CN103546124A - 一种信号触发时刻值获取装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种信号触发时刻值获取装置，该装置采用具有长期稳定性的高精度GPS器件和短时间较稳定的低成本晶振，通过可编程逻辑器件对GPS器件输出的秒脉冲PPS进行细分，对晶振输出的频率值实时更新，从而得到触发信号到来时刻的秒内精确时间，同时对GPS器件输出的NMEA消息进行实时解析得到触发时刻相应的年月日、时分秒信息以及GPS器件的卫星定位状态，将得到的年月日、时分秒信息与触发信号到来时刻的秒内精确时间相结合即给出分布式场测试信号触发时刻的高精度的绝对时间值。本发明具有触发精度高、无需定期校准、成本低、响应速度快等优点，适用于场信号测试如声场、压力场、温度场等信号测试的分布式测试系统。

Description

一种信号触发时刻值获取装置

技术领域

本发明属于感知与测控技术领域，尤其涉及一种信号触发时刻值获取装置。

背景技术

分布式场信号测试系统需要记录系统各测点的状态及测试信号的到达时间，通过各测点获取的精确时间信息可以得到整个测试系统的测试结果。信号触发时获取的时间精度越高，越有利于场信号的综合分析、测试精度也就越高。

目前分布式场信号测试系统中高精度触发时间获取主要有两种方式：一种是将标准时间基准引入到分布式测试系统各测试节点，达到各测试节点间的绝对时间同步；另一种在分布式测试系统内使用同步算法，使各测试节点达到相对时间同步。但是该两种方式均存在一定缺陷：

标准时间基准引入指的是为每个测试节点配备含有绝对时钟的装置，如原子钟和GPS。原子钟的精度比GPS的精度要高的多，但成本高、体积大、常作为标定设备，目前尚无用于分布式测试的微型化产品，GPS在市场上使用广泛，已实现微型化和低成本，无需定期校准，使用方便。常见的低成本GPS器件能够提供长期较稳定的秒脉冲信号PPS，但是所能提供的时间分辨率有限。

分布式测试系统内使用同步算法，如无线传感器网络的网络时间同步算法，使各测试节点的本地时间稳定到相对同步的时间轴上，但时间同步算法较复杂，同步精度最高可达几us，对于传播速度较快的场信号，测试精度会受到影响。随着现代测控技术对时间的精度要求不断提高，系统也日趋复杂，高精度的场信号触发时刻值获取就显得越来越重要。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种信号触发时刻值获取装置，采用低成本且具有长期稳定性的高精度GPS器件和短时间较稳定的低成本晶振，通过可编程逻辑器件对GPS器件输出的秒脉冲PPS进行细分、对晶振输出的频率值实时更新、对GPS器件输出的NMEA消息（GPS接收机输出的标准信息，有几种不同的格式，如$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等，每种都是独立相关的ASCII格式，逗点隔开数据流，数据流长度从30-100字符不等，以每秒间隔输出）进行实时解析以及在场信号触发特征点处对时间的锁存及处理，为分布式场信号测试节点在信号触发时刻提供高精度的绝对时间值。本发明能实现ns级的触发时间精度。

本发明的信号触发时刻值获取装置包括：场信号测试用传感器输入接口、可编程逻辑器件、晶振、GPS器件以及电源器件；

所述场信号测试用传感器输入接口与所述可编程逻辑器件相连，用于输入各种场信号（适用于数字输入信号，模拟输入信号需经过A/D等转换电路转换为数字信号）；

所述可编程逻辑器件，用于判定所述各种场信号的信号触发时刻、解析并输出触发时刻值，该可编程逻辑器件用硬件编程语言实现五个模块：锁相环PLL模块，信号触发检测模块，NMEA消息解析模块，秒内时刻解析模块和时间输出控制模块，其中所述的秒内时刻解析模块包括计数器，寄存器1，寄存器2；

所述晶振与所述可编程逻辑器件相连，晶振输入经过所述锁相环PLL模块，通过不同的分频/倍频为所述可编程逻辑器件的信号触发检测模块、秒内时刻解析模块、NMEA消息解析模块提供时钟；

所述GPS器件通过串口将NMEA消息输入所述可编程逻辑器件，通过普通I/O口为所述可编程逻辑器件提供秒脉冲PPS，所述GPS器件的两路输出信号同时输入给可编程逻辑器件；

所述电源器件负责为所述场信号测试用传感器输入接口、可编程逻辑器件、晶振、GPS器件提供电源。

进一步的，所述可编程逻辑器件中锁相环PLL模块为所述信号触发时刻值获取装置提供时钟，通过倍频为信号触发检测模块提供时钟信号，通过分频为所述NMEA消息解析模块提供时钟，所述秒内时刻解析模块使用1倍频晶振输入频率；

所述信号触发检测模块在检测到场测试信号超过预设阈值，且场测试信号的当前信号值比前两个连续信号值小时（即到达第一个信号峰值开始下降时）进行触发置位；

所述NMEA消息解析模块对从所述GPS器件输入的NMEA消息进行解析，提取出相应的年月日、时分秒信息以及GPS器件的卫星定位状态等，并用寄存器缓存，同时设置秒时刻解析标志位flag；在秒脉冲PPS上升沿处对所述flag置1，所述NMEA消息解析模块在当前秒时刻解析出来时对所述flag置0，当触发信号到来时，寄存器缓存的秒时刻加上所述flag的值即为此时真实的触发时刻秒时刻值；

