CN107870262B - 一种基于gps授时的高精度光泵磁力仪计频装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置及方法，其中，所述装置包括：依次连接的一用于提供GPS秒脉冲信号的GPS接收机、一FPGA板卡、一频率计算模块和一晶振修正模块，以及一与所述FPGA板卡连接的多路选择器以及一与所述多路选择器和所述晶振修正模块连接的用于提供时钟脉冲信号的恒温晶振。本发明可以在解除因使用GPS授时所带来的测量地点限制的同时，很方便地通过多路协同计数方法提高频率测量的精度。此外，按本方法构建的高精度计频装置实现简单、适应性强、灵活度高、电磁兼容好，非常适合于光泵磁力仪等以频率输出测试结果的传感器。

Description

一种基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置及方法

技术领域

本发明涉及一种高精度计频技术，尤其涉及一种基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置及方法。

背景技术

高精度的频率测量在计量标定、信号识别以及信号测量等领域一直是各国相关领域专家研究的热点课题，其中对于某些测量结果以频率信息给出的传感器而言，高精度的频率测量方法至关重要，例如目前在磁测量领域应用极广的光泵磁力仪。

光泵磁力仪是以原子在磁场作用下的塞曼效应为基础，结合光泵浦作用和磁共振技术精确测量磁场强度的磁力仪，其具有精度高、可小型化的特点，被广泛应用于地球物理勘探、航空磁测绘、军事探测等领域。光泵磁力仪的工作原理为：由光泵作用排列好的原子磁矩，在特定频率的交变电磁场的作用下，又将产生共振吸收作用，打乱原子的排列情况。发生共振吸收现象的电磁场的频率与样品所在点的外磁场强度为比例关系，故测定这一电磁场的频率就可以得到外磁场的值。

现有的频率测量装置通常由参考时钟和计数器组成，其中，参考时钟用于提供计频的闸门时间，而计数器则用于在闸门时间内对被测信号和参考时钟计数，从而通过获得的计数值即可经计算获知被测信号的频率，通常基于FPGA来实现。可见，频率测量装置的准确性取决于参考时钟提供闸门时间的准确性以及计数器的分辨率。

目前市场上绝大多数的高精度频率计的参考时钟均由高精度的晶振提供，比如恒温晶振、原子钟。但是受成本和体积所限，通常的工程项目中配置原子钟级别的参考时钟是不太现实的，而可选的高精度晶振，其性能则会在相对较短的时间内随工作时间的增加而发生老化，从而导致频率计测量精度下降。此外，在某些特定应用领域，比如航空超导全张量磁梯度测量，用于提供辅助信息的光泵磁力仪，如果其读出电路中存在功耗不低的恒温晶振，会给系统的电磁兼容设计带来诸多设计难题。

申请号为201710113556.5的发明专利申请提供了一种用于光泵磁力仪频率计的频率测量方法，该方法在被测时间段的开始与结束点，均由GPS授时信号进行校正，使用了GPS授时信号对频率计的参考频率源进行修正，将频率源误差大幅降低，进而得出由GPS授时信号校正后的准确输出时间，然后再通过计数信息计算精确的频率值，由于GPS授时信号的精度大大超过普通晶振的精度，所以利用该方法实现的频率计，其精度大大超越一般的频率计精度。

然而，虽然上述方法能通过GPS授时实现频率测量，但在实际使用时容易受测量地点限制，并且其测量精度也并不理想，原因如下：其一，该测量方法在无法接收到GPS信号的地方或者在GPS信号偶尔丢失时将无法正常工作，而且按该方法设计的频率计输出速率受GPS接收机中秒脉冲最大输出率的影响，这将极大限制其使用范围；其二，受FPGA的架构和性能影响，使用单一来源的参考采样时钟无法满足高精度光泵的测量需求，即，其频率计的测量分辨率低于光泵的测量分辨率。

综上所述，现有高精度的频率测量方法在磁测量领域，尤其是光泵磁力仪的测量信息读出方面，无法满足被测信号的测量精度需求，同时安装使用地点也容易受限，极大地影响了超导磁传感器在工业、科研和医疗领域的广泛应用和推广。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置及方法，以提高频率测量的精度，并解除因使用GPS授时、尤其是在GPS信号接收受影响的情况下所带来的测量地点限制。

