CN101871968B

CN101871968B - 可靠的时标脉冲测量方法及其测量装置

Info

Publication number: CN101871968B
Application number: CN2009100647148A
Authority: CN
Inventors: 贾小波; 吴淑琴; 游海港; 李军华
Original assignee: ZHENGZHOU VCOM TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ZHENGZHOU VCOM TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2029-04-24
Also published as: CN101871968A

Abstract

本发明公开了一种可靠的时标脉冲测量方法，它包括：①将精准时钟源10MHz频率信号、标准1PPS信号和待测的1PPS、1PPM、1PPH信号转化成脉冲信号；②对精准时钟源10MHz频率信号进行倍频得到100MHz频率信号，将该100MHz频率信号作为FPGA的工作频率；同时对标准的1PPS信号进行分频，分别得到1PPM参考信号和1PPH参考信号；③在100MHz的工作频率下，根据参考信号1PPS、1PPM、1PPH测量待测信号1PPS、1PPM、1PPH的精度。本发明采用现场可编程逻辑序列实现高速高效计数运算，实现了多路多组脉冲快速检测，并将检测结果发送给用户，具有性能稳定、便于维护的特点。

Description

可靠的时标脉冲测量方法及其测量装置

技术领域

本发明涉及一种可靠的时标脉冲同步性能测量方法，并涉及一种实施该方法所采用的测量装置。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，人们对精密时间及时间的准确度提出了越来越高的要求。电力系统、通信系统、交通系统等对时间同步的要求不断提高，时间同步得到了越来越广泛的重视和应用。

常用的时标同步信号主要有1PPS/1PPM/1PPH/1PPX等脉冲信号。这些信号作为时间标准接入到需要时间同步的终端设备中。为保证大型系统时间同步网的正确运行，需要对时标脉冲信号进行检测，确保时钟同步设备的工作正确性。

目前，实际中时标脉冲的检测存在较多问题，如可检测的接口数目和电平有限，对常用的空接点信号无能为力；滤波不理想或者无滤波，无法排除线路干扰造成的异常假象；多或者缺脉冲无相应检测方法检测出来，造成测量设备不可靠。

发明内容

本发明的目的是提供一种保证时间同步系统同步性能、提高时间系统运行质量的可靠的时标脉冲检测方法，并提供一种实施该方法所采用的可靠的时标脉冲测量装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种可靠的时标脉冲测量方法，它包括：

①将精准时钟源10MHZ频率信号、标准1PPS信号和待测的1PPS、1PPM、1PPH信号转化成脉冲信号；

②对精准时钟源10MHZ频率信号进行倍频得到100MHZ频率信号，将该100MHZ频率信号作为FPGA的工作频率；同时对标准的1PPS信号进行分频，分别得到1PPM参考信号和1PPH参考信号；

③在100MHZ的工作频率下，根据参考信号1PPS、1PPM、1PPH测量待测信号1PPS、1PPM、1PPH的精度。

上述的标准1PPS信号来自于外部钟源。

更具体地说，将转化为脉冲信号的待测1PPS、1PPM、1PPH信号进行滤波后，再根据参考信号1PPS、1PPM、1PPH进行精度测量。

其中，对待测1PPS、1PPM、1PPH脉冲信号进行软件滤波，其滤波步骤包括：

i、待滤波信号高电平到来，高电平计数器在100MHz频率下计数，如计数值达到有效脉宽门限，高电平计数器计数停止，开始输出高电平，低电平计数器计数值清零；

ii、待滤波信号低电平到来，低电平计数器在100MHz频率下计数，如计数值达到有效脉宽门限，低电平计数器计数停止，开始输出低电平，高电平计数器计数值清零。

上述的步骤③包括：

i、参考信号到来时置开门量，计数开始；

ii、等待待测信号到来；

iii、待测信号到来置关门量，计数转发，内部计数器不清零，继续计数；循环步骤iii直到下周期参考信号到来；

iv、参考信号到来，内部计数清零，回到步骤i。

一种采用上述方法的可靠的时标脉冲测量装置，包括：

外部接口单元，其与中间处理单元相连接，为精准时钟源10MHZ频率信号、标准1PPS信号和待测的1PPS、1PPM、1PPH信号提供通信接口；

中间处理单元，其与外部接口单元相连接，接收来自外部接口单元的信号，并将精准时钟源10MHZ频率信号、标准1PPS信号和待测的1PPS、1PPM、1PPH信号转化成为方便FPGA处理的脉冲形式；

