CN101692106A - 一种时间频率测试仪 - Google Patents

Abstract

一种时间频率测试仪，包括GPS卫星接收器和内置守时模块的测量模块、显示模块，设有授时型北斗卫星接收器；测量模块还包括FPGA、与其连接的ARM系列单片机；FPGA至少有三个分别对授时型北斗卫星接收器、GPS卫星接收器、ARM系列单片机进行数据交换及访问的串口的时间模块。设计科学，结构合理，是为电力系统专业设计的专门测量仪器，能适应电力系统广泛应用的IRIG-B时间信号以及数字化变电站需要的网络时间信号NTP/SNTP的测量，并且测量信号的电气类型可以是有源、无源、差分，还可以测量测控和继保设备的时间特性。采用锂电池作为备用直流电源，在驯服本地频率标准后可以在不接入卫星信号的情况下精确测量。

Description

一种时间频率测试仪

技术领域

本发明涉及电力系统时间同步测量设备，尤其是涉及一种时间频率测试仪。

背景技术

为了逐步实现全电网的统一时间(事件)顺序记录(Sequence OfEvent，简称SOE)、故障录波、实时数据采集时间一致性，确保线路故障测距、相量和功角动态监测、机组和电网参数校验的准确性，提高电网事故分析和稳定控制的应用水平，提高电网效率和可靠性，有必要在发电厂、变电站、控制中心、调度中心建立集中和统一的电力系统时间同步系统。各地110KV、220KV、330KV、500KV以及750KV变电站需要配置GPS时间同步系统设备用于同步时间。现有测量电力系统时间同步设备的测量仪器主要有FPC便携式GPS卫星时间校验仪，其缺点是采用GPS作为授时时间源，单纯依赖美国的GPS卫星，没有接收本国的北斗卫星时间信号作为授时时间源，或冗余时间源，且不是为电力系统专业设计的专门测量仪器，不适应信号复杂、组合信号种类比较多的电力系统的需求，特别是不能适应电力系统广泛应用的IRIG-B格式时间码(简称B码)以及数字化变电站需要的网络时间信号NTP/SNTP的测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术存在的缺陷，提出一种时间频率测试仪。

本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决。

这种时间频率测试仪，包括GPS卫星接收器和内置守时模块的测量模块、显示模块。

这种时间频率测试仪的特点是：

设有授时型北斗卫星接收器。增加授时型北斗卫星接收器，可以在卫星基准上不完全依赖GPS卫星，同时选用本国自主的北斗卫星作为时间基准。

所述测量模块还包括现场可编程门阵列(Field ProgrammableGate Array，简称FPGA)、与FPGA连接的ARM系列单片机。

所述FPGA包括ALTERA公司的的CYCLONE-II系列的EP2C8，至少有三个分别对授时型北斗卫星接收器、GPS卫星接收器、ARM系列单片机进行数据交换及访问的串口的时间模块。

本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。

所述GPS卫星接收器包括美国TRIMBLE公司的Resolution-T接收板。

所述授时型北斗卫星接收器包括中国航天恒星公司的无源北斗接收板。

所述授时型北斗卫星接收器包括依次连接的变频电路、基带处理电路、信息解算提取电路和输出电路。所述北斗卫星接收器通过外接天线接收北斗卫星信号，将接收到的北斗卫星信号通过变频电路、基带处理电路、信息解算提取输出电路输出秒脉冲和串口形式的同步于UTC的时间信息，送入测量模块进行处理。

所述测量模块的ARM系列单片机包括主测量CPU、从测量CPU1和从测量CPU2。

所述主测量CPU包括LPC2214单片机或LPC2294单片机；所述从测量CPU1是LM3S16××单片机；所述从测量CPU2是LM3S69××单片机。

所述测量模块的守时模块是恒温晶体振荡器(Oven controlledCrystal Oscillators，简称OCXO)。

所述测量模块的守时模块是铷钟即铷原子振荡器。所述铷钟是更高级的守时模块，属于选配件。

所述显示模块包括显示CPU、显示器、按键，以及至少两个与其它模块进行通讯的串口。

所述显示CPU是LM3S6965单片机或LM3S6911单片机。

所述显示器是LCD显示器。

所述按键是至少有19键的按键，包括左、右、上、下、确认键、数字键、返回键、时间键、状态键、清除键。

所述串口是分别提供发送命令和接收应答控制流、对其它模块进行数据交换及访问数据流的串口。

还设有备用直流电源。

所述备用直流电源是锂电池。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明设计科学，结构合理，是为电力系统专业设计的专门测量仪器，能适应电力系统广泛应用的IRIG-B时间信号以及数字化变电站需要的网络时间信号NTP/SNTP的测量，并且测量信号的电气类型可以是有源、无源、差分，还可以测量测控和继保设备的时间特性。采用锂电池作为备用直流电源，在驯服本地频率标准后可以在不接入卫星信号的情况下精确测量。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的组成方框图；