本发明之一所述的一种基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置，其包括：依次连接的一用于提供GPS秒脉冲信号的GPS接收机、一FPGA板卡、一频率计算模块和一晶振修正模块，以及一与所述FPGA板卡连接的多路选择器以及一与所述多路选择器和所述晶振修正模块连接的用于提供时钟脉冲信号的恒温晶振，其中：

所述FPGA板卡配置为：

根据一内部本地时钟信号输出N路同频不同相的采样时钟信号；

在GPS工作模式下，根据所述GPS秒脉冲信号向所述多路选择器输出一与该GPS秒脉冲信号同相且频率可调的倍频信号，根据所述N路采样时钟信号对所述多路选择器输出的所述倍频信号进行采样和计数以获取计频闸门时间，并在所述计频闸门时间内根据所述N路采样时钟信号对被测信号进行采样和计数以获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；

在GPS与恒温晶振混合工作模式下，一方面根据所述GPS秒脉冲信号向所述多路选择器输出一与该GPS秒脉冲信号同相且频率为其整数分之一的时基信号，根据所述N路采样时钟信号对所述多路选择器输出的所述时基信号进行采样和计数以获取标定时基，并在所述标定时基内根据所述N路采样时钟信号对所述恒温晶振提供的所述时钟脉冲信号进行采样和计数以获取所述标定时基内所述时钟脉冲信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；另一方面根据所述N路采样时钟信号对所述多路选择器输出的所述时钟脉冲信号进行采样和计数以获取计频闸门时间，并在所述计频闸门时间内根据所述N路采样时钟信号对被测信号进行采样和计数以获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；

所述频率计算模块配置为：一方面，根据所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位计算获得所述被测信号在所述计频闸门时间内的频率；另一方面，根据所述标定时基内所述时钟脉冲信号的整数周期数和不满一个周期的小数位计算获得所述恒温晶振的实际工作频率；

所述晶振修正模块配置为：根据所述恒温晶振的实际工作频率以及所述恒温晶振提供的标称工作频率获取所述恒温晶振的修正系数，并在所述GPS与恒温晶振混合工作模式下，根据该修正系数对所述被测信号在所述计频闸门时间内的频率进行修正。

在上述的基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置中，所述FPGA板卡包括：

一与所述GPS接收机以及所述多路选择器连接的GPS数字锁相环，其接收所述GPS秒脉冲信号，并在所述GPS工作模式下，产生所述倍频信号，在所述GPS与恒温晶振混合工作模式下，产生所述时基信号；

N个本地数字锁相环，其同时接收所述内部本地时钟信号并产生所述N路采样时钟信号；

N个与所述N个本地数字锁相环一一对应地连接的数字IO端口；以及

一与所述N个数字IO端口以及所述多路选择器连接的采样计数模块，其在GPS工作模式下，根据所述N路采样时钟信号和所述倍频信号，获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；在GPS与恒温晶振混合工作模式下，一方面根据所述N路采样时钟信号和所述时基信号，获取所述标定时基内所述时钟脉冲信号的整数周期数和不满一个周期的小数位，另一方面根据所述N路采样时钟信号和所述时钟脉冲信号，获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位。

在上述的基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置中，所述多路选择器配置为：当所述GPS接收机正常工作时，向所述FPGA板卡输出所述倍频信号，以使其工作在所述GPS工作模式；当所述GPS接收机工作异常时，先向所述FPGA板卡输出所述时基信号，再向所述FPGA板卡输出所述时钟脉冲信号，以使其工作在所述GPS与恒温晶振混合工作模式。

本发明之二所述的一种基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频方法，其包括：在GPS工作模式下，执行步骤S1至步骤S2；在GPS与恒温晶振混合工作模式下，执行步骤S3至步骤S7，其中：

步骤S1，利用FPGA板卡根据GPS接收机提供的GPS秒脉冲信号产生与该GPS秒脉冲信号同相且频率可调的倍频信号；

步骤S2，利用所述FPGA板卡根据其内部本地时钟信号产生N路同频不同相的采样时钟信号，并根据所述N路采样时钟信号对所述倍频信号进行采样和计数以获取计频闸门时间，然后在所述计频闸门时间内根据所述N路采样时钟信号对被测信号进行采样和计数以获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；利用频率计算模块根据所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位计算获得所述被测信号在所述计频闸门时间内的频率；

