CN113078900B - 一种核电厂dcs平台时钟源性能提高系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种核电厂DCS平台时钟源性能提高系统及方法，本发明的系统包括GPS接收机、数字鉴相器、数字环路滤波器、频率控制字选择器、直接数字频率合成器；接收机用于接收GPS信号并对其进行解析输出1PPS秒脉冲信号；数字鉴相器用于根据输入的接收机的1PPS和本地时钟源经所述分频器分频的1PPS之间的相位差值输出与差值线性相关的控制字；数字环路滤波器对数字鉴相器输出的控制字进行处理输出频率控制字；频率控制字选择器根据系统工作模式，选择输出相应的频率控制字以驱动直接数字频率合成器输出对应的性能优于本地时钟源频率特性的时钟信号。本发明提高核电厂DCS平台系统稳定性及可靠性。

Description

一种核电厂DCS平台时钟源性能提高系统及方法
技术领域
本发明属于核电厂仪控技术领域，具体涉及一种核电厂DCS平台时钟源性能提高系统及方法。
背景技术
核电厂DCS平台通常使用普通有源晶振作为平台时钟源，这种时钟源的频率精度在其出厂的起点下依靠自身的稳定度和老化率来保证，其频率精度误差会随着时间的推移以及温度等环境因素的变化而逐渐增大；大的时钟抖动会导致ADC采样输出的信噪比恶化，也会增加数字通信系统的误码率，使得核电厂DCS平台稳定性及可靠性存在一定的风险。
发明内容
为了提高核电厂DCS平台稳定性和可靠性，本发明提供了一种核电厂DCS平台时钟源性能提高系统。
本发明通过下述技术方案实现：
一种核电厂DCS平台时钟源性能提高系统，该系统包括GPS接收机、数字鉴相器、数字环路滤波器、频率控制字选择器、直接数字频率合成器和分频器；
所述GPS接收机用于接收GPS信号并对其进行解析输出1PPS秒脉冲信号；
所述数字鉴相器用于根据输入的所述GPS接收机的1PPS秒脉冲信号和本地时钟源经所述分频器分频后的1PPS秒脉冲信号的相位差值输出与所述差值线性相关的控制字；
所述数字环路滤波器对所述数字鉴相器输出的控制字进行处理输出频率控制字；
所述频率控制字选择器结合晶振频率特性预测模型，根据系统工作模式，选择输出相应的频率控制字以驱动所述直接数字频率合成器输出对应的性能优于本地时钟源频率特性的时钟信号。
本发明采用数字锁相环技术(数字鉴相器+数字环路滤波器+数字频率合成器构成的数字锁相环)可以使DCS平台系统时钟源跟踪GPS系统输出的高稳定度特性信号，并使用基于卡尔曼算法的晶振频率特性预测技术，可以使DCS平台时钟源保持其跟踪的高稳定特性，能有效解决传统核电厂DCS平台时钟源频率精度误差随着系统运行时间逐渐增大的缺点，从而提高核电厂DCS平台系统稳定性及可靠性。
优选的，本发明的数字鉴相器、数字环路滤波器、频率控制字选择器、直接数字频率合成器的数字部分基于FPGA实现。
优选的，本发明的数字鉴相器利用采样时钟对GPS用户接收机的1PPS秒脉冲信号和本地时钟源分频的1PPS秒脉冲信号两者的上升沿之间进行计数，从而测量得到两者之间的相位差。
优选的，本发明的数字环路滤波器由模拟滤波器通过双线性变换得到其传输函数。
优选的，本发明的直接数字频率合成器由相位累加器、正弦查找表、D/A转换器和低通滤波器构成；
所述相位累加器和正弦查找表在FPGA内实现，所述D/A转换器和低通滤波器由硬件电路实现；
所述相位累加器用于寄存频率控制字值，所述相位累加器输出累加数值的高N位作为所述正弦查找表的查找地址；
所述D/A转换器将所述正弦查找表输出的数字幅度值转换为模拟幅度值，并通过所述低通滤波器将输出信号中的高频分量滤除。
优选的，本发明的频率控制字选择器的具体工作过程包括：
系统板卡上电工作时，分为两种模式：
模式1：GPS信号无效时，输出预存频率控制字；