所述秒内时刻解析模块中的计数器在时钟（1倍频晶振输入频率）驱动下不断循环计数，当每个秒脉冲PPS上升沿到来时，所述寄存器1的值赋给所述寄存器2记为N₂，所述计数器的值赋给所述寄存器1记为N₁，则f=N₁-N₂即为当前秒脉冲PPS的前一秒脉冲PPS周期的时钟频率（晶振的实际振动频率），受晶振自身输出信号的不稳定性影响，该值随时间会发生缓慢变化，由于这种变化的缓慢性使得前一秒脉冲PPS周期的时钟频率和当前秒脉冲PPS周期的时钟频率基本一致。

进一步的，所述信号触发时刻值获取装置的工作步骤具体如下：

当所述信号触发检测模块触发置位后，所述秒内时刻解析模块立即锁定当前计数器的值N₀、寄存器1的值N₁和寄存器2的值N₂，同时将触发置位信号传递到所述NMEA消息解析模块，之后将N₀、N₁和N₂输出到所述时间输出控制模块，所述NMEA消息解析模块接收到触发置位信号后将其寄存器中缓存的年月日、时分秒信息与flag标志位相加后与卫星定位状态一起输出到所述时间输出控制模块；

所述时间输出控制模块利用公式

获得秒内触发时刻值，并与NMEA消息解析模块输出时间值相结合，输出场测试信号触发时刻值，其中，N₁-N₂为上一秒晶振的实际振动频率，N₀-N₁为当前秒内PPS信号和触发信号之间时钟频率计数（当前秒内晶振频率计数）。

本发明的有益效果在于：

本发明的信号触发时刻值获取装置能为分布式场信号测试系统提供高精度的触发时刻值，对分析场测试信号随时间变化规律具有重要意义。

本发明的信号触发时刻值获取装置具有触发精度高、无需定期校准、成本低、响应速度快等优点，适用于场信号测试如声场、压力场、温度场等信号测试的分布式测试系统。

附图说明

图1为本发明的信号触发时刻值获取装置的结构示意图；

图2为本发明的信号触发时刻值中当前秒时刻计算方法示意图。

具体实施方式

图1为本发明的信号触发时刻值获取装置的结构示意图。如图1所示，该装置包括场信号测试用传感器输入接口、可编程逻辑器件、晶振、GPS器件以及电源器件。数字信号（模拟信号需经过A/D转换等）经由场信号测试用传感器输入接口输入到可编程逻辑器件。可编程逻辑器件负责判定信号触发时刻、解析并输出触发时刻值。在该可编程逻辑器件用硬件编程语言实现五个模块：锁相环PLL模块，信号触发检测模块，NMEA消息解析模块，秒内时刻解析模块（包含计数器，寄存器1，寄存器2）和时间输出控制模块。晶振经过可编程逻辑器件的锁相环PLL模块为该信号触发时刻值获取装置提供时钟。GPS器件为可编程逻辑器件提供高精度的秒脉冲PPS和NMEA消息。电源器件负责为该信号触发时刻值获取装置提供电源。

在本发明中，以所述晶振频率20MHz为例。在可编程逻辑器件中，锁相环PLL模块通过2倍频晶振频率为信号触发检测模块提供时钟信号，通过分频到9600波特率为NMEA消息解析模块提供时钟（NMEA消息串口输入波特率为9600），秒内时刻解析模块使用1倍频晶振频率；

信号触发检测模块在检测到场测试信号超过预设阈值（阈值大小可根据场信号大小选取合适比例设定，如约1/3～1/2信号峰值大小），且场测试信号的当前信号值比前两个连续信号值小时（即到达第一个信号峰值开始下降时）进行触发置位；

NMEA消息解析模块对从GPS器件输入的NMEA消息进行解析，提取出相应的年月日、时分秒信息以及GPS器件的卫星定位状态并且用寄存器缓存，同时设置秒时刻解析标志位flag。在秒脉冲PPS上升沿处对flag置1，当NMEA消息解析模块将当前秒时刻解析出来时对flag置0，这样当触发信号到来时，寄存器缓存的秒时刻加上flag的值即为此时真实的触发时刻秒时刻值；

秒内时刻解析模块中的计数器在时钟（1倍频晶振输入频率）驱动下不断循环计数，当每个秒脉冲PPS到来时，将寄存器1的值赋给寄存器2为N₂，计数器的值赋给寄存器1记为N₁，则f=N₁-N₂即为当前秒脉冲PPS的前一秒脉冲PPS周期的时钟频率（晶振的实际振动频率），受晶振自身输出信号的不稳定性影响，该值随时间会发生缓慢变化，由于这种变化的缓慢性使得前一秒脉冲PPS周期的时钟频率和当前秒脉冲PPS周期的时钟频率基本一致；