步骤S3，利用FPGA板卡根据GPS接收机提供的GPS秒脉冲信号产生与该GPS秒脉冲信号同相且频率为其整数分之一的时基信号；

步骤S4，利用所述FPGA板卡根据其内部本地时钟信号产生N路同频不同相的采样时钟信号，并根据所述N路采样时钟信号对所述时基信号进行采样和计数以获取标定时基，然后在所述标定时基内根据所述N路采样时钟信号对恒温晶振提供的时钟脉冲信号进行采样和计数以获取所述标定时基内所述时钟脉冲信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；利用所述频率计算模块根据所述标定时基内所述时钟脉冲信号的整数周期数和不满一个周期的小数位计算获得所述恒温晶振的实际工作频率；

步骤S5，利用晶振修正模块根据所述恒温晶振的实际工作频率以及所述恒温晶振的标称工作频率获取所述恒温晶振的修正系数；

步骤S6，利用所述FPGA板卡根据所述N路采样时钟信号对所述时钟脉冲信号进行采样和计数以获取计频闸门时间，并在所述计频闸门时间内根据所述N路采样时钟信号对被测信号进行采样和计数以获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；利用频率计算模块根据所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位计算获得所述被测信号在所述计频闸门时间内的频率；

步骤S7，利用所述晶振修正模块根据所述恒温晶振的修正系数对所述被测信号在所述计频闸门时间内的频率进行修正。

在上述的基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频方法中，还包括：当GPS接收机正常工作时，利用多路选择器向所述FPGA板卡提供所述倍频信号，以选择所述GPS工作模式；当所述GPS接收机工作异常时，利用多路选择器先向所述FPGA板卡提供所述时基信号，再向所述FPGA板卡提供所述时钟脉冲信号，以选择所述GPS与恒温晶振混合工作模式。

在上述的基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频方法中，所述FPGA板卡包括：

一与所述GPS接收机以及所述多路选择器连接的GPS数字锁相环，其接收所述GPS秒脉冲信号，并在所述GPS工作模式下，产生所述倍频信号，在所述GPS与恒温晶振混合工作模式下，产生所述时基信号；

N个本地数字锁相环，其同时接收所述内部本地时钟信号并产生所述N路采样时钟信号；

N个与所述N个本地数字锁相环一一对应地连接的数字IO端口；以及

一与所述N个数字IO端口以及所述多路选择器连接的采样计数模块，其在GPS工作模式下，根据所述N路采样时钟信号和所述倍频信号，获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；在GPS与恒温晶振混合工作模式下，一方面根据所述N路采样时钟信号和所述时基信号，获取所述标定时基内所述时钟脉冲信号的整数周期数和不满一个周期的小数位，另一方面根据所述N路采样时钟信号和所述时钟脉冲信号，获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明通过对FPGA板卡的内部结构进行设置，即，构建基于FPGA的多路同频不同相采样时钟信号协同计数，从而提高了计数的基频，即计数器的分辨率，进而提高了上升沿判断精度；本发明通过采用这种高分辨率的计数器，即FPGA板卡对参考时钟进行采样计数，获取用于提供计频的闸门时间(对应频率计的输出速率，即采样率)，然后在该闸门时间内，再基于该改进的高分辨率计数器对被测信号进行计数，获取其整数周期数和不满一个周期的小数位，进而通过数学计算求取被测信号在闸门时间内的频率，由此提高了频率测量的精度。另外，本发明可根据GPS接收机的工作情况，引入多路选择器切换选择GPS工作模式或者GPS与恒温晶振混合工作模式，从而可以解除因使用GPS授时所带来的测量地点限制，具体来说，当GPS接收机正常工作时，使用GPS秒脉冲信号经过数字锁相环产生频率可调的参考时钟替代晶振参考信号，计算精度大幅提升，且在GPS丢失情况下数字锁相环短时间内仍可提供稳定计频闸门时间；在无GPS信号情况下，即GPS接收机工作异常时，采用恒温晶振提供的时钟脉冲信号作为参考信号，从而使计频装置仍可正常工作。利用本发明实现的计频装置的测量精度远远高于普通频率计，且适应多种环境、工作稳定可靠。

附图说明

图1是本发明一种基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置的结构示意图；

图2是本发明一种基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置的测频工作原理图；

图3是本发明中基于FPGA多路同频不同相采样时钟信号协同计数的原理图；

图4是本发明中基于GPS修正恒温晶振的原理图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1所示，本发明之一，即一种基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置，包括：依次连接的一用于提供GPS秒脉冲信号的GPS接收机1、FPGA板卡2、频率计算模块3和晶振修正模块4，以及与FPGA板卡2连接的多路选择器5以及与晶振修正模块4和多路选择器5连接的用于提供时钟脉冲信号的恒温晶振6。

