全網(wǎng)同步監(jiān)測(cè)裝置GPS接口模塊的改進(jìn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：在電力系統(tǒng)全網(wǎng)風(fēng)步監(jiān)測(cè)裝置GPS接口模塊設(shè)計(jì)中，要注意雙口RAM相關(guān)程序設(shè)計(jì)以保證接口板與計(jì)算機(jī)總線數(shù)據(jù)交換的可靠性及利用接口板內(nèi)部晶振構(gòu)成守時(shí)鐘以削弱對(duì)單個(gè)PPS秒脈沖的依賴性。就此給出了有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的具體實(shí)現(xiàn)方案。

關(guān)鍵詞：全網(wǎng)同步監(jiān)測(cè)裝置 GPS接口模塊 雙口RAM PPS秒脈沖 晶振

電力系統(tǒng)全網(wǎng)同步監(jiān)測(cè)裝置[1]以基于GPS精確授時(shí)技術(shù)的PMU（相量測(cè)量單元）裝置為基本組件，用于解決黑龍江東部電網(wǎng)窩電問題的區(qū)域穩(wěn)定控制系統(tǒng)，是其在工程的一個(gè)具體應(yīng)用。區(qū)域穩(wěn)定控制系統(tǒng)自1997年3月投運(yùn)以來，有效地提高了黑龍江東部電網(wǎng)的運(yùn)行極限，同時(shí)也為全網(wǎng)同步監(jiān)測(cè)裝置和GPS精確授時(shí)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用積累了豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

電力系統(tǒng)全網(wǎng)同步監(jiān)測(cè)裝置中GPS接口板的高可靠性和高準(zhǔn)確性是整個(gè)裝置正常工作的必要前提。對(duì)GPS接口板的改進(jìn)和完善是優(yōu)化全網(wǎng)同步監(jiān)測(cè)裝置整體性能的關(guān)鍵步驟。本文依據(jù)IEEE-1344的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合區(qū)域穩(wěn)定控制系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中遇到的各種現(xiàn)象，提出了電力系統(tǒng)全網(wǎng)同步監(jiān)測(cè)裝置GPS接口板設(shè)計(jì)中值得注意的兩個(gè)問題，即提高GPS接口板與計(jì)算機(jī)總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的可靠性和利用GPS接口板內(nèi)部晶振構(gòu)成守時(shí)鐘以削彈對(duì)單片PPS秒脈沖的依賴性。對(duì)此本文給出了有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的具體實(shí)現(xiàn)方案。

1 GPS接口模塊設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

全網(wǎng)同步監(jiān)測(cè)裝置中GPS接口板的主要功能是將GPS接收設(shè)備提供的標(biāo)準(zhǔn)串行通訊接口和PPS秒脈沖轉(zhuǎn)換為基于計(jì)算機(jī)總線的高精度時(shí)間定標(biāo)系統(tǒng)。即：①從串行通訊接口獲得的報(bào)文中提取出有用的時(shí)間信號(hào)和鎖星數(shù)目、狀態(tài)等信息，將這些信號(hào)并行送入計(jì)算機(jī)總線；②利用單片機(jī)及其外部晶振將統(tǒng)計(jì)意義下高精度的PPS秒脈沖倍頻成為同步、均勻、穩(wěn)定的600Hz全網(wǎng)同步數(shù)據(jù)采集觸發(fā)脈沖。因此，GPS接口板與計(jì)算機(jī)總線系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院?00Hz脈沖與PPS秒脈沖間的同步性可以作為衡量GPS接口板性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。