模式2：GPS信号有效时，数字锁相环从未锁定到锁定过程中，输出预存频率控制字；
数字锁相环锁定后且GPS信号有效时，获取锁定状态下频率控制字并进行输出，同时进行晶振频率特性训练模型运算；
数字锁相环锁定后且GPS信号无效时，分为两种模式：
模式1：晶振频率特性训练模型已运算24小时，输出模型预测频率控制字；
模式2：晶振频率特性训练模型未运算24小时，输出最近1小时内频率控制字均值。
优选的，本发明的晶振频率特性训练模型采用基于卡尔曼预测算法实现。
优选的，本发明的晶振频率特性训练模型使用历史观测值得出历史最佳估计值；然后使用历史最佳估计值得到当前状态估计值；此时若当前状态有更新，则更新并输出当前状态最佳估计值；若当前状态未更新，则输出当前状态估计值；
由此达到当GPS信号无效时，所述晶振特性训练模型能够预测晶振频率特性变化趋势，并补偿其负相关变化，使得系统输出信号频率特性稳定。
另一方面，本发明还提出了一种基于本发明所述的核电厂DCS平台时钟源性能提高系统的方法，该方法包括以下步骤：
GPS信号存在时，此时系统处于驯服工作模式，数字锁相环使系统输出信号跟踪保持GPS接收机输出的1PPS秒脉冲信号；
GPS信号存在时，晶振频率特性训练模型根据历史频率控制字与历史板卡温度及系统运行时间预测直接数字频率合成器频率控制器与运行时间及温度的线性关系；
GPS信号丢失时，系统处于保持工作模式，此时数字锁相环将不再工作，晶振频率特性模型不再进行模型训练，直接数字频率合成器的频率控制字由晶振频率特性模型给出，其给出的频率控制字为历史频率控制字及板卡运行时间及温度的线性关系预测值；
GPS信号再次恢复时，系统切换回驯服工作模式，数字锁相环继续工作，晶振频率特性训练模型继续工作。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明实现无论GPS信号是否存在，系统都能为DCS平台提供性能优于本地晶振信号特性的时钟源，以提高核电厂DCS平台稳定性及可靠性，并为系统扩容提升系统工作时钟提供有利条件。
2、本发明核电厂DCS平台时钟源性能提高方案整体架构以数字锁相环技术及晶振频率特性训练模型为基础，基于FPGA进行全数字化设计，相较于其它非全数字化的设计，具有更低功耗、易于修改、响应时间短等特点。
3、本发明能够使系统输出信号跟踪GPS系统1PPS信号的高稳定度、高精度信号特性，提高本地时钟源频率特性；本发明基于FPGA实现卡尔曼预测算法，实现晶振频率特性预测分析，在GPS信号无效的情况下，使系统依然能保持输出较高精度及稳定度特性时钟信号；在GPS信号有效与无效间变化时，具有整套直接数字频率合成器频率控制字数据来源选择方法，以完整覆盖系统各种变化情况。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的系统原理框图。
图2为本发明的相位差测量原理。
图3为本发明的直接数字频率合成器原理框图。
图4为本发明的相位累加器结构示意图。
图5为本发明频率控制字选择过程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提出了一种核电厂DCS平台时钟源性能提高系统，具体如图1所示，本实施例的系统包括GPS接收机、数字鉴相器、数字环路滤波器、频率控制字选择器、直接数字频率合成器和分频器。
本实施例以锁相环原理为基础，进行数字鉴相器、数字环路滤波器及直接数字频率合成器的设计。
本实施例采用基于卡尔曼算法的晶振频率特性训练模型进行频率控制字与板卡运行时间、板卡环境温度的线性关系预测。
以下将对系统整体架构各模块进行详细说明：
1.GPS接收机
GPS接收机接收GPS信号，解析并输出具备高稳定性，高精度特性的1PPS秒脉冲信号作为数字锁相环鉴相参考信号。
2.数字鉴相器
