秒脉冲守时时钟模块的设计与实现开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

随着电子行业的发展精确的时间频率在电力系统中有着很广泛的应用，不仅仅在电网通信网络中需要频率同步，在监控、调度和通信等方面也有高精度的时间频率同步要求。因此设计一个具有高精度和高稳定性守时时钟模块具有重要的意义。实际操作中普遍采用GPS/北斗作为时间同步的基准。但是一旦发生特殊事件导致信号微弱甚至消失，GPS的可利用性就会受到限制，无法利用外部输入频率进行守时。而守时时钟模块可以利用自身的标准频率对本地信号频率进行校准，并在规定时间内保持稳定的模块，可在没有GPS信号校准时提供精准的时间频率信号^[1-4]。

为了能够保证输出高精度和高稳定性的同步时钟，目前同类产品普遍采用的方法是：用GPS时钟频率信息来校正本地的时钟：在正常运行时，由GPS模块通过驯服 GPS 信号、定位解算来获取 GPS系统的时钟频率信息，并用于跟本地时钟比较校正本地钟，使本地钟保持与GPS系统时间频率的同步；当GPS信号不稳定或消失时，由本地时钟频率负责维持时钟频率信号的输出，直到GPS信号重新稳定并再次获得GPS的时钟频率信息后，回到正常运行状态，正常输出稳定的时频率^[5]。

文献^[6-9]介绍了几种应用在GPS/北斗中应用的时间同步方法，GPS系统时的同步原理源于卫星定位原理，卫星定位可以分为测角定位和测距定位两种，按卫星数量和定位原理可分为单星定位和双星定位以及多星定位，在测距定位中所有的测量基准都应统一到一个时间基础上。根据卫星定位延伸出时间同步技术，GPS时间同步技术中包括驯服和守时，守时是在没有卫星信号时使用的模式，是基于加法器(ABC)的全数字守时系统的实现方案。

(1)同步复位。

同步复位是通过上升沿判别电路接收到秒脉冲上升沿的信息，来判断本地时钟的计数值是否在准确位置附近，若是，则可知道1pps信号为准确的秒脉冲信号，立即输出，同时将晶振的计数器清零。若不是，则认为信号是干扰信号，不予理会。通过同步复位信号来保证信号稳定准确，同步复位是在有相应时钟沿到来时复位信号才能起到复位同步的作用，否则复位信号只有在等待时钟信号时间超过一个周期才能保证系统的正确复位。

(2)时间差反馈调整

在时间差反馈调整方案中通过根据晶振的计数器求得晶振在固定时间内产生的误差，将相应的误差值反馈给相应的调整电路进行调整，保证信号的稳定输出。在时间差反馈调整方案中所使用的电路过于繁琐，因为设定的反馈时间过长过短都会造成信号的误差增大^[19]。

(3)预设补偿值

在预设补偿值方案中，通过记录预设补偿值的电路在设定时间内记录下时间差检测模块测得的误差平均值，再通过计数器对晶振输出进行分频计数根据之前记录下误差平均值进行计数器的补偿，最后输出得到精准的1pps信号。

(4)在线修正

在在线修正方案中，通过在线的GPS信号与晶振输出信号进行比较计算出误差值，再通过CPU通过相应设定的算法来计算出需要给出的补偿值，在规定的时间点进行补偿。本方案中只有在有GPS信号的情况下才能对信号进行修正，在没有GPS信号情况下无法保证信号的稳定，只能通过提高所使用的晶振精确度来提高精度，开发成本过高。

根据以上几种方案的优缺点比较，本课题决定选用方案三并且参考其它方案对本课题进行设计，通过计数器来计算出固定时间内晶振的脉冲信号平均值，将平均值与标准信号相比较出相应的误差，通过上升沿同步法来调整信号相位和频率，将调整后的信号输出。

本课题主要是秒脉冲守时时钟模块的设计与实现，通过从GPS/北斗卫星系统接收机得到精确与稳定的1PPS时间信号，在接收到时间信号时完成时间同步，在卫星信号丢失的时候可以在短时间内维持精准的时间信号输出。结合现时间的硬件决定选用单片机附加一些相应的外部控制电路，在有信号输入时通过单片机cpu对内部秒脉冲信号和外部信号的比较来调整内部晶振以达到输出稳定精确的秒脉冲信号，在无信号时通过在cpu中设定补偿值在设定时间点进行补偿，在软件上选用keil作为单片机的开发软件，通过相应的算法程序来控制外部电路运行实现对信号的调相，调频，比较等功能，最终是实现准确的秒脉冲输出。

1.守时模块的原理：

图1锁相环的基本构成

晶振的输出信号通过波形转换和分频处理，产生频率为1Hz的秒脉冲信号，将此信号与GPS的时标信号进行比较，根据比较的结果进行校正，由单片机控制输入晶振的电压来完成频率校正，最终实现频率的正确输出。

通过将晶振产生的1Hz信号与GPS时标信号进行比较，根据比较的结果进行调相处理，最终实现晶振产生的频率与时标信号完全同相位，这样经过调频，调相处理后，便可产生于GPS信号相同步的守时1PPS脉冲。

2.守时模块中的主要构成：

2.1 本地时钟信号和分频

通过恒温晶体振荡器进过分频电路处理后产生频率为1Hz的信号作为本地时钟信号。

2.2 授时信号

外部电路包括D/A转换、调频调相的脉冲计数器、输出信号状态检测电路、相差检测电路、超前脉冲的处理电路、滞后脉冲的处理电路，通过检测电路检测输入秒脉冲和本地信号，将检测后的信息输入单片机cpu经过运算后启用相应的处理电路来调整信号，最终实现信号的稳定输出。

2.3 单片机cpu

单片机cpu的主要功能是接收外部检测电路传入的信息，通过相应的算法来运算需要调整的范围并启用相应的处理电路。

参考文献

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

（1） 为了避免本地晶振信号源的误差，要使用什么种类的晶振，如何保证晶振产生的1pps/1hz信号稳定。

（2） 研究输入信号和本地频率信号如何比较，并且比较后如何进行调整使输出信号得到校正。

（3） 研究如何保证没有外部信号源输入的情况下，能够在规定时间内保持稳定输出。