图2是图1的测量模块的基本组成方框图；

图3是图1的显示模块的基本组成方框图。

具体实施方式

下面对照附图并结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

如图1所示的GCT2000双星型高精度时间频率测试仪，采用模块化设计，包括授时型北斗卫星接收器、GPS卫星接收器和内置OCXO、铷原子振荡器的测量模块、显示模块、作为备用直流电源的锂电池。授时型北斗卫星接收器包括依次连接的变频电路、基带处理电路、信息解算提取电路和输出电路。北斗卫星接收器通过外接天线接收北斗卫星信号，将接收到的北斗卫星信号通过变频电路、基带处理电路、信息解算提取输出电路输出秒脉冲和串口形式的同步于UTC的时间信息，送入测量模块进行处理。

如图2所示的测量模块为测量任务执行中心，还包括作为信号处理枢纽的ALTERA的CYCLONE-II系列的EP2C8型FPGA、与FPGA连接的ARM系列单片机，FPGA有三个分别对GPS卫星接收器、授时型北斗卫星接收器、ARM系列单片机进行数据交换及访问的串口的时间模块。时间模块中所有的设置参数、时间信息、状态信息都由串口通讯实现。输入通道采用凌里尔特公司的1097和1016，D/A采用ADI公司的5312，以上核心部件构建出阻抗匹配，信号衰减，AGC调整，稳地电路。SPI DAC采用德州公司的DAC1220，DAC1220和华伟电子公司的OCXO-3247构成频标及其控制电路。铷钟选用symmetricom公司的X-72作为装置的客户可选守时模块。RJ45为网络接口，从CPU2通过RJ45接口获得NTP/SNTP时间报文。

FPGA执行外部输入信号处理、相位鉴别程序对外部输入信号进行处理，包括执行高精度的时间间隔计算、IRIG-B码的编解码、码型、控制位信息以及实时性高的逻辑、时序处理，并将获得的各种信号的相位差以及时间信息提供供主测量CPU进行处理，其输入通道采用模拟技术对信号进行阻抗匹配，信号衰减，AGC调整，稳地技术等处理使之适用各种电气类型信号输入，实现多种时间信号类型以及电气类型的万能通道，如可输入TTL、差分、有源信号(2-220V)、空接点等各种信号电气类型。FPGA采用延迟线，可以实现高分辨的鉴相器。

ARM系列单片机包括主测量CPU-LPC2214单片机、从测量CPU1-LM3S1601单片机和从测量CPU2-LM3S6950单片机。

主测量CPU执行测量数据计算、测量命令和结果的传送，与显示模块数据交互，一方面执行显示模块传来的测量命令，一方面执行测量任务，运算以及将测量结果送到显示模块显示。同时它与FPGA交互，将FPGA执行的结果读回并且运算；从测量CPU1执行为整个系统的提供统一的时间报文、提供同步的PPS、提供时间源和频率源；从测量CPU2执行NTP网络报文测量功能，它通过和被测设备的网络连接执行NTP报文解析任务，并且执行测试运算以及传送测量结果。

从测量CPU1从内置授时型北斗卫星接收器和GPS卫星接收器获得北斗卫星和GPS卫星的时间信息，实现北斗卫星时间信号和GPS时间源的冗余；采用比例积分(proportional，integral，简称PI)算法驯服OCXO或铷钟，使OCXO或铷钟的振荡频率与UTC同步，作为本地高精度的频率标准；同时提供锁相环的状态和串口调试输出。采用锂电池作为备用直流电源，在驯服本地频率标准后可以在不接入卫星信号的情况下精确测量。

从测量CPU2执行NTP报文解析程序，并与FPGA交互获得相位差信息，以执行测量NTP的任务，可以实现基于包交换的时间信号测量。

上述FPGA、主测量CPU、从测量CPU1和从测量CPU2通过内部编写的程序测量脉冲、IRIG-B(DC)、IRIG-B(AC)、NTP的时间信号，可以满足信号复杂、组合信号种类比较多的电力系统的测量需求。

如图3所示的显示模块为人机界面的主要部分，包括显示CPU-LM3S6965单片机、信利公司的CMS1N4507型LCD显示器、19键的按键，以及两个与其它模块进行通讯的串口。LCD显示器可以显示其它模块送入的各种信息，包括系统时间、系统状态、测量结果、测量参数、系统参数，通过汉字、英文字母及图标，还可以显示各IO模板的测量结果、测试条件、串口时间报文，以及各个模块的工作情况、各个模块运行调度情况。用户可以通过19键的按键和LCD显示器设置测量任务，了解系统运行状态。两个与其它模块进行通讯的串口是分别提供发送命令和接收应答控制流、对其它模块进行数据交换及访问数据流的串口，显示模块中所有的访问、控制、自检、显示、设置参数、测量结果都由串口通讯实现。

