差值的时间误差总和设为W，并设定一定容限，对于1×10-4的精度要求，可将W设为1×10-5，采用晶振计数器定时识别，其中PPS表示秒脉冲；当进入秒脉冲信号中断处理程序时，判断晶振计数器的值是否落在1±W秒内，如果是则校正本地时钟，晶振计数器清零，如果不是，则认为是干扰脉冲，继续计数；
6)、GPS的秒脉冲信号失效处理，数据录取过程中，录取控制板检测到GPS授时板在复杂电磁环境的数据录取中，会存在与GPS卫星不同步导致GPS的秒脉冲信号失效时，本地晶振时钟独立运行，可保持数分钟满足系统精度要求的试验数据录取，当重新捕获到GPS卫星信号后，可重新建立同步。
2.一种如权利要求1所述的高精度数据录取授时仪，其特征在于：系统硬件包括：GPS天线、GPS授时板、录取控制板、封装盒、供电电池、整流电源和通信电缆；GPS天线通过GPS授时板提供的秒脉冲信号连接录取控制板；录取控制板通过接口由通信电缆分别连接被录取设备和用户数据收集计算机，其供电由供电电池或整流电源供给。
3.根据权利要求2所述的高精度数据录取授时仪，其特征在于：录取控制板的逻辑结构包括：一个以上的录取控制板RS232接口、电平转换单元、本地时钟源、直流稳压电路、中央处理器和调试接口电路；
所述的录取控制板RS232接口连接被录取设备、用户数据收集计算机及封装的GPS授时板；
所述的电平转换单元转换秒脉冲信号为内部总线电压并触发中央处理器中断来校准录取控制板的本地时钟；
所述的本地时钟源为高精度的本地晶振电路，该本地晶振电路在为中央处理器提供主频的同时，也和中央处理器的计数器一起构成了录取控制板的本地时钟；
所述的直流稳压电路为录取控制板和GPS授时板提供直流稳压源。
4.根据权利要求2或3所述的高精度数据录取授时仪，其特征在于：录取控制板的电路具有：
GPS授时板通过GPS天线提供的秒脉冲信号，通过IC6缓冲驱动器74HC244的电平转换单元后，接入IC2中央处理器MB90F591A的INT0口产生中断；转换PPS信号为内部总线电压并输出，同时连接芯片通信信号和电源以及LED指示灯，当录取控制板通电时，LED灯点亮，有数据通信时，LED灯闪烁；
串口时间信息通过PPS接口连接到录取控制板的IC2中央处理器MB90F591A的1PPS端，中央处理器MB90F591A外接4M晶振、内部机器频率16MHz、最小指令执行时间62.5ns；
IC2中央处理器MB90F591A的串行接口com0收、发端口分别为SIN0和SOUT0，在接口J8和IC2之间通过IC3串行接口芯片MAX232进行电平转换和信号驱动，完成串行接口com0口的通信功能；J8是串行接口com0的接口，连接被录取设备测试口，引脚2、3分别为串行接口com0收、发引脚，脚5接地，其中串行接口com0也可为烧写程序接口”；
IC2中央处理器MB90F591A的串行接口com1收、发端口分别为SIN1和SOUT1，在接口J4和IC2之间通过IC4串行接口芯片MAX232进行电平转换和信号驱动，完成串行接口com1口的通信功能；J4是串行接口com1的接口，连接GPS授时板；引脚2、5分别为串行接口com1收、发引脚，引脚3接入GPS授时板的秒脉冲信号，引脚4接地；
IC2中央处理器MB90F591A的串行接口com2收、发端口分别为SIN2和SOUT2，在J5和IC2之间通过IC5串行接口芯片MAX232进行电平转换和信号驱动，完成串行接口com2口的通信功能；J5是com2的接口，连接用户数据收集计算机；引脚2、3分别为串行接口com2收、发引脚，引脚5接地，通信电缆为三线制串行通信线缆；
GPS授时板的秒脉冲信号通过IC6芯片74HC244进行总线信号驱动并输入IC2中央处理器的INT0端口，产生中断信号；
IC2的芯片RST端由电容C12和电阻R14组成典型的上电复位电路，当电路板加电时，给IC2的芯片复位信号；
IC2的芯片端85接的是接地电阻R14，86端接的是接地电阻R15，85、86端为普通IO口，保持长低电平，是单片机软件需要这两个端口保持输入为“0”；IC2的芯片端1，连接串行接口com2的用户接收数据计算机的RTS请求发送信号；
电源由市电通过整流提供直流输出与12V直流电池供电，通过二极管D1、D2整流稳压，IC1直流电压转换模块PKF2111PI将外部12V直流输入转换为2路5V直流输出，通过接口J2给录取控制板供电，接口J3给GPS授时板供电。
5.根据权利要求2所述的高精度数据录取授时仪，其特征在于：主机盒采用铝合金压制盒，安装散热片，内装录取控制板和GPS授时板；主机盒的前面板上设置有开关(8)：KNX303，标识：工作/下载；指示灯(9)：直径3mm双色，带灯座，标识：指示灯；计算机接口(10)：DB9ZJ，标识：计算机；设备接口(11)：DB9ZJ，标识：设备接口；后面板上设置有电源口(12)：Y4M4，标识：电源；GPS数据输出口(14)：DB9ZJ，标识：GPS；天线接入口(13)：TNC-KF3，标识：天线；1PPS输出口(15)：BNC-KF3，标识：1PPS。
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