频率锁相单元，其输入端与中间处理单元相连接，其输出端与脉冲计数单元相连接；所述的频率锁相单元对精准时钟源10MHZ频率信号进行锁相倍频得到100MHZ频率信号；

脉冲发生单元，其输入端与中间处理单元相连接，其输出端与脉冲计数单元相连接；所述的脉冲发生单元对外部的标准1PPS信号进行分频，分别得到1PPM参考信号和1PPH参考信号；

脉冲计数单元，其输入端分别与中间处理单元、频率锁相单元和脉冲发生单元相连接，根据接收来的参考信号1PPS、1PPM、1PPH测量待测信号1PPS、1PPM、1PPH的精度，得出计数结果；

通信控制单元，其输入端连接脉冲计数单元，其输出端连接中间处理单元；所述的通信控制单元接收来自于脉冲计数单元的计数结果，并把计数结果发送至中间处理单元。

其中，脉冲发生单元包括60分频计数器和3600分频计数器，60分频计数器和3600分频计数器均与各自的通断开关相连接；所述的脉冲发生单元接收来自外部的标准1PPS信号和同步信号，得到1PPM参考信号和1PPH参考信号。

脉冲计数单元包括三个计数通道；所述的每个计数通道中均包括两个同步模块，其中同步模块I的输入端接入参考信号和100MHZ频率信号，其输出端输出开门信号；同步模块II的输入端接入待测信号和100MHZ频率信号，其输出端输出关门信号；所述的开门信号和关门信号与连接至脉冲计数模块，由脉冲计数模块输出计数结果。

其中，中间处理单元、通信控制单元的输出端均与智能同步单元相连接；智能同步单元接收来自中间处理单元输出的时基信号和通信控制单元输出的时间信号，生成同步信号输出至脉冲发生单元。

上述中间处理单元的输出端还与滤波单元相连接，所述的滤波单元将待测的1PPS、1PPM、1PPH信号送入脉冲计数单元中。

采用上述技术方案的本发明，采用现场可编程逻辑序列实现高速高效计数运算，实现了多路多组脉冲快速检测，并将检测结果发送给用户，具有性能稳定、便于维护的特点：第一，本发明可检测TTL以及空节点两种电平形式，特别是对空接点信号接入以后，内部经过快速光隔和逻辑电路，恢复为数字信号进行测量，弥补了计数器等测量仪器只可输入TTL电平信号的不足，增加了使用的范围，且操作方便安全。第二，本发明可根据标准1PPS信号生成需要的参考信号，如根据标准1PPS信号生成参考1PPM与1PPH信号，提供测量标准；而一般计数器需要用户提供标准1PPM或者1PPH信号时，用户较难从时钟源上获得。第三，本发明具有软件滤除毛刺功能，可以根据需要设定滤波的脉冲宽度，较为灵活的解决了空接点信号测试中的毛刺问题。第四，本发明对脉冲计数的处理方法，可以保证多脉冲或者缺脉冲的情况下，设备都能检测出来并在数据中反映出来，弥补了常用测量设备的不足，使测量结果更加准确可信。第五，本发明可同时进行三组或更多信号同时测量。如果换成计数器则需要九台以上，从而本发明节省了大量测量资源。综上，本发明大大提高了资源利用效率，实施简单，并且可以为各类时间系统的主时钟和扩展时钟装置提供测量功能，满足各类系统时钟的检测要求，保证时间同步系统的时间统一，提高系统运行的质量和可靠性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明对待测信号进行滤波的流程图；

图3为本发明对待测信号进行滤波前后的效果对比图；

图4为本发明脉冲计数单元的正常工作情况下的流程图；

图5为本发明脉冲计数单元在少脉冲情况下的处理流程图；

图6为本发明脉冲计数单元在多脉冲情况下的处理流程图；

图7为本发明中脉冲发生单元的结构原理框图；

图8为本发明中脉冲计数单元的结构原理框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所指的可靠的时标脉冲测量方法包括以下步骤：

