GPS共视接收机硬件控制和数据实时处理解决方案

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　　GPS共视法技术用于测量位于不同地方的两个频率源。在测量过程中，每个地方各有1个频率源和1台共视接收机。共视接收机测量本地频率源与GPS信号，并保存测量结果。经过一段时间的测量后，汇总两地的测量数据，经数据处理去掉GPS信号，就可得到两地频率源的比较结果。GPS共视法是国际上流行的远距离时间频率传递技术，是目前时间频率远距离量值传递的主要工具之一，它的核心是GPS共视法接收机及后处理算法。最近，我们自行研制出GPS多通道接收机，并已经应用到中国计量科学研究院的原子时标国际比对系统中。这里，简略介绍GPS共视法接收机硬件及底层软件中有关硬件控制和对数据流实时处理的解决方案。
　　一、系统组成
　　我们研制的GPS共视接收机主要包括:自主研制的高精度时间间隔计数卡(TIC卡)、商用GPS接收引擎及Windows桌面应用程序。
　　TIC卡具有3个功能:1.测量本地频率源信号与GPS信号;2.具有计算机ISA总线兼容接口;3.作为GPS接收引擎的控制器和数据转发器。
　　GPS接收引擎具有解码并输出GPS信号的功能。
　　TIC卡和GPS接收引擎属于接收机的硬件部分。
　　Windows桌面应用程序包括3个程序:1.用户应用程序。完成数据处理、数据保存功能，具有图形化数据显示界面和接收机的控制界面;2.动态链接库(DLL)。为用户应用程序提供数据接口函数和控制接口函数;3.设备驱动程序。为动态链接库提供访问ISA总线端口的功能。2、3两个程序属于底层软件。
　　接收机的硬件和底层软件按模块可划分为5部分，如解决方案框图所示，分别是:硬件模拟、数字电路、单片机控制、ISA总线、设备驱动程序和DLL程序。每个模块中分别有不同的工作部件完成不同的功能。各部件处于并行关系。从工作时序图中可以看到，各部件间的工作在时序上是交叉的，需要同时进行。
　　多个部件同时、并行工作，在时序交叉的部分如何保证稳定工作，同时不降低对实时性的需求是接收机硬件和底层软件设计的难点和关键。实践中，我们采用的解决方案如图1所示。
　　

图1 GPS共视接收机系统解决方案框图
　　二、解决方案的实现要点
　　GPS共视接收机需要处理两种原始数据:1.本地频率源信号与GPS信号间的时间间隔测量值;2.GPS卫星信息。数据处理周期每秒一次。如图2所示，共视接收机的数据处理在循环周期(每秒一次)内，不但要完成测量、硬件控制、硬件数据传输、底层数据解码等所有的工作，还要尽可能快地完成，为上层软件的数据处理提供更多的时间，所以实现高实时性是必须的要求。本系统结构复杂，测量、控制、状态监视、数据传输都必须并行工作，在实现高实时性的同时实现高稳定性。
　　

图2 GPS共视接收机各部件工作时序图
　　为此，解决方案中采用的具体技术措施和解决的技术要点如下:
　　1.硬件上，ISA总线端口采用双通道设计，命令传输通道与数据传输通道分离。其中，命令传输通道采用双向、双工的I/O端口设计，使单片机与DLL之间的通讯可双向、同时进行，提高了命令执行、数据查询、状态查询等指令的执行效率。数据传输通道采用高速FIFO芯片，加快了GPS数据的传输速度，提高了系统响应时间。
　　2.动态链接库采用双线程设计。为数据处理开辟了一个新的线程，使数据处理与执行控制命令或查询命令同步进行，相互独立。
　　3.动态链接库双线程工作，虽然提高了程序的响应速度，但由于Windows操作系统控制着线程间的执行切换，因而可能发生某个线程访问计算机I/O端口的同时，另一个线程也访问同一端口的情况，这将导致程序的崩溃。为解决这一潜在的威胁，程序引入了Windows内核对象——互斥量对象，避免了端口交叉访问的问题，使得程序在高实时性的同时也具备高稳定性。
　　4.由于数据处理要求每秒一个周期，但在数据处理的过程中并没有实际的秒标示存在。系统中数据流是以串行码的方式发送的，如何在串行码流中找到秒标示是个难点。在实际解决方案中，我们将时间间隔测量值用作秒标示，确保GPS数据流在秒标示间转发并处理完毕，保证了系统的高实时性。
　　5.我们在硬件设计中采用了大规模可编程逻辑器件(CPLD)实现了几乎全部的数字电路。这种设计大大减小了电路板的面积，使得将TIC卡设计为一块计算机插卡成为可能。
　　三、解决方案的特点
　　解决方案的特点主要体现在系统的高稳定性和高实时性上。
　　1.高稳定性是GPS共视接收机的必须条件。因为各国UTC守时实验室的共视接收机都必须24小时连续工作，从不间断。GPS共视接收机硬件部分、底层软件部分之控制和数据流实时处理解决方案保证了我们研制的接收机达到这个水平。
　　2.高实时性是我们研制的接收机的一大特点。国外GPS接收机多为数据后处理接收机。解决方案中的双通道通讯，双向、双工的I/O端口设计，DLL双线程工作等措施帮助系统实现了高实时性。
　　四、结束语
　　GPS共视法接收机研制成功后，各项技术指标均达到了技术要求。特别是系统的高稳定性和高实时性得到了广泛的好评，说明我们的控制机制和数据处理方案是合理正确的。