显示系统时间，可以方便用户查询精准的时间、设置测试参数和测量数据；

显示系统状态，可以方便用户观测各种时间源状态、工作状态、通道补偿值和故障列表信息；

显示测量结果，可以方便用户监测输入信号质量好坏，判断输入信号的与标准信号源之间的差值；

显示测量参数，可以方便用户根据实际测量信号；

显示系统参数，可以方便用户根据不同地点设置授时型北斗卫星接收器的工作参数以及从测量CPU2的IP地址等系统参数。

19键的按键可以方便用户与系统之间人机交互进行参数设置、控制、测量、显示操作，包括左、右、上、下、确认键、数字键、返回键、时间键、状态键、清除键，其中左、右键是设置测试时间、IP地址和经度、纬度、海拔参数；上键是向上翻页或选择菜单选项向上移动行；下键是向下翻页或选择菜单选项向下跳动一行；确认键是选中某个菜单选项；返回键是返回到上级菜单中；时间键是显示时间界面；状态键是用户查看系统状态的快捷键；清除键在测量界面时按下是显示提示信息，在其它界面时按下是显示时间，相当于初始化FPGA的命令。所述参数设置包括开机密码设置，当输入密码不正确时，系统将不工作，直到输入密码正确时，才能启动系统进行操作，以确保数据的安全性与保密性、资源的独享性和用户的单一性。

GCT2000双星型高精度时间频率测试仪的测试工作过程如下：

输入信号从测量模块的输入通道进入测量模块，测量模块的主测量CPU-LPC2214通过FPGA的串口通道从显示模块获得要测量的时间信号类型和电气类型，然后根据不同的信号类型和电气类型驱动输入通道电路切换到相应的阻抗匹配电路。再进行阻抗匹配、信号衰减、AGC调整、稳地技术等处理，将标准的LVTTL信号输入到FPGA准备做预处理，同时主测量CPU-LPC2214根据需要测量的信号通过SPI总线以及ADI的AD5312设定输入通道的电压阀值，使之适用各种电气类型信号输入，实现多种时间信号类型以及电气类型的万能通道，准确变换成标准的LVTTL输入到FPGA。

GPS卫星接收器、授时型北斗卫星接收器分别从GPS卫星信号和北斗卫星信号接收同步于UTC时间的1PPS和串口信息，送至FPGA串口通道，然后从串口通道送至测量模块的从CPU1做报文解析，将北京时间报文送入到FPGA供从CPU2和主CPU获取。主CPU从FPGA获得北京时间送至显示模块显示系统时间，FPGA内部的高精密鉴相器将1PPS与OCXO分频产生的1PPS作相位比较得出相位差，再将相位差送入从CPU1执行PI算法，并通过SPI总线以及SPIDAC对OCXO做频率控制，使OCXO分频产生的1PPS同步于卫星的1PPS，且不会跳变短稳在-10量级，以作为整个系统的节拍。

FPGA根据主CPU的测量命令对输入通道的输入信号，分别按照脉冲、外部事件、IRIG-B码、频率信号处理。

如果是脉冲，就和系统的1PPS比较获得时间准确度，通过FPGA的PLL的100MHZ计数器获得脉冲的频率以及脉宽等测量值；

如果是外部事件，就记录下发生时刻；

如果是IRIG-B码，就解码提取秒头获取时间信息；

如果是频率信号，就用100MHZ计数器测定输入频率获得频率值；

然后，将这些测量值或时间信息送至主CPU进行运算，并将运算的测量结果送至显示模块显示。

此外，测量模块的从CPU2从RJ45网络接口直接获取NTP/SNTP时间报文按照NTP/SNTP报文格式解析，产生1PPS送至FPGA作相位比较获得时间准确度，并且将测量结果送至主CPU，再由主CPU送至显示模块显示。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，则应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims (10)

1.一种时间频率测试仪，包括GPS卫星接收器和内置守时模块的测量模块、显示模块，其特征在于：

设有授时型北斗卫星接收器；

所述测量模块还包括FPGA、与FPGA连接的ARM系列单片机；

所述FPGA至少有三个分别对授时型北斗卫星接收器、GPS卫星接收器、ARM系列单片机进行数据交换及访问的串口的时间模块。

2.根据权利要求1所述的时间频率测试仪，其特征在于：

所述授时型北斗卫星接收器包括依次连接的变频电路、基带处理电路、信息解算提取电路和输出电路。

3.根据权利要求1所述的时间频率测试仪，其特征在于：

所述测量模块的ARM系列单片机包括主测量CPU、从测量CPU1和从测量CPU2。

4.根据权利要求3所述的时间频率测试仪，其特征在于：

所述测量模块的守时模块是OCXO。

5.根据权利要求3所述的时间频率测试仪，其特征在于：

所述测量模块的守时模块是铷钟。

6.根据权利要求4或5所述的时间频率测试仪，其特征在于：

所述显示模块包括显示CPU、显示器、按键，以及至少两个与其它模块进行通讯的串口。

7.根据权利要求6所述的时间频率测试仪，其特征在于：

所述显示器是LCD显示器。

8.根据权利要求7所述的时间频率测试仪，其特征在于：

所述按键是至少有19键的按键，包括左、右、上、下、确认键、数字键、返回键、时间键、状态键、清除键。

9.根据权利要求8所述的时间频率测试仪，其特征在于：

所述串口是分别提供发送命令和接收应答控制流、对其它模块进行数据交换及访问数据流的串口。

10.根据权利要求9所述的时间频率测试仪，其特征在于：

还设有备用直流电源。

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