①将精准时钟源10MHZ频率信号、标准1PPS信号和待测的1PPS、1PPM、1PPH信号转化成脉冲信号。在本发明中，标准的1PPS信号来自于外部的钟源，如铷钟、铯钟等等，因此能保证其高度的可靠性和精准性。

②对精准时钟源10MHZ频率信号进行倍频得到100MHZ频率信号，将该100MHZ频率信号作为FPGA的工作频率；同时对标准的1PPS信号进行60分频得到1PPM参考信号，对标准1PPS信号进行3600分频得到1PPH参考信号。考虑到信号接入、线路传输、信号处理以及环境干扰等会造成信号产生毛刺。这些毛刺持续时间短，无规律，一般会造成测量仪器的触发，测量仪器会误以为实际有效脉冲到来而触发计数完成，输出错误数据，分析这些数据时也很难确认实际信号是否发生了严重错误。本发明根据实际测量中发现的脉冲毛刺情况，将转化为脉冲信号的待测1PPS、1PPM、1PPH信号进行滤波后，再根据参考信号1PPS、1PPM、1PPH进行精度测量。在本发明中，对待测1PPS、1PPM、1PPH脉冲信号进行软件滤波，如图2所示，其滤波步骤包括：

i、对信号电平进行检测，待滤波信号高电平到来，高电平计数器在100MHz频率下计数，如计数值达到有效脉宽门限，高电平计数器计数停止，开始输出高电平，低电平计数器计数值清零；如计数值未达到有效脉宽门限，则高电平计数值加1；

ii、待滤波信号低电平到来，低电平计数器在100MHz频率下计数，如计数值达到有效脉宽门限，低电平计数器计数停止，开始输出低电平，高电平计数器计数值清零；如计数值未达到有效脉宽门限，则低电平计数值加1。

经过软件滤波后，其效果如图3所示，从图中可清晰看出，滤波后1PPS信号的短时间毛刺信号已完全滤除，这样测量时即不再误触发造成无端的错误数据。

③在100MHZ的工作频率下，根据参考信号1PPS、1PPM、1PPH测量待测信号1PPS、1PPM、1PPH的精度，在本发明中，将经同步后的参考信号作为开门信号，将经同步后的待测信号作为关门量，在脉冲正常的情况下，其步骤包括：

i、参考信号到来时置开门量，计数开始；

ii、等待待测信号到来；

iv、参考信号到来，内部计数清零，回到步骤i。

这样，按照上面步骤进行处理，多脉冲时能循环执行步骤iii一个周期内得到越来越大的多个计数值。缺脉冲时会停留在步骤ii等待，直到下周期待测信号脉冲到来才往下执行，则计数值会缺失一个周期，且下一周期计数值大于其周期，使用者可以明显发现此处缺脉冲。脉冲计数单元得到计数结果后，通过通信控制单元即可转发给数据接收终端，用户就可以进行测量结果的分析了。

具体地说，在待测信号正常的情况下，如图4所示，首先进行开关门检测并判断开门信号是否到来。当开门信号到来时，若已有效关门，计数值清零且关门标志清零；若关门无效，计数值加1。当关门信号到来时，若已有效关门，则计数值输出并置多脉冲标志；若关门无效，则计数值输出，置关门标志。当开门信号和关门信号均未到来时，计数值加1。

如图5所示，在待测信号存在少脉冲的情况下，执行如下处理直至关门信号到来：首先进行开关门检测并判断开门信号是否到来。当开门信号到来时，若关门无效则计数值加1；当开门信号和关门信号均未到来时，计数值也加1。在该循环过程中，计数值逐渐增加而不会清零，所以，等到关门信号到来时计数值会非常大，超过参考信号的一个周期T。如果计数结果出现了超过周期T的数据，可以判定有了缺脉冲的情况。

如图6所示，在待测信号存在多脉冲的情况下，执行如下处理直至下周期开门信号到来：首先进行开关门检测并判断开门信号是否到来。当关门信号到来时，若已有效关门则计数值输出并置多脉冲标志，若关门无效则计数值输出并置关门标志；当开门信号和关门信号均未到来时，计数值加1。也就是说，在开门信号没有到来之前，一个周期内有多个关门信号，每次关门信号到来之后，都会有计数值输出。第一个关门信号到来后，置了关门标志，计数值并没有清零而是继续累加，所以第二个计数输出值会比第一个大。以此类推，后边关门信号得到计数值会越来越大。通过计数值异常加上一个周期内输出较多计数值判断，有多脉冲出现。

