剖析FPGA和单片机的守时系统设计

摘 要：介绍守时系统的重要作用及其发展现状，分析了守时系统发展过程中遇到的一些问题，设计了一个以GPS/北斗信号作为时标的守时系统。采用双恒温槽的恒温晶振MV180作为系统的输入时钟，使用单片机控制DAC7512对其频率进行调整。首先，系统对调整后的本地时钟信号进行分频处理，再与GPS/北斗接收到的标准秒信号进行比较，通过FPGA和单片机对分频后的信号进行相位的调整，最终输出标准秒脉冲信号，从而快速获得高精度的时间基准，并能在GPS/北斗失锁后对该信号进行保持，实现时间同步。

精确的时间在电力系统中有着广泛的应用，不仅仅在电网通信网络中需要时间同步，在监控、调度和数据交换等方面也有高精度的时间同步要求［1-2］，因此开展守时理论和方法的研究对于电力系统的建设和发展具有极其重要的意义［3］。电网中普遍采用GPS/北斗作为时间同步的基准，具有较高的时间精度。但是一旦发生特殊事件，导致信号微弱甚至是消失时，GPS/北斗的可利用性就会受到限制，无法利用它来进行守时。而守时系统则是一种可以利用标准时标对本地信号进行校准，并在规定时间内保持稳定的系统，可在GPS/北斗受限时作为标准时钟为电力系统提供高精度的时间信号。

目前，对于守时系统的研究主要集中在跟踪及保持守时系统的精度、跟踪过程的调整速度和系统的便携性上。参考文献［4］阐述了若干种测量相位差的方法。参考文献［5］~［8］介绍了几种目前应用于电力系统中的时间同步技术。参考文献［9］~［12］中的守时电路是通过接收FPGA送来的高精度标准时间信息，对外部频率标准进行高精度分频计时，产生与标准时间保持同步的时间信号，并通过软件对守时电路的时间进行校准。

参考文献［13］、［14］采用普通晶振和单片机构成计时器，通过与上位机通信实现守时。该方法实现起来较容易，但调整速度较慢，且普通晶振工作一段时间后频率会产生一些变化，不能实现信号的稳定保持。

为了达到高速、高精度及良好稳定性的要求，本文提出了以下的设计方案：以10 MHz高精度双恒温槽的恒温晶体振荡器MV180及GPS时标作为系统时钟输入，应用Cyclone III系列FPGA设计分频、调频、调相电路，通过1T高速单片机对整个守时系统进行相应的控制，最终输出标准秒脉冲信号，实现了一个高可靠性和高精度的守时系统。

1 系统构成

恒温晶振的输出信号经过波形转换和分频处理，产生频率为1 Hz的秒脉冲信号，将此信号的频率与GPS/北斗时标信号的频率进行比较，根据比较的结果进行频率校正。由于输出频率的最终值由加在控制端的控制电压来决定，因此校正的过程由单片机根据当前频率控制DAC7512输出不同的电压值来完成，最终实现与GPS/北斗时标信号完全同频。

将分频后产生的秒脉冲和GPS时标信号进行相位比较，根据比较结果进行调相处理，最终实现与时标信号完全同相位。这样，经过调频、调相处理后，便可产生与时标信号完全同频、同相位的守时脉冲。该系统的原理框图如图1所示。

将晶振的输出接入该电路进行耦合，并外加偏置电压使其电压范围满足施密特触发器的触发条件。经过两次施密特触发器的变换，最终输出标准的10 MHz方波信号作为整个系统的本地时钟信号。

2.2 输入时钟的调频处理

由于晶振本身在运行一段时间后可能存在一些频率上的误差，导致系统输入时钟不准确，因此需对其进行调整。将系统输入时钟接到工作频率为32 MHz的STC 1T高速单片机的计数器端口，通过门控方式控制计数的时间，每秒记得的脉冲数即为系统时钟的频率值。

根据MV180的f-V特性，频率随着控制电压的变化呈缓慢变化，且只在总体上呈正向变化，并没有严格的比例关系和数学模型。因此，整个调频过程不应该太快，且需选择合适的算法，而不是单纯的比例控制［15］。通过进一步的实验得出，调整时间间隔设置在100 s时效果较好，且调整较为方便，既保证了精度，又提高了系统工作效率。其调整算法归纳如下：

由图3可知，输出秒脉冲相位超前时，D触发器输出为低电平，相位滞后时输出为高电平，因此，可判断出当前两信号的相位关系。

本设计通过门控电路控制相差计数的开启和关闭。当存在相差时，相差检测端输出高电平，门控信号开启，由单片机的计数器对相差脉冲进行计数，从而确定相位差的时间，再根据超前和滞后的不同情况通过软件控制超前/滞后脉冲处理电路对相差进行调整。

超前脉冲处理电路如图4所示。若本地时钟相位超前，将超前处理开关置高电平，经与非门后变为低电平，从而阻止本地时钟通过，对超前的相位进行校正。当本地时钟不超前时，超前处理开关置低电平，本地时钟可正常通过。

由表1可以看出，该系统具有良好的校正性能，能够较快速地在校正过程中减小与时标信号的相位差，最终在规定精度范围内达到与GPS/北斗时标信号完全同步的效果，实现电力系统的精确守时。

在跟踪GPS/北斗时标的过程中，系统能够快速地对本地时钟进行调频调相，并在校准后使其保持在规定的精度范围内。图7为校正后的输出秒脉冲与GPS/北斗时标信号之间的相位关系。

利用FPGA和单片机设计的守时系统可实现对时钟信号的频率与相位的调整，使之成为标准时间信号，并在GPS/北斗信号失锁后能够长时间保持。系统设计中采用的高精度恒温晶振能够提供稳定的频率输出，有效保证了系统的精度。同时，FPGA的使用增强了系统的抗干扰能力，提高了系统的速度和稳定度，使整个守时系统的精度和可靠性得到了充分保证，能够为整个电力系统提供高精度的时间同步基准，满足电力行业的需求，具有较高的实用性。

参考文献

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编辑：jq