FPGA板卡2具体包括：

与GPS接收机1以及多路选择器5连接的GPS数字锁相环21，其接收GPS秒脉冲信号，并在GPS工作模式下，根据GPS秒脉冲信号产生与该GPS秒脉冲信号同相且频率可调的倍频信号，在所述GPS与恒温晶振混合工作模式下，根据GPS秒脉冲信号产生与该GPS秒脉冲信号同相且频率为其整数分之一的时基信号；

N个本地数字锁相环22，其同时接收FPGA板卡2内部的本地时钟信号并产生N路同频不同相的采样时钟信号；

N个与N个本地数字锁相环22一一对应地连接的数字IO端口23；以及

一与N个数字IO端口23以及多路选择器5连接的采样计数模块24，其在GPS工作模式下，根据N路采样时钟信号对多路选择器5输出的倍频信号进行采样和计数以获取计频闸门时间，并在计频闸门时间内根据N路采样时钟信号对被测信号进行采样和计数以获取计频闸门时间内被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；在GPS与恒温晶振混合工作模式下，一方面根据N路采样时钟信号对多路选择器5输出的时基信号进行采样和计数以获取标定时基，并在标定时基内根据N路采样时钟信号对恒温晶振6提供的时钟脉冲信号(此时，该时钟脉冲信号作为被测信号)进行采样和计数以获取标定时基内时钟脉冲信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；另一方面根据N路采样时钟信号对多路选择器5输出的时钟脉冲信号进行采样和计数以获取计频闸门时间，并在计频闸门时间内根据N路采样时钟信号对被测信号进行采样和计数以获取计频闸门时间内被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位。

频率计算模块3配置为：一方面，根据计频闸门时间内被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位计算获得被测信号在计频闸门时间内的频率；另一方面，根据标定时基内时钟脉冲信号的整数周期数和不满一个周期的小数位计算获得恒温晶振6的实际工作频率。

晶振修正模块4配置为：根据恒温晶振6的实际工作频率以及恒温晶振6提供的标称工作频率获取恒温晶振6的修正系数，并在所述GPS与恒温晶振混合工作模式下，根据该修正系数对被测信号在计频闸门时间内的频率进行修正。

多路选择器5配置为：当GPS接收机1正常工作时，选择GPS工作模式，向FPGA板卡2输出倍频信号作为下文中提到的参考时钟，以使其工作在GPS工作模式；当GPS接收机1工作异常时，先向FPGA板卡2输出时基信号作为下文中提到的参考时钟，以对恒温晶振6提供的作为被测信号的时钟脉冲信号进行采样计数，再向FPGA板卡2输出时钟脉冲信号作为下文中提到的参考时钟，以使其工作在GPS与恒温晶振混合工作模式。

图2示出了本发明的计频装置的测频工作原理图，其中，T_c为计频装置的计频闸门时间，由参考时钟提供；T_signal是被测信号的信号周期；P_n为计频装置第n次测量输出时被测信号对应T_c闸门时间沿的单次周期(P₀、P₁则为计频装置第1次测量输出时被测信号对应T_c闸门时间沿的单次周期)；x_n为计频装置第n次测量输出时被测信号对应T_c闸门时间沿两边的小数位(x₀、x₁则为计频装置第1次测量输出时被测信号对应T_c闸门时间沿两边的小数位，₀和τ₁则分别为与x₀、x₁对应的同一周期的剩余部分)，即T_c闸门时间沿与其前一个被测信号上升沿的时间间隔；N为被测信号在T_c闸门时间内的有效上升沿总数(N_n为计频装置第n次测量输出时被测信号在T_c闸门时间内的有效上升沿总数)。在计频装置正常工作时，首先基于改进的高分辨率计数器，即FPGA板卡2对参考时钟进行采样计数，获取用于提供计频的闸门时间T_c，然后在该闸门时间T_c内，再基于该改进的高分辨率计数器对被测信号进行采样计数，获取其整数周期数N_n和不满一个周期的小数位x_n，进而通过以下公式求取被测信号在闸门时间内的频率f：

其中，f_s是计频装置的数据输出速率，即其采样率(对应计频闸门时间)，N_n是在计频闸门时间内被测信号的整数周期数，N_f是在计频闸门时间内被测信号的周期小数位。

