CN103117742A - Gps/北斗双模卫星时钟晶体振荡器驯服系统 - Google Patents

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Abstract

一种GPS/北斗双模卫星时钟晶体振荡器驯服系统，可用于电力、通信、铁路、航空等领域需要高精度时钟装置，包括有时钟源模块、单片微处理器、D/A转换器、恒温晶体振荡器、调频调相控制单元、相位超前滞后检测单元、跟踪/守时控制门、第一2分频电路和第二2分频电路、相位超前/滞后处理及分频单元、异或门等部分。本发明以GPS/北斗卫星时钟模块输出的1PPS秒脉冲为基准，通过微处理器及单元电路，对于恒温晶体振荡器进行驯服控制，对输出的脉冲进行分频、调频调相，使之输出与GPS或北斗卫星输出1PPS脉冲完全同步的标准秒脉冲，当GPS/北斗卫星失锁时，能够在相当长的时间输出的秒脉冲仍然保持原卫星锁定时的精度。

Description

GPS/北斗双模卫星时钟晶体振荡器驯服系统
技术领域
本发明涉及一种时钟晶体振荡器驯服系统，特别是涉及一种利用GPS卫星或北斗卫星所发出的标准时间信号对于晶体振荡器进行驯服控制的GPS/北斗双模卫星时钟晶体振荡器驯服系统，适用于电力、通信、铁路、航空等行业需要高精度时钟装置的部门。
背景技术
在电力、通信、铁路、航空等需要高精度时钟装置的部门中，人们对仪器测量的精度和同步性要求也越来越高，尤其是要求分布在不同区域的仪器能够实现同步采集，并且在相当长的时间内保证采样的同步性，因此对时钟系统的稳定性提出了非常高的要求。不仅要求每个仪器的时钟要稳定，而且各个仪器之间的时钟要求同步匹配。但是，目前市面上的晶振短时稳定性好，但长时间工作后存在较大的累计误差。此外，不同晶振之间即使是同一批生产的晶振，个体间也是有一定的差异的，应用在高精度的仪器中将会带来严重的累计误差。而高精度的晶振，价格昂贵，并且也同样存在累计误差。
卫星定位系统或北斗卫星定位系统能够提供远距离传输的高精度基准时间信号，具有高精度定位、授时和测速能力。GPS或北斗卫星发出的秒脉冲信号具有长期稳定性好的特点，但短期较差。
由于GPS为美国军方所开发，受到意识形态和政治因素的影响，用GPS时钟做为唯一时钟源对于时钟系统安全性和稳定性存在一定安全隐患。
北斗卫星导航系统为我们开辟了一条新途径。随着近几年我国“北斗一号”技术的成熟， GPS/北斗卫星时钟晶体振荡器服技术中，有文献提出根据GPS卫星的秒信号建立晶振的一元二次方程，以此为依据对晶振进行修正，此种方法需要事先对晶振进行大量测试，但由于晶体振荡器本身的离散性以及生产工艺上的差异，此方法不具备普遍性。有文献利用单片机读入GPS/北斗卫星的标准脉冲与晶振分频之后的相差，建立其数字锁相环，再根据锁相环的输出调整恒温晶振的控制电压，但文献并没有给出数字锁相环的具体设计方法；有文献将卫星接收器与短稳性能好的高稳晶振结合，构成数字锁相环，以卫星锁定后的频率作为直接数字频率合成器的参考，但文献中未能详细描述数字锁相环的设计和实现。别外，上述文献均未能实现GPS/北斗双模驯服晶体振荡器。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，针对晶体振荡器和GPS卫星或北斗卫星信号的特点，设计一种基于GPS/北斗双模卫星时钟晶体振荡器驯服系统，利用卫星所提供的标准秒脉冲信号，对于晶体振荡器进行驯服控制，使晶体振荡器经分频输出的秒信号与GPS卫星或北斗卫星的标准时间锁定，实现其同频同相输出。
本发明的技术解决方案是：这种基于GPS/北斗双模卫星时钟的晶体振荡器驯服系统，其特征在于，系统包括时钟源模块、单片微处理器、D/A转换器、恒温晶体振荡器、调频调相控制单元、相位超前滞后检测单元、跟踪/守时控制门、第一2分频电路和第二2分频电路、相位超前/滞后处理及分频单元、异或门等部分，上述系统中，时钟源模块中包括GPS模板，北斗卫星接收模板，时钟源选择单元。
模板输入与GPS天线相连，一条输出线与单片微处理器的RXD引脚相连，另一条输出线与时钟源选择单元相连。北斗卫星接收模板的输入线与北斗天线相连，一条输出线与单片微处理器的RXD2引脚相连，另一条输出线与钟源选择单元相连。