数字鉴相器根据输入的两路1PPS信号的相位差值输出与差值线性相关的控制字；相位差的测量一般采用脉冲间隔计数器，即利用采样时钟对GPS用户接收机的1PPS和本地频率源的分频秒脉冲这两者的上升沿之间进行计数，相位差的测量必然存在量化误差，因此有必要提高系统的鉴相精度，减小量化误差对系统造成的影响。其原理图如图2所示。
3.数字环路滤波器
数字环路滤波器及数字滤波器，数字滤波器可以由模拟滤波器通过双线性变换得到其传输函数。环路滤波器带宽的设置影响锁相环锁定时间，环路带宽越大，锁定时间越快，但锁定后的稳定度差；反之环路带宽越窄，锁定时间越长而锁定之后的稳定度好。
4.直接数字频率合成器
直接数字频率合成器由相位累加器、正弦查找表、DAC转换器及低通滤波器构成。其结构框图如图3所示。
其中，相位累加器及正弦查找表在FPGA内实现，DAC及低通滤波器由硬件电路实现。
相位累加器分为累加器及寄存器，如图4所示：相位累加器寄存频率控制字(Frequency Tuning Word，FTW)值及累加FTW值时为A位，但是输出时只截断输出A位当中的高N位。这是因为相位累加器位数一般比较大，如果以此位数作为正弦查找表地址存储正弦信号“相位”–“幅度”值，正弦查找表将占用极大的资源，这不利于降低FPGA资源的占用。所以相位累加器寄存只输出累加数值的高N作为正弦查找表的查找地址，这样带来的好处在于可以大幅减少正弦查找表所用资源，但由于不能完整的保留频率控制字信息，所以会引入截断误差。
DAC转换器将正弦查找表输出的数字幅度值转换为模拟幅度值，并通过低通滤波器将输出信号中的高频分量滤除以使模拟信号更加平滑。
5.晶振频率特性训练模型
晶振频率特性训练模型采用基于卡尔曼预测算法进行实现。其具有实时递推的特性，可以对系统当前状态进行线性、无偏和最小均方误差的最优估计，最大化的缩小系统的预测结果和真实值之间的误差值。其工作原理如下：
设定状态方程及观测方程如下：
x(k)＝Ax(k-1)+w(k-1) (1)
z(k)＝Hx(k)+v(k) (2)
其中，x(k)及x(k-1)分别表示k时刻及k-1时刻系统的状态值；z(k)表示k时刻的观测值；w(k)及v(k)为服从高斯分布的相互独立的随即白噪声，此处默认为0；A表示状态转移矩阵；H表示观测系统参数。
首先，利用系统的状态模型及上一状态最优估计值，来预测下一个状态估计值。假设系统现在处于k时刻，则预测出当前状态估计值为：
x(k,k-1)＝Ax(k-1,k-1) (3)
其中x(k-1,k-1)是上一状态的最优估算值，x(k,k-1)是使用上一状态最优估计值得到的当前状态估计值。
下面进行状态x(k,k-1)的误差协方差更新。用p表示协方差，则有：
p(k,k-1)＝Ap(k-1,k-1)AT (4)
其中，p(k,k-1)是x(k,k-1)对应的协方差矩阵，p(k-1,k-1)是x(k-1,k-1)对应的协方差，AT表示A的转置矩阵。
结合对当前状态的状态估计值及当前状态的测量值，就能够得到当前状态k的最优化估计值x(k,k)：
x(k,k)＝x(k,k-1)+Kg(k)[z(k)-Hx(k,k-1)] (5)
Kg(k)＝p(k,k-1)HT[Hp(k,k-1)HT+R]-1 (6)
其中z(k)为观测数据，H为观测矩阵，Kg为卡尔曼增益系数。
为使卡尔曼预测算法能够连续运行下去，再进行k时刻状态x(k,k)的误差协方差更新，即：
p(k,k)＝[I-Kg(k)H]p(k,k-1) (7)
其中I为单位矩阵。
此时，k时刻系统状态及最佳估计已完成；当系统进入到k+1时刻时，p(k,k)即为式(4)中的p(k,k-1)，由此系统可以迭代更新预测下一状态估计值及最优估计值。