图3示出了本发明中基于FPGA多路同频不同相采样时钟信号协同计数的原理图。如图可见，使用4路同频不同相采样时钟信号协同计数时，因对应的4个数字IO端口判断其输入参考时钟或者被测信号的电平是在这些数字IO端口对应采样时钟信号的上升沿，故通过对4路同频不同相采样时钟信号驱动的数字IO端口检测结果进行逻辑或操作，即可降低因上下升沿判断而导致的计数误差。

图4示出了本发明中基于GPS修正恒温晶振的原理图。首先，通过FPGA板卡2提供的多路协同计数器获取修正恒温晶振6所需的时间基准，即时基信号，而且时间基准应采用较长的时基，比如1000S，以降低GPS授时时间本身所导致的恒温晶振6修正误差，；其次，在时基信号提供的闸门时间，即标定时基内，再按照图2所示的计频装置的测频工作原理，通过FPGA板卡2提供的多路协同计数器对恒温晶振6的上升沿或者下降沿进行计数，即，将恒温晶振6当作被测对象，对其进行计频；最后，根据恒温晶振6标称的工作频率和在GPS工作模式下实测的工作频率，对其进行时钟修正，并获得恒温晶振修正系数k：

k＝F_G/F_L

其中，F_G是实测的恒温晶振6的工作频率，F_L是恒温晶振6标称的工作频率。

在GPS和恒温晶振混合工作模式下，如采用恒温晶振6标称的工作频率提供计频的闸门时间，则需对最终的测量结果进行修正，即对应的被测信号频率f：

上述基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置的工作特点在于：

首先，该计频装置分为两种工作模式：GPS工作模式和GPS与恒温晶振混合工作模式，其中恒温晶振作为模块化的配件，可根据实际工作模式通过多路选择器选择性地使用；

其次，在GPS工作模式下，由GPS秒脉冲信号(PPS)独立提供计频用的参考时钟，但为避免GPS信号丢失或者无法接收时计频装置无法工作，并突破计频装置输出速率受GPS接收机秒脉冲最大输出率影响的限制，则将GPS秒脉冲信号(PPS)经过数字锁相环产生与其同相，但频率可调的倍频信号，并替代它作为计频装置的参考时钟；在GPS与恒温晶振混合工作模式下，基于恒温晶振在短时间内稳定度高、老化率低的特点，使用GPS秒脉冲信号对其准确性进行修正，从而获得恒温晶振修正系数，以对计频装置的计频结果进行修正；

最后，为解决现有基于FPGA构建的计数器受其架构和性能影响，而导致分辨率偏低的问题，利用FPGA内部的数字锁相环产生多路同频不同相的采样时钟，并作用于同等数量的数字IO端口，通过多对一的方式分别对被测信号和参考时钟进行协同采样计数，进而在FPGA板卡工作频率不变的基础上，以信号拼接的方式提高计数器的实际工作频率，降低因上下升沿判断而导致的计数误差；例如使用4路相位相差90度的160MHz采样时钟，驱动4路IO端口，替代原有的单路IO端口，同时对一路被测信号进行采样计数，由此使得计数器的实际有效工作频率可达原有工作频率的4倍，即，将计数的实际有效采样时钟提高至640MHz，而此时FPGA自身的工作时钟为160MHz，从而可攻克现有因使用单一来源的参考采样时钟而无法满足高精度光泵测量需求的难题。

具体来说：在GPS工作模式下，无需配置恒温晶振模块，仅需GPS接收机、FPGA板卡及其相关配件即可工作。首先，将GPS秒脉冲信号(PPS)经过在FPGA板卡内部构建的数字锁相环产生与其同相，但频率可调的倍频信号，并将其作为频率计的参考时钟，用于提供计频的闸门时间；其次，基于FPGA板卡的本地时钟，通过其内部的数字锁相环产生多路同频不同相的采样时钟，并作用于同等数量的数字IO端口，以多对一的方式同时对参考时钟进行采样和计数，获取对应频率计数据输出速率的闸门时间；然后，获取的计频闸门时间内，采用同样多对一的计数方式对被测信号计数，通过对其上升沿或者下降沿的判断，获得相应计频闸门时间内被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；最后，根据被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位，通过数学计算求取被测信号在闸门时间内的频率。

