基于GPS校准晶振的高精度时钟的设计

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基于GPS校准晶振的高精度时钟的设计
张国琴，吴玉蓉
(武汉科技学院电子信息工程学院，湖北武汉430073)
摘要：文章结合高精度晶振无随机误差和GPS秒时钟无累计误差的特点，采用GPS测量监控技术，对高精度晶体振荡器的输
出频率进行精密测量和调节，使晶振的输出频率同步在GPS系统上，从而提供高精度的时钟信号。根据此方法研制了具有高性价
比的高精度时钟发生装置，并成功的应用于通信系统中。
关键词：GPS；晶振；高精度；时钟
中图分类号：TM764 文献标识码：B 文章编号：1006—2394(2010)O4—0023—02
Design of High Precision Clock Based on the GPS Disciplined Oscillator
ZHANG Guo—qin．W U Yu—rong
(College of Electronics＆Information Engineering，Wuhan University of Science and Engineering，Wuhan 430073，China)
Abstract：As the GPS．clock is free of cumulative error and the high precision crystal oscillator is free of random
error，the two clocks can be effectively combined． By adopting advanced GPS monitoring and controlling technology，the
output~equeney of the crystal oscillator is measured and adjusted．The high precision clock with high performance price
ratio is designed，which has been successfully applied in communication system．
Key words：GPS；crystal oscillator；high precision；clock
0 引言
本文结合GPS的长期稳定性校准晶振频率，采用
GPS测量监控技术，对晶体振荡器的输出频率进行精
密测量和调节，使晶振的输出频率同步在GPS系统
上，提供高精度的时间频率基准信号。
1 高精度GPS校准晶振时钟设计中应注意的问题
GPS秒脉冲的高精度是统计意义下的，对一个具
体的秒脉冲，其偏差可能达到200ns，另外，GPS接收
机短期失锁、卫星试验、电磁干扰等因素，都可能造成
秒脉冲的失真，如果直接使用GPS的秒脉冲信号来校
准时钟，其精度只有2×10～，因此，不能直接使用秒
脉冲信号作为高精度的时钟信号。但可以根据GPS
秒时钟没有累计误差的特点，来校准晶振。控制系统
选择一个合适的时间长度来校准晶振，晶振越稳定，校
准的时间长度就可以越长。根据以上所述，设计高精
度的GPS校准晶振时钟需要注意以下几个方面：
(1)消除GPS伪秒脉冲，由于GPS秒脉冲在传递
过程中可能受外部电磁干扰而夹杂着伪脉冲，为避免
处理器误判断，应予屏蔽。
(2)使用高稳定度晶振，以获取高精度的时钟。
(3)选用合理的算法，用GPS时钟的长期稳定性
(即没有累计误差)来校准晶振时钟，并及时对晶振进
行调整。
2 GPS校准晶振时钟的原理结构
图1是一个应用于通信系统的GPS校准时钟原
理结构。本文采用的是10MHz带电压调节的恒温晶
振，通过时钟芯片产生61．44MHz的信号。但仅由晶
振和时钟芯片产生的时钟信号的精度不能满足要求，
需要通过GPS的时钟信号进行校准。GPS的秒脉冲
信号输入到FPGA，FPGA在1 S内对时钟芯片输出的
61．44MHz时钟进行计数，过滤掉干扰数据，计算出相
位偏差，将此相位偏差转换为OCXO控制寄存器的变
化，以此变化值来调节OCXO，使它达到稳定的精度。
收稿日期：2009—11
作者简介：张国琴(1977一)，女，讲师，研究方向为数字信号处理。
图1 GPS校准时钟原理结构
· 24· 仪表技术 2010年第4期
2．1 高稳定度恒温晶振提供工作时钟
用恒温晶振OCXO提供工作时钟。该晶振采用
精密控温，使晶体工作在晶体的零温度系数点的温度
上，具有很高的频率精度和稳定度，是目前石英晶振器
件中频率稳定度最高的一种。晶振的频率精度是指晶
振的实际工作频率与标称频率间的偏差，精度引起的
偏差会给测量系统引入累积误差。晶振频率稳定度是
指秒级间隔内的瞬时稳定度，即由晶振“相位噪声”引
起的频率随机变化，瞬时稳定度通常会给测量系统引
入随机误差。本装置采用新型的高稳定度恒温晶振
OD02—5T型晶振，它的频率精度达到10 量级，频率
稳定度达到10 量级。频率调整范围是电压调整(0
～ 5V)为一9×10 ／8×10～，这种可调特性使得此恒
温晶振通过GPS的校准输出频率精度可以达到10一。
2．2 GPS秒脉冲
GPS接收机接收到的GPS秒脉冲或多或少存在
一些误差，GPS秒脉冲的误差服从正态分布，与国际标
准时间(UTC)相比只存在单个秒脉冲左右的漂移，从
一段时间来看GPS秒脉冲并不存在累计误差。因此
首先对单个脉冲的有效性(即是不是伪脉冲)要进行
鉴别。在大量统计的意义下，计数值的偏差(对应于
一个GPS秒脉冲计数时钟芯片的输出)近似服从正态
分布，最大偏差17，由此可以近似算出sigma=17×
68-3％ =11，算法中采用的滤波门限值为10，比sigma
值稍小一点，也就是当技术偏差大于10，就认为当前
的GPS秒脉冲是伪脉冲，舍弃不要。另外，对于GPS
的长期稳定性，技术上也不可能取无限长。由于所选
晶振的稳定度很高，本文选择校准时间为16s。
3 GPS校准晶振的算法
OCXO灵敏度 表征了OCXO的最小分辨率，此
值越小，表示OCXO的精度越高，它的计算公式为：
Ko=OCXO频率变化范围／OCXO寄存器变化范围
为相位检测器灵敏度，它由后台进行时钟校准
时算出，计算过程为：设置测量周期为15s，设置OCXO
寄存器的值为1，记录计数器的值COUNT 设置OCXO
寄存器的值为4095，记录计数器的值COUNT? ，则：
Ji『= 二
一。 COUNT
?