采用上述方法的可靠的时标脉冲测量装置，由外部接口单元、中间处理单元、频率锁相单元、脉冲发生单元、智能同步单元、通信控制单元、滤波单元与脉冲计数单元等八个模块组成。本发明通过利用本地标准钟源提供的同步脉冲基准，测量待测脉冲，计算两者时差以后输出给用户，其原理如图1所示：

外部接口单元，其与中间处理单元相连接，从而进行数据的双向传递，它为精准时钟源10MHZ频率信号、标准1PPS信号和待测的1PPS、1PPM、1PPH信号、外频标、数据收发通信提供通信接口，并为用户提供工作状态指示、复位键、时间同步键等。外部接口单元将外部信息传送到中间处理单元，同时接收中间处理单元数据发出。

中间处理单元，其与外部接口单元相连接，接收来自外部接口单元的信号，并将精准时钟源10MHZ频率信号、标准1PPS信号和待测的1PPS、1PPM、1PPH信号转化成为方便FPGA处理的脉冲形式，送给后端滤波单元、频率锁相单元、脉冲发生单元、智能同步单元和通信控制单元，同时接收来自通信控制单元的计数结果数据。

滤波单元，所述中间处理单元的输出端还与滤波单元相连接，滤波单元功能接收中间处理单元的待测信号，滤除待测信号毛刺，避免可预见的毛刺信号，然后将滤波后信号送至脉冲计数单元。

频率锁相单元，其输入端与中间处理单元相连接，其输出端与脉冲计数单元相连接；频率锁相单元对精准时钟源10MHZ频率信号进行锁相倍频得到100MHZ频率信号。

脉冲发生单元，如图7所示，其输入端与中间处理单元和智能同步单元相连接，其输出端与脉冲计数单元相连接。脉冲发生单元包括60分频计数器和3600分频计数器，60分频计数器和3600分频计数器均与各自的通断开关相连接。智能同步单元输出的整分标志连接至60分频计数器中，60分频计数器同时根据标准1PPS信号分频得到1PPM参考信号；智能同步单元输出的整时标志连接至3600分频计数器中，3600分频计数器同时根据标准1PPS信号分频得到1PPH参考信号。

智能同步单元，中间处理单元、通信控制单元的输出端均与智能同步单元相连接。智能同步单元接收来自中间处理单元输出的时基信号和通信控制单元输出的时间信号，生成同步信号输出至脉冲发生单元。智能同步单元接收来自通信控制单元或者用户的时基信息，提供时、分同步信息送至脉冲发生单元。

脉冲计数单元，如图8所示，其输入端分别与中间处理单元、频率锁相单元和脉冲发生单元相连接，根据接收来的参考信号1PPS、1PPM、1PPH测量待测信号1PPS、1PPM、1PPH的精度，得出计数结果。脉冲计数单元包括三个计数通道；每个计数通道中均包括两个同步模块，其中同步模块I的输入端接入1PPS参考信号和100MHZ频率信号，其输出端输出开门信号；同步模块II的输入端接入1PPS待测信号和100MHZ频率信号，其输出端输出关门信号；上述的开门信号和关门信号与连接至脉冲计数模块，由脉冲计数模块输出计数结果。1PPM和1PPH信号的计数原理与1PPS信号的原理相同。

通信控制单元，其输入端连接脉冲计数单元，其输出端连接中间处理单元。通信控制单元负责将外部同步数据导入发至智能同步单元，同时将脉冲计数单元计数结果转发至中间处理单元。

本发明的工作原理是：

外部接口单元与中间处理单元进行数据的双向传递。外部接口单元提供信号输入输出的接口，根据不同的输入输出信号类型进行选择接口类型进行输入或输出。中间处理单元则接收到外部接口单元数据后对信号进行整形、除噪、电平转换等，使信号成为FPGA所能识别的稳定的数字信号；中间处理单元同时将通信控制单元发出信号进行电平转换后发往外部接口。