转换器与单片微理器的P23、P24、P25引脚相连，输出模拟电压与恒温晶体振荡器的控制电压引脚相连；恒温晶体振荡器输出分别与调频调相控制单元、相位超前/滞后处理及分频单元相连；相位超前/滞后处理及分频单元接收恒温晶体振荡器发出的高频脉冲并且与单片微处理器的P20、P21引脚相连，输出1PPS标准脉冲信号，并与第二2分频电路相连；跟踪/守时控制门的输入分别与单片微处理器的P21引脚相连和时钟源模块的输出相连，其输出与第一2分频电路相连；异或门的输入分别与第一2分频电路、第二2分频电路的输出相连，输出与单片微处理器的INT0引脚相连；调频调相控制单元的输入与恒温晶体振荡器和第二2分频电路的输出相连，其输出与单片微处理器的T0引脚相连；相位超前滞后检测单元的输入分别与第一2分频电路、第二2分频电路的输出相连，其输出与单片微处理器的P22引脚相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用北斗与GPS双时钟源设计，同时接收北斗和GPS卫星信号，采用先进的时间控制处理算法，实现双时间源智能切换，可确保系统时间同步的同时也可以实现GPS和北斗卫星同时失锁后在一段时间内保持失锁前的稳定度和准确度。
附图说明
附图1为本发明的电路原理框图。
附图2为时钟源模块内部方框图。
附图3为单片微处理器的程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图1和附图2，对本发明做进一步的详细说明。
在前述系统中，GPS模板1.1通过天线接收来自GPS卫星的国际标准的UTC时间信息，输出与UTC时间同步的1PPS秒脉冲及串行的UTC时间信息。北斗卫星接收模板1.2接收来自北斗卫星的UTC时间信息，输出与UTC时间同步的1PPS秒脉冲及串行的UTC时间信息。GPS模板和北斗卫星接收模板输出的串行UTC时间信息输出至单片微处理器2的RXD1和RXD2引脚，两模板输出的1PPS秒脉冲则与时钟选择单元1.3相连并由单片微处理器的P10，P11引脚进行控制，输出GPS或北斗输出的秒脉冲，并送至跟踪/守时控制门7。
跟踪/守时控制门7接收GPS或北斗卫星发过来的秒脉冲，并且由单片微处理器7的P21进行跟踪/守时控制，当P21=1时，跟踪/守时控制门7开放，系统处于跟踪状态，当P21=0时，跟踪/守时控制门7关闭，系统处于守时状态。跟踪/守时控制门7输出信号送到第一2分频电路8，经2分频后输出脉宽为1秒，周期为2秒的方波信号，分别送到调频调相控制单元5、相位超前滞后检测单元6和异或门11。调频调相控制单元5利用周期为2秒的方波对于恒温晶体振荡器4输出的高频信号进行控制并输入到单片微片理器2的T0和T1计数器进行调频计数和调相计数。
恒温晶体振荡器4输出的高频信号输入到相位超前/滞后处理及分频单元9中，相位超前/滞后处理及分频单元9利用单片微处理器2的P04进行相位滞后控制，利用异或门11输出的相位差信号进行相位超前控制，然后进行分频，最后得到周期为1秒1PPS标准秒脉冲的输出信号。具体操作方法是，当单片微处理器2检测到经分频得后的秒信号相位超前标准秒信号时，通过异或门11输出的相位差信号对于恒温晶体振荡器4输出秒信号进行延时操作。而当单片微处理器2检测到经分频得后的秒信号相位滞后标准秒信号时，对于经分频得后的秒信号进行扣除脉冲操作。
周期为1秒1PPS标准秒脉冲的输出信号和第一2分频电路8的输出送到异或门11输入端，其输出为两个秒信号之间的相位差，这一相位差信号送到单片微处理器的INT0引脚，作为测相计数器的开门控制信号。
下面结合附图3，对本发明中的单片微处理器的程序流程做详细说明。
单片微处理器2根据收到的GPS和北斗卫星串行UTC时间信息进行时钟源的选择和判断，选择GPS或北斗卫星输出的秒脉冲进行跟踪控制，当GPS和北斗卫星全部失锁时，则由P20由高电平转变为低电平，使系统进入守时状态。
单片微处理器2根据计数器T1所计数据，对于两个秒脉冲的相位进行判断，相位超前由异或门11输出的相位差信号直接控制，相位差滞后则由P20进行控制。
单片微处理器2根据计数器T0所计数据，对于恒温晶体振荡器4的输出频率进行测量，以10MHz频率为基准，当所测频率高于10MHz时，通过P23、P24、P25引脚控制D/A转换器提高恒温晶体振荡器4的输出频率；当所测频率低于10MHz时，通过P23、P24、P25引脚控制D/A转换器降低恒温晶体振荡器4的输出频率；等于10MHz时不调整；最终使恒温晶体振荡器4的输出频率锁定在10MHz上。
前述的恒温晶体振荡器4输出的高频信号频率为10MHz，其型号为OC50-VBAXBC-10MHz；相位超前/滞后处理及分频单元9的分频系数为10 7 ；单片微处理器2型号为宏晶STC单片机中的STC12C5A60S2，并工作于1T时钟模式；单片微处理器2的T0作为调频计数器，T1作为调相计数器。