当信号触发检测模块触发置位后，秒内时刻解析模块立即锁定当前计数器的值N₀、寄存器1的值N₁和寄存器2的值N₂，同时将触发置位信号传递到NMEA消息解析模块，之后将N₀、N₁和N₂输出到时间输出控制模块，NMEA消息解析模块接收到触发置位信号后将其寄存器中缓存的年月日、时分秒信息与flag标志位相加后与卫星定位状态一起输出到时间输出控制模块；

时间输出控制模块利用公式

即可算出秒内触发时刻值，并与NMEA消息解析模块输出时间值相结合，输出场测试信号触发时刻值。其中，N₁-N₂为上一秒晶振的实际振动频率，N₀-N₁为当前秒内PPS信号和触发信号之间时钟频率计数（当前秒内晶振频率计数）。

图2所示为本发明的信号触发时刻值中当前秒时刻计算方法示意图。由于串口解析需要一定的时间，如果秒时刻解析出来之前触发信号到来，这时NMEA消息解析模块中相关寄存器中对应的秒时刻值仍为上一秒的值（即还没有更新），如果锁存此时的秒时刻，误差就会达到1s，因此设置秒时刻解析标志位flag。在秒脉冲PPS上升沿处对flag置1，秒时刻解析出来对flag置0，这样当触发信号到来时，锁存的秒时刻加上flag的值即为此时真实的触发时刻秒时刻值，而不用担心触发信号是在秒时刻解析出来之前到达还是秒时刻解析出来之后到达。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种信号触发时刻值获取装置，其特征在于，该装置包括：场信号测试用传感器输入接口、可编程逻辑器件、晶振、GPS器件以及电源器件；

所述场信号测试用传感器输入接口与所述可编程逻辑器件相连，用于输入各种场信号；

所述可编程逻辑器件，用于判定所述各种场信号的信号触发时刻、解析并输出触发时刻值，在可编程逻辑器件中用硬件编程语言实现五个模块：锁相环PLL模块，信号触发检测模块，NMEA消息解析模块，秒内时刻解析模块和时间输出控制模块，其中所述的秒内时刻解析模块包括计数器，寄存器1，寄存器2；

所述晶振与所述可编程逻辑器件相连，晶振输入经过所述锁相环PLL模块，通过不同的分频/倍频为所述可编程逻辑器件的信号触发检测模块、秒内时刻解析模块、NMEA消息解析模块提供时钟；

所述GPS器件通过串口将NMEA消息输入所述可编程逻辑器件，通过普通I/O口为所述可编程逻辑器件提供秒脉冲PPS，所述GPS器件的两路输出信号同时输入给可编程逻辑器件；

所述电源器件负责为所述场信号测试用传感器输入接口、可编程逻辑器件、晶振、GPS器件提供电源，并能复位整个信号触发时刻值获取装置。

2.如权利要求1所述的信号触发时刻值获取装置，其特征在于，在所述可编程逻辑器件中：

所述锁相环PLL模块通过2倍频为所述信号触发检测模块提供时钟，通过分频到串口波特率9600为所述NMEA消息解析模块提供时钟，所述秒内时刻解析模块使用1倍频晶振输入频率；

所述信号触发检测模块在检测到场信号超过预设阈值，且场信号的当前信号值比前两个连续信号值小时进行触发置位；

所述NMEA消息解析模块对从所述GPS器件输入的NMEA消息进行解析，提取出相应的年月日、时分秒信息以及GPS器件的卫星定位状态，并用寄存器缓存，同时设置秒时刻解析标志位flag；在秒脉冲PPS上升沿处对所述flag置1，所述NMEA消息解析模块在当前秒时刻解析出来时对所述flag置0，当触发信号到来时，将所述寄存器缓存秒时刻加上所述flag的值获得触发时刻秒时刻值；

所述秒内时刻解析模块中的计数器在时钟的1倍频晶振输入频率驱动下不断循环计数，当每个秒脉冲PPS上升沿到来时，所述寄存器1的值赋给所述寄存器2记为N₂，所述计数器的值赋给所述寄存器1记为N₁，利用f=N₁-N₂获得当前秒脉冲PPS的前一秒脉冲PPS周期的时钟频率。

3.如权利要求2所述的信号触发时刻值获取装置，其特征在于，所述信号触发时刻值获取装置的工作步骤具体如下：

当所述信号触发检测模块触发置位后，所述秒内时刻解析模块立即锁定当前计数器的值N₀、寄存器1的值N₁和寄存器2的值N₂，同时将触发置位信号传递到所述NMEA消息解析模块，之后将N₀、N₁和N₂输出到所述时间输出控制模块，所述NMEA消息解析模块接收到触发置位信号后将其寄存器中缓存的年月日、时分秒信息与flag标志位相加后与卫星定位状态一起输出到所述时间输出控制模块；

所述时间输出控制模块利用公式

获得秒内触发时刻值，并与NMEA消息解析模块输出时间值相结合，输出场测试信号触发时刻值，其中，N₁-N₂为上一秒晶振的实际振动频率，N₀-N₁为当前秒内PPS信号和触发信号之间时钟频率计数。

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