一COUNT i
如果GPS信号无效，不进行时钟校准，此时时钟
的精度依赖于OCXO本身的稳定性和当前的环境特
性，如温度、电压稳定性等。
(1)当计数值不等于61．44MHz时，进入粗调状
态，平均时间为16s，以使OCXO快速进入细调状态。
(2) 当计数值达到61．44MHz时，进入细调状态，
平均时间为2K。，由于K。与K 成反比，即细调的平均
时间与 成反比，OCXO的灵敏度越高，平均时间越
长；反之，当OCXO的灵敏度比较低时，平均时间就比
较短。时钟校准算法如图2所示。
图2 时钟校准算法
4 结论
本文根据GPS时钟无累积误差和恒温晶振无随机误
差的特点，提出了通过GPS校准晶振产生高精度时钟的
方法；并研制出了高精度的时钟发生装置，成功的运用
到了通信系统用扫频仪中。研制出的时钟的精度可达
到2×10一，由于这样的精度同时可以满足电力系统继
电保护等系统的要求，同样也可以推广到电力系统中；
同时也可以为定时信号发生器提供1级时钟同步信号，
还可以向外提供跟踪GPS以及UTC时间的时钟信号。
参考文献：
[1]李泽文，曾祥君．基于高精度晶振的GPS秒时钟误差在线
修正方法[J]．电力系统自动化，2006，30(13)：55—58．
(下转第27页)
2010年第4期 仪表技术 ·27·
时间、路程的实时显示。
4 关键技术解析
4．1 控制算法
本系统中舵机采用PID控制算法，PID控制的原
理框图如图5所示。
图5 PID控制原理框图
PID控制属于线性控制，它根据给定值r(t)与实
际输出值Y(t)的差构成控制偏差：
e(t)=r(t)一Y(t) (1)
PID的控制率为：
)+ ㈩df+ 】(2)
式中： 为比例系数， 为积分时间常数， 为微分时
间常数。
实际中由于积分量对小车的影响相对较小，所以
智能车采用PD控制。舵机的控制方法如下：首先定
义方向的初始位置k。，以轨道边沿值与初始值的偏差
u(0)=m—k 作为控制偏差，其中m为小车轨道边沿
的实际输出值，k。为导航线中心位置初始值，智能车
的控制率为：
d =X0+k。·M[0]+k ·(u[0]一M[1]) (3)
式中：d 为方向控制量， 。为初始值，u[0]一 [1]为控
制偏差变化率。
4．2 控制指令的形成
首先将速度控制和PID参数设置的控制指令定义
在同一帧数据中，帧格式如表1所示。
表1 控制指令帧格式
f帧头 速度控制 P参数 I参数 D参数 帧尾
档位选择 数值 数值 数值
然后根据需求，选择速度档位，选择档位的同时
(如：点击了面板中高速的按钮)便会自动生成指令发
送出去。由于小车在调试的过程中采用PID参数试凑
法，所以PID参数要不断地改变，方法是先设置PID参
数值，然后点击发送按钮，指令即可生成并最终通过无
线串口发射出去。
4．3 速度控制
速度控制主要针对智能车的初始化速度参数组的
选择。初始化速度参数组包括：初始化速度speed—ini、
最大速度speed—max、加速门限及刹车门限brake—
speed。智能车的电机转速与单片机输出的占空比有
关，speed—ini用来设置初始化占空比，speed—max用来
控制PWM波的最大占空比，此时电机的转速最大，锁
定该最大值，直到速度减小为止。光电码盘以20ms
为周期计数，当相邻周期内的脉冲数小于low—speed，
智能车开始加速；当大于门限值时，则开始减速。
4．4 状态信息监测
显示部分主要包括时间、速度、路程三部分。时间
由单片机内部定时器提供；常用的转速测量方法有测
频法和测周期法，测频法适用于高转速的测量，测周法
适用于低转速的测量，因为智能车的转速相对较高，故
采用了测频法来测速；路程是对速度在复位到停止时
，t
间段的积分(即：Js=J d )。最终将这三个参数通过
jo
无线串口传回给控制中心，由用户程序界面完成显示
功能。
5 结束语
本文将Labwindows／CVI与智能车相结合，通过
无线模块的数据收发，实现了智能车的部分遥控功能、
状态的实时监测功能以及PID参数在线设置。在使用
该方法以前每次调试时间(包括启动时间、停车时间、
程序下载时间等)平均需要5min，应用该方法后仅需
要lOs即可完成PID控制参数的设置，在方便了智能
车调试的同时，也极大地缩短了智能车的开发周期。
参考文献：
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(许雪军编发)
(上接第24页)
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[4]藏其源，林时昌．振荡器的频率稳定度及其对电子系统的
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(郁菁编发)
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2014-9-29 20:13 上传

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