在GPS与恒温晶振混合工作模式下，相比GPS工作模式，需要额外配置恒温晶振模块。首先，需要通过GPS授时信号定期完成恒温晶振的标定，比如1天或者1星期，并经多路选择器将修正后的恒温晶振作为频率计的参考时钟，用于提供计频的闸门时间；其次，基于FPGA板卡的本地时钟，通过其内部的数字锁相环产生多路同频不同相的采样时钟，并作用于同等数量的数字IO端口，以多对一的方式同时对参考时钟(修正后的恒温晶振)进行采样和计数，获取对应频率计数据输出速率的闸门时间；然后，获取的计频闸门时间内，采用同样多对一的计数方式对被测信号计数，通过对其上升沿或者下降沿的判断，获得相应计频闸门时间内被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；最后，根据被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位，通过数学计算求取被测信号在闸门时间内的频率。

上述通过GPS授时信号定期完成恒温晶振的标定具体包括：首先，在GPS秒脉冲信号良好的前提下(例如户外)，将GPS秒脉冲信号(PPS)经过在FPGA板卡内部构建的数字锁相环产生与其同相，但频率是其整数分之一的时基信号，比如频率为0.001Hz的低频信号(也可直接利用整数个GPS秒脉冲信号来代替)，其作用在于在较长的时基内对恒温晶振进行标定以提高标定精度；其次，基于FPGA板卡的本地时钟，通过其内部的数字锁相环产生多路同频不同相的采样时钟，并作用于同等数量的数字IO端口，以多对一的方式同时对上述基于GPS授时的时基信号进行采样和计数，从而获取用于标定恒温晶振的时基；然后，获取的用于标定恒温晶振的时基内，采用同样多对一的计数方式对恒温晶振计数，通过对其上升沿或者下降沿的判断，获得相应标定时基内恒温晶振的整数周期数和不满一个周期的小数位；最后，根据恒温晶振的整数周期数和不满一个周期的小数位，通过数学计算求取恒温晶振的实际工作频率。

基于上述内容，本发明之二，即，一种基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频方法，包括：

在GPS工作模式下，执行步骤S1至步骤S2；在GPS与恒温晶振混合工作模式下，执行步骤S3至步骤S7，其中：

步骤S1，利用FPGA板卡2根据GPS接收机1提供的GPS秒脉冲信号产生与该GPS秒脉冲信号同相且频率可调的倍频信号；

步骤S2，利用多路选择器5向FPGA板卡2提供倍频信号，利用FPGA板卡2根据其内部本地时钟信号产生N路同频不同相的采样时钟信号，并根据N路采样时钟信号对倍频信号进行采样和计数以获取计频闸门时间，然后在计频闸门时间内根据N路采样时钟信号对被测信号进行采样和计数以获取计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；利用频率计算模块3根据计频闸门时间内被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位计算获得被测信号在所述计频闸门时间内的频率；

步骤S3，利用FPGA板卡2根据GPS接收机1提供的GPS秒脉冲信号产生与该GPS秒脉冲信号同相且频率为其整数分之一的时基信号；

步骤S4，利用多路选择器5向FPGA板卡2提供时基信号；利用FPGA板卡2根据其内部本地时钟信号产生N路同频不同相的采样时钟信号，并根据N路采样时钟信号对时基信号进行采样和计数以获取标定时基，然后在标定时基内根据N路采样时钟信号对由恒温晶振6提供的时钟脉冲信号进行采样和计数以获取标定时基内时钟脉冲信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；利用频率计算模块3根据标定时基内时钟脉冲信号的整数周期数和不满一个周期的小数位计算获得恒温晶振6的实际工作频率；

步骤S5，利用晶振修正模块4根据恒温晶振6的实际工作频率以及恒温晶振6的标称工作频率获取恒温晶振6的修正系数；

步骤S6，利用多路选择器5向FPGA板卡2提供时钟脉冲信号，利用FPGA板卡2根据N路采样时钟信号对时钟脉冲信号进行采样和计数以获取计频闸门时间，并在计频闸门时间内根据N路采样时钟信号对被测信号进行采样和计数以获取计频闸门时间内被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；利用频率计算模块3根据计频闸门时间内被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位计算获得被测信号在计频闸门时间内的频率；

步骤S7，利用晶振修正模块4根据恒温晶振6的修正系数对被测信号在计频闸门时间内的频率进行修正。

由此可见，上述基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频方法具有普适性，其解决了以下问题：

1、在GPS工作模式下，由GPS秒脉冲信号经过数字锁相环，替代原有恒温晶振提供计频闸门时间，可解决两个问题，其一，GPS接收机秒脉冲信号输出频率的限制，通常GPS接收机输出频率在20Hz以下，而决定光泵磁力仪的采样频率直接受GPS接收机秒脉冲信号输出频率的限制；其二，在GPS信号丢失后，GPS接收机无法提供准确的计频闸门时间情况下，通过数字锁相环在短时内提供稳定的计频闸门时间，即时间基准。