用户通过外部接口单元选择内外频标和输入精准时钟源10MHz频率信号。内频标为测量装置内部配置10MHz频率时钟所提供，外频标为外部时钟源提供10MHz频率信号。被用户选择的10MHz频率信号送入频率锁相单元，进行锁相倍频得到100MHz频率信号作为FPGA工作频率。这样本装置测量精度由原来的100ns可提高至10ns。

脉冲发生单元对输入的标准1PPS信号根据需要进行60分频与3600分频，分别得到1PPM参考信号与1PPH参考信号。如我们需要测试PP2S信号，我们一样可以对标准信号2分频。对标准1PPS信号分频时，要生成信号时间起点，即我们需要根据智能同步单元产生的1PPM与1PPH同步信号作为分频的起始点。这样就能保证生成参考信号的相位正确性。

智能控制单元具有一定的选择性。它可以接收来自用户前面板操作产生的时基信号，触发产生时间同步信号；也可以接收来自外部通信接口接入经过通信控制单元处理后得到的时基信号触发得到时间同步信号。前者操作便捷，不需要时钟元等提供时间信息。后者较为精确，能准确确提供时基信号。

滤波单元对输入脉冲，特别是空接点信号具有滤除毛刺的功能。由于信号接入、线路传输、信号处理以及环境干扰等造成信号产生毛刺。这些毛刺持续时间短，无规律，一般会造成测量仪器的触发，测量仪器会误以为实际有效脉冲到来而触发计数完成，输出错误数据。分析这些数据时也很难确认实际信号是否发生了严重错误。

本装置考虑到此问题，可以根据实际测量中发现的脉冲毛刺情况，利用软件程序对短时间，譬如100ns的毛刺信号进行滤除，这样测量时即不再误触发造成无端的错误数据。

最后，脉冲计数单元根据参考信号检测待测1PPS/1PPM/1PPH信号的同步性能。

Claims

1.一种可靠的时标脉冲测量方法，其特征在于，它包括：

2.根据权利要求1所述的可靠的时标脉冲测量方法，其特征在于：所述的标准1PPS信号来自于外部钟源。

3.根据权利要求1所述的可靠的时标脉冲测量方法，其特征在于：将转化为脉冲信号的待测1PPS、1PPM、1PPH信号进行滤波后，再根据参考信号1PPS、1PPM、1PPH进行精度测量。

4.根据权利要求3所述的可靠的时标脉冲测量方法，其特征在于：对待测1PPS、1PPM、1PPH脉冲信号进行软件滤波，其滤波步骤包括：

5.根据权利要求1所述的可靠的时标脉冲测量方法，其特征在于：所述的步骤③包括：

i、参考信号到来时置开门信号，计数开始；

ii、等待待测信号到来；

iii、待测信号到来置关门信号，计数转发，内部计数器不清零，继续计数；循环步骤iii直到下周期参考信号到来；

iv、参考信号到来，内部计数器清零，回到步骤i。

6.一种采用权利要求1所述方法的可靠的时标脉冲测量装置，其特征在于，它包括：

7.根据权利要求6所述的可靠的时标脉冲测量装置，其特征在于：脉冲发生单元包括60分频计数器和3600分频计数器，所述的60分频计数器和3600分频计数器均与各自的通断开关相连接；所述的脉冲发生单元接收来自外部的标准1PPS信号和同步信号，得到1PPM参考信号和1PPH参考信号。

8.根据权利要求6所述的可靠的时标脉冲测量装置，其特征在于：脉冲计数单元包括三个计数通道；每个计数通道中均包括两个同步模块，其中同步模块I的输入端接入参考信号和100MHZ频率信号，其输出端输出开门信号；同步模块II的输入端接入待测信号和100MHZ频率信号，其输出端输出关门信号；所述的开门信号和关门信号连接至脉冲计数模块，由脉冲计数模块输出计数结果。

9.根据权利要求6或7或8所述的可靠的时标脉冲测量装置，其特征在于：中间处理单元、通信控制单元的输出端均与智能同步单元相连接；所述的智能同步单元接收中间处理单元输出的时基信号和通信控制单元输出的时间信号，生成同步信号输出至脉冲发生单元。

10.根据权利要求9所述的可靠的时标脉冲测量装置，其特征在于：所述中间处理单元的输出端还与滤波单元相连接，所述的滤波单元将待测的1PPS、1PPM、1PPH信号送入脉冲计数单元中。