从以上过程可以看出，卡尔曼预测算法是使用历史观测值得出历史最佳估计值；再使用历史最佳估计值得到当前状态估计值；此时若当前状态有更新，则更新并输出当前状态最佳估计值，体现为GPS信号有效时；若当前状态未更新，则输出当前状态估计值，体现为GPS信号无效时；由此达到当GPS信号无效时，卡尔曼算法能够预测晶振频率特性变化趋势，并补偿其负相关变化，使得系统输出信号频率特性稳定。
6.频率控制字选择模型
频率控制字选择模型考虑到完整的锁相环失锁、锁相环锁定、GPS信号无效、GPS信号有效以及锁相环处于锁定过程中等情况的频率控制字来源选择。其工作流程如图5所示：
频率控制字选择模型分为以下几种工作模式：
板卡上电工作时，分为两种情况：
GPS信号无效时：输出预存频率控制字；
GPS信号有效时：锁相环从未锁定到锁定过程中，输出预存频率控制字；
数字锁相环锁定后且GPS信号有效时，获取锁定状态下频率控制字并进行输出，同时进行晶振频率特性训练模型运算；
数字锁相环锁定后且GPS信号无效时，分为两种情况：
晶振频率特性训练模型已运算24小时：输出模型预测频率控制字；
晶振频率特性训练模型未运算24小时：输出最近1小时内频率控制字均值。
通过以上情况分类可以看出，无论系统处于哪种工作模式下，频率控制字选择模型都能输出相应的频率控制字以驱动直接数字频率合成器输出对应的性能优于本地时钟源特性的时钟信号。
实施例2
基于上述实施例1提出的系统，本实施提出了一种时钟源性能提高方法，该方法包括：
1.GPS信号存在时，此时系统处于驯服工作模式。数字锁相环使系统输出信号跟踪保持GPS接收机输出的高稳定性，高精度1PPS秒脉冲信号；此时系统输出信号特性远远好于晶振提供时钟特性；
2.GPS信号存在时，晶振频率特性训练模型根据历史频率控制字与历史板卡温度及系统运行时间预测直接数字频率合成器频率控制字与运行时间及温度的线性关系；
3.GPS信号丢失时，系统处于保持工作模式。此时数字锁相环将不再工作，晶振频率特性训练模型不再进行模型训练，直接数字频率合成器的频率控制字由晶振频率特性模型给出，其给出的频率控制字为历史频率控制字及板卡运行时间及温度的线性关系预测值；此时系统输出信号特性差于驯服工作模式时信号输出特性，但好于晶振提供时钟特性；
4.GPS信号再次恢复时，此时系统切换回驯服工作模式。数字锁相环继续工作，晶振频率特性训练模型继续工作。
与其他未使用该技术的核电厂时钟源相比，本发明技术方案具有如下优点：
1.基于FPGA进行全数字化设计，相较于其它非全数字化的设计，具有更低功耗、易于修改、响应时间短等特点；
2.基于FPGA实现数字锁相环+直接数字频率合成器结构，能够使系统输出信号跟踪GPS系统1PPS信号的高稳定度、高精度信号特性，提高本地时钟源频率特性；
3.基于FPGA实现卡尔曼预测算法，实现晶振频率特性预测分析，在GPS信号无效的情况下，使系统依然能保持输出较高精度及稳定度特性时钟信号；
4.在GPS信号有效与无效间变化时，具有整套直接数字频率合成器频率控制字数据来源选择方法，以完整覆盖系统各种变化情况。
采用本实施例的核电厂DCS平台时钟源性能提高方法，在GPS信号存在的情况下，可以将核电厂平台时钟源时钟精度提高2-3个数量级；在GPS信号丢失时，可以将核电厂平台时钟源时钟精度提高1-2个数量级；能够提高核电厂DCS平台稳定性及可靠性、降低通信误码率并为高速数据通信提供基础。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种核电厂DCS平台时钟源性能提高系统，其特征在于，该系统包括GPS接收机、数字鉴相器、数字环路滤波器、频率控制字选择器、直接数字频率合成器和分频器；
所述GPS接收机用于接收GPS信号并对其进行解析输出1PPS秒脉冲信号；
所述数字鉴相器用于根据输入的所述GPS接收机的1PPS秒脉冲信号和本地时钟源经所述分频器分频后的1PPS秒脉冲信号的相位差值输出与所述差值线性相关的控制字；