2、在GPS信号良好的情况下，通过GPS秒脉冲信号修正本地提供时间基准的晶振，在无GPS信号情况下，通过多路选择器可选择地切换至GPS与恒温晶振混合工作模式，从而可解决长时间在无GPS信号情况下工作的问题，并有效解决使用本地晶振提供时间基准(计频的闸门时间)时的漂移问题。

3、针对计频采样时钟受FPGA硬件限制无法在高于特定频率(比如160MHz)的情况下运行，通过FPGA内部的数字锁相环，产生多路不同相的倍频采样时钟(比如4路相差90度的160MHz采样时钟)，驱动多路IO端口，替代原有的单路IO端口，同时对被测信号和时间基准进行采样，从而有效提高计频的实际采样时钟(在4路相差90度的160MHz采样时钟的情况下，实际采样时钟相当于640MHz)，降低因上下升沿判断而导致的误差。

综上所述，本发明可以在解除因使用GPS授时所带来的测量地点限制的同时，很方便地通过多路协同计数方法提高频率测量的精度。此外，按本方法构建的高精度计频装置实现简单、适应性强、灵活度高、电磁兼容好，非常适合于光泵磁力仪等以频率输出测试结果的传感器。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (6)

1.一种基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置，其特征在于，所述装置包括：依次连接的一用于提供GPS秒脉冲信号的GPS接收机、一FPGA板卡、一频率计算模块和一晶振修正模块，以及一与所述FPGA板卡连接的多路选择器以及一与所述多路选择器和所述晶振修正模块连接的用于提供时钟脉冲信号的恒温晶振，其中：

所述FPGA板卡配置为：

根据一内部本地时钟信号输出N路同频不同相的采样时钟信号；

在GPS工作模式下，根据所述GPS秒脉冲信号向所述多路选择器输出一与该GPS秒脉冲信号同相且频率可调的倍频信号，根据N路所述采样时钟信号对所述多路选择器输出的所述倍频信号进行采样和计数以获取计频闸门时间，并在所述计频闸门时间内根据N路所述采样时钟信号对被测信号进行采样和计数以获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；

在GPS与恒温晶振混合工作模式下，一方面根据所述GPS秒脉冲信号向所述多路选择器输出一与该GPS秒脉冲信号同相且频率为其整数分之一的时基信号，根据N路所述采样时钟信号对所述多路选择器输出的所述时基信号进行采样和计数以获取标定时基，并在所述标定时基内根据N路所述采样时钟信号对所述恒温晶振提供的所述时钟脉冲信号进行采样和计数以获取所述标定时基内所述时钟脉冲信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；另一方面根据N路所述采样时钟信号对所述多路选择器输出的所述时钟脉冲信号进行采样和计数以获取计频闸门时间，并在所述计频闸门时间内根据N路所述采样时钟信号对被测信号进行采样和计数以获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；

所述频率计算模块配置为：一方面，根据所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位计算获得所述被测信号在所述计频闸门时间内的频率；另一方面，根据所述标定时基内所述时钟脉冲信号的整数周期数和不满一个周期的小数位计算获得所述恒温晶振的实际工作频率；

所述晶振修正模块配置为：根据所述恒温晶振的实际工作频率以及所述恒温晶振提供的标称工作频率获取所述恒温晶振的修正系数，并在所述GPS与恒温晶振混合工作模式下，根据该修正系数对所述被测信号在所述计频闸门时间内的频率进行修正。

2.根据权利要求1所述的基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置，其特征在于，所述FPGA板卡包括：

一与所述GPS接收机以及所述多路选择器连接的GPS数字锁相环，其接收所述GPS秒脉冲信号，并在所述GPS工作模式下，产生所述倍频信号，在所述GPS与恒温晶振混合工作模式下，产生所述时基信号；