Claims (10)

1.一种基于GPS/北斗双模卫星时钟的晶体振荡器驯服系统系统，其特征在于该系统包括时钟源模块（1）、单片微处理器（2）、D/A转换器（3）、恒温晶体振荡器（4）、调频调相控制单元（5）、相位超前滞后检测单元（6）、跟踪/守时控制门（7）、第一2分频电路（8）和第二2分频电路（10）、相位超前/滞后处理及分频单元（9）、异或门（11）部分，上述系统中，时钟源模块（1）中包括GPS模板（1.1）、北斗卫星接收模板（1.2）、时钟源选择单元（1.3）。
2.根据权利要求1所述基于GPS/北斗双模卫星时钟的晶体振荡器驯服系统系统，其特征在于系统中单片微处理器（2）为整个系统的控制核心，单片微处理器的RXD1、RXD2、P10、P11与时钟源模块（1）相连，P23、P24、P25与D/A转换器（3）相连，T0、T1与调频调相控制单元（5）相连，INT0与第一2分频电路（8）相连，P22与相位超前滞后检测单元（6）相连，INT1与相位超前/滞后处理及分频单元（9）、和异或门（11）相连，P20、P04与相位超前/滞后处理及分频单元（9）相连。
3.根据权利要求1所述基于GPS/北斗双模卫星时钟的晶体振荡器驯服系统系统，其特征在于系统中GPS模板（1.1）接收来自GPS卫星的国际标准的UTC时间信息，输出与UTC时间同步的1PPS秒脉冲及串行的UTC时间信息；
北斗卫星接收模板（1.2）接收来自北斗卫星的UTC时间信息，输出与UTC时间同步的1PPS秒脉冲及串行的UTC时间信息；
GPS模板和北斗卫星接收模板输出的串行UTC时间信息输出至单片微处理器（2）的RXD1和RXD2引脚，两模板输出的1PPS秒脉冲则与时钟选择单元（1.3）相连并由单片微处理器的P10，P11引脚进行控制，输出GPS或北斗输出的秒脉冲，并送至跟踪/守时控制门（7）。
4.根据权利要求1所述基于GPS/北斗双模卫星时钟的晶体振荡器驯服系统系统，其特征在于系统中，D/A转换器（3）与单片微理器（2）的P23、P24、P25引脚相连，接受单片微理器（2）的控制，输出模拟电压与恒温晶体振荡器（4）的控制电压引脚相连，对于恒温晶体振荡器（4）输出的频率进行控制。
5.根据权利要求1所述基于GPS/北斗双模卫星时钟的晶体振荡器驯服系统系统，其特征在于系统中，恒温晶体振荡器（4）输出分别与调频调相控制单元（5）、相位超前/滞后处理及分频单元（9）相连，将输出的高频信号送至上述单元。
6.根据权利要求1所述基于GPS/北斗双模卫星时钟的晶体振荡器驯服系统系统，其特征在于系统中，相位超前/滞后处理及分频单元（9）接收恒温晶体振荡器（4）发出的高频脉冲并且与单片微处理器（2）的P20、P21引脚相连，输出1PPS标准脉冲信号，作为整个系统的输出信号，并与第二2分频电路（10）相连。
7.根据权利要求1所述基于GPS/北斗双模卫星时钟的晶体振荡器驯服系统系统，其特征在于系统中，跟踪/守时控制门（7）的输入分别与单片微处理器（2）的P21引脚相连和时钟源模块（1）的输出相连，其输出与第一2分频电路（8）相连。
8.根据权利要求1所述基于GPS/北斗双模卫星时钟的晶体振荡器驯服系统系统，其特征在于系统中，异或门（11）的输入分别与第一2分频电路（8）、第二2分频电路（10）的输出相连，输出与单片微处理器（2）的INT0引脚相连，作为单片微处理器的相位差输入线，同时与相位超前/滞后处理及分频单元（9）相连，作为相位差超前控制线。
9.根据权利要求1所述基于GPS/北斗双模卫星时钟的晶体振荡器驯服系统系统，其特征在于系统中，调频调相控制单元（5）的输入与恒温晶体振荡器（4）和第二2分频电路（10）的输出相连，其输出与单片微处理器（2）的T0引脚相连，作为测频输入引脚。
10.根据权利要求1所述基于GPS/北斗双模卫星时钟的晶体振荡器驯服系统系统，其特征在于系统中，相位超前滞后检测单元（6）的输入分别与第一2分频电路（8）、第二2分频电路（10）的输出相连，其输出与单片微处理器2的P22引脚相连，作为测相输入引脚。
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