所述数字环路滤波器对所述数字鉴相器输出的控制字进行处理输出频率控制字；
所述频率控制字选择器结合晶振频率特性预测模型，根据系统工作模式，选择输出相应的频率控制字以驱动所述直接数字频率合成器输出对应的性能优于本地时钟源频率特性的时钟信号；
所述频率控制字选择器的具体工作过程包括：
系统板卡上电工作时，分为两种模式：
模式1：GPS信号无效时，输出预存频率控制字；
模式2：GPS信号有效时，数字锁相环从未锁定到锁定过程中，输出预存频率控制字；
数字锁相环锁定后且GPS信号有效时，获取锁定状态下频率控制字并进行输出，同时进行晶振频率特性训练模型运算；
数字锁相环锁定后且GPS信号无效时，分为两种模式：
模式1：晶振频率特性训练模型已运算24小时，输出模型预测频率控制字；
模式2：晶振频率特性训练模型未运算24小时，输出最近1小时内频率控制字均值。
2.根据权利要求1所述的一种核电厂DCS平台时钟源性能提高系统，其特征在于，所述数字鉴相器、数字环路滤波器、频率控制字选择器、直接数字频率合成器的数字部分基于FPGA实现。
3.根据权利要求1所述的一种核电厂DCS平台时钟源性能提高系统，其特征在于，所述数字鉴相器利用采样时钟对GPS用户接收机的1PPS秒脉冲信号和本地时钟源分频的1PPS秒脉冲信号两者的上升沿之间进行计数，从而测量得到两者之间的相位差。
4.根据权利要求1所述的一种核电厂DCS平台时钟源性能提高系统，其特征在于，所述数字环路滤波器由模拟滤波器通过双线性变换得到其传输函数。
5.根据权利要求1所述的一种核电厂DCS平台时钟源性能提高系统，其特征在于，所述直接数字频率合成器由相位累加器、正弦查找表、D/A转换器和低通滤波器构成；
所述相位累加器和正弦查找表在FPGA内实现，所述D/A转换器和低通滤波器由硬件电路实现；
所述相位累加器用于寄存频率控制字值，所述相位累加器输出累加数值的高N位作为所述正弦查找表的查找地址；
所述D/A转换器将所述正弦查找表输出的数字幅度值转换为模拟幅度值，并通过所述低通滤波器将输出信号中的高频分量滤除。
6.根据权利要求1所述的一种核电厂DCS平台时钟源性能提高系统，其特征在于，所述晶振频率特性训练模型采用基于卡尔曼预测算法实现。
7.根据权利要求6所述的一种核电厂DCS平台时钟源性能提高系统，其特征在于，所述晶振频率特性训练模型使用历史观测值得出历史最佳估计值；然后使用历史最佳估计值得到当前状态估计值；此时若当前状态有更新，则更新并输出当前状态最佳估计值；若当前状态未更新，则输出当前状态估计值；
由此达到当GPS信号无效时，所述晶振特性训练模型能够预测晶振频率特性变化趋势，并补偿其负相关变化，使得系统输出信号频率特性稳定。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述的核电厂DCS平台时钟源性能提高系统的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
GPS信号存在时，此时系统处于驯服工作模式，数字锁相环使系统输出信号跟踪保持GPS接收机输出的1PPS秒脉冲信号；
GPS信号存在时，晶振频率特性训练模型根据历史频率控制字与历史板卡温度及系统运行时间预测直接数字频率合成器频率控制器与运行时间及温度的线性关系；
GPS信号丢失时，系统处于保持工作模式，此时数字锁相环将不再工作，晶振频率特性模型不再进行模型训练，直接数字频率合成器的频率控制字由晶振频率特性模型给出，其给出的频率控制字为历史频率控制字及板卡运行时间及温度的线性关系预测值；
GPS信号再次恢复时，系统切换回驯服工作模式，数字锁相环继续工作，晶振频率特性训练模型继续工作。
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