N个本地数字锁相环，其同时接收所述内部本地时钟信号并产生N路所述采样时钟信号；

N个与所述N个本地数字锁相环一一对应地连接的数字IO端口；以及

一与N个所述数字IO端口以及所述多路选择器连接的采样计数模块，其在GPS工作模式下，根据N路所述采样时钟信号和所述倍频信号，获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；在GPS与恒温晶振混合工作模式下，一方面根据N路所述采样时钟信号和所述时基信号，获取所述标定时基内所述时钟脉冲信号的整数周期数和不满一个周期的小数位，另一方面根据N路所述采样时钟信号和所述时钟脉冲信号，获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位。

3.根据权利要求1所述的基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置，其特征在于，所述多路选择器配置为：当所述GPS接收机正常工作时，向所述FPGA板卡输出所述倍频信号，以使其工作在所述GPS工作模式；当所述GPS接收机工作异常时，先向所述FPGA板卡输出所述时基信号，再向所述FPGA板卡输出所述时钟脉冲信号，以使其工作在所述GPS与恒温晶振混合工作模式。

4.一种基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频方法，其特征在于，所述方法包括：在GPS工作模式下，执行步骤S1至步骤S2；在GPS与恒温晶振混合工作模式下，执行步骤S3至步骤S7，其中：

步骤S1，利用FPGA板卡根据GPS接收机提供的GPS秒脉冲信号产生与该GPS秒脉冲信号同相且频率可调的倍频信号；

步骤S2，利用所述FPGA板卡根据其内部本地时钟信号产生N路同频不同相的采样时钟信号，并根据N路所述采样时钟信号对所述倍频信号进行采样和计数以获取计频闸门时间，然后在所述计频闸门时间内根据N路所述采样时钟信号对被测信号进行采样和计数以获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；利用频率计算模块根据所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位计算获得所述被测信号在所述计频闸门时间内的频率；

步骤S3，利用FPGA板卡根据GPS接收机提供的GPS秒脉冲信号产生与该GPS秒脉冲信号同相且频率为其整数分之一的时基信号；

步骤S4，利用所述FPGA板卡根据其内部本地时钟信号产生N路同频不同相的采样时钟信号，并根据N路所述采样时钟信号对所述时基信号进行采样和计数以获取标定时基，然后在所述标定时基内根据N路所述采样时钟信号对恒温晶振提供的时钟脉冲信号进行采样和计数以获取所述标定时基内所述时钟脉冲信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；利用所述频率计算模块根据所述标定时基内所述时钟脉冲信号的整数周期数和不满一个周期的小数位计算获得所述恒温晶振的实际工作频率；

步骤S5，利用晶振修正模块根据所述恒温晶振的实际工作频率以及所述恒温晶振的标称工作频率获取所述恒温晶振的修正系数；

步骤S6，利用所述FPGA板卡根据N路所述采样时钟信号对所述时钟脉冲信号进行采样和计数以获取计频闸门时间，并在所述计频闸门时间内根据N路所述采样时钟信号对被测信号进行采样和计数以获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；利用频率计算模块根据所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位计算获得所述被测信号在所述计频闸门时间内的频率；

步骤S7，利用所述晶振修正模块根据所述恒温晶振的修正系数对所述被测信号在所述计频闸门时间内的频率进行修正。

5.根据权利要求4所述的基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频方法，其特征在于，所述方法还包括：当GPS接收机正常工作时，利用多路选择器向所述FPGA板卡提供所述倍频信号，以选择所述GPS工作模式；当所述GPS接收机工作异常时，利用多路选择器先向所述FPGA板卡提供所述时基信号，再向所述FPGA板卡提供所述时钟脉冲信号，以选择所述GPS与恒温晶振混合工作模式。

6.根据权利要求5所述的基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频方法，其特征在于，所述FPGA板卡包括：

一与所述GPS接收机以及所述多路选择器连接的GPS数字锁相环，其接收所述GPS秒脉冲信号，并在所述GPS工作模式下，产生所述倍频信号，在所述GPS与恒温晶振混合工作模式下，产生所述时基信号；

N个本地数字锁相环，其同时接收所述内部本地时钟信号并产生N路所述采样时钟信号；

N个与所述N个本地数字锁相环一一对应地连接的数字IO端口；以及

一与N个所述数字IO端口以及所述多路选择器连接的采样计数模块，其在GPS工作模式下，根据N路所述采样时钟信号和所述倍频信号，获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；在GPS与恒温晶振混合工作模式下，一方面根据N路所述采样时钟信号和所述时基信号，获取所述标定时基内所述时钟脉冲信号的整数周期数和不满一个周期的小数位，另一方面根据N路所述采样时钟信号和所述时钟脉冲信号，获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位。

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