GPS接口板除向計(jì)算機(jī)總線系統(tǒng)提供時(shí)間標(biāo)簽外，還要接收總線外來的命令和狀態(tài)字節(jié)，以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步監(jiān)測(cè)裝置下位機(jī)部分主從CPU結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。接口板上單片機(jī)與計(jì)算機(jī)總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換頻繁，時(shí)序復(fù)雜多變。為解決計(jì)算機(jī)總線和單片機(jī)讀寫速度不同的矛盾，通常選用雙口RAM做為數(shù)據(jù)緩沖器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。這部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸容易出現(xiàn)由于雙端口RAM使用不當(dāng)引起的對(duì)同一地址的讀/寫和寫/寫爭(zhēng)用，造成數(shù)據(jù)誤讀、數(shù)據(jù)內(nèi)容不確定等問題。因此，結(jié)合雙口RAM硬件工作特點(diǎn)、實(shí)際數(shù)據(jù)流量及流向，合理設(shè)計(jì)相關(guān)的軟件，可以提高GPS接口板與計(jì)算機(jī)總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的可靠性。

600Hz脈沖與PPS秒脈沖間的同步性、自身均勻性是實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo)。同步監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)GPS接收機(jī)提供秒脈沖的精確度要求通過GPS接口板轉(zhuǎn)化為對(duì)600Hz脈沖精確度要求。通常在將PPS秒脈沖倍頻成為600Hz同步采樣脈沖的過程中，過于依賴單個(gè)PPS秒脈沖的精度，若某個(gè)PPS秒脈沖誤差過大，則對(duì)應(yīng)該秒的600Hz同步采樣脈沖將會(huì)失步調(diào)整，使得相應(yīng)的采集數(shù)據(jù)不可用。實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)[2,3]顯示PPS秒脈沖誤差過大的原因主要有以下4種：①PPS秒脈沖的高精度是統(tǒng)計(jì)意義下的。對(duì)一個(gè)具體的秒脈沖，實(shí)測(cè)其偏差可能高達(dá)250ns。這樣的亞微秒級(jí)偏差對(duì)倍頻算法和同步精度的影響可以忽略，但實(shí)際運(yùn)行中不排除可能遇到更大的偏差。當(dāng)偏差達(dá)到微秒級(jí)時(shí)，會(huì)有明顯的影響；②GPS接收機(jī)短期衛(wèi)星失鎖。此時(shí)PPS秒脈沖由接收機(jī)內(nèi)部電路繼續(xù)維持供給，由于誤差無法得到定時(shí)校正，積累誤差會(huì)導(dǎo)致PPS秒脈沖精度不能滿足要求；③衛(wèi)星試驗(yàn)、太陽風(fēng)暴等因素也有可能導(dǎo)致PPS秒脈沖誤差過大；④運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾強(qiáng)烈。干擾可通過作用于系統(tǒng)電源或單片機(jī)PPS秒脈沖輸入口產(chǎn)生偽PPS秒脈沖，作用于系統(tǒng)電源的電磁干擾可通過配備UPS電源來抑制，而串入PPS秒脈沖輸入口的干擾很難通過簡單的硬件方法根除。

應(yīng)當(dāng)指出PPS秒脈沖誤差過大屬于偶然現(xiàn)象。通常情況下，PPS秒脈沖的精度是合乎要求的。基于PPS秒脈沖統(tǒng)計(jì)意義下穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，借助單片機(jī)外部晶振恒溫條件下的高穩(wěn)定性，通過軟件設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的守時(shí)鐘。GPS接口板內(nèi)部晶振構(gòu)成的守時(shí)鐘可以削弱接口板正常工作時(shí)對(duì)單個(gè)PPS秒脈沖精度的過分依賴，提高GPS接口板的抗干擾能力，在各種極端情況下仍可正常工作，從而提高整個(gè)全網(wǎng)同步監(jiān)測(cè)裝置的抗干擾能力。

2 GPS接口板的實(shí)現(xiàn)

2.1 GPS接口板框架結(jié)構(gòu)

GPS接口板在考慮了提高GPS接口板與計(jì)算機(jī)總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的可靠性和利用GPS接口板內(nèi)部晶振構(gòu)成守時(shí)鐘以削彈對(duì)單片PPS秒脈沖的依賴性兩個(gè)問題的基礎(chǔ)上，盡量使硬件電路的設(shè)計(jì)清晰、簡潔，這有利于提高GPS接口板的可靠性，原理框圖見圖1。

GPS接口板的特點(diǎn)如下：①提供一路高精度600Hz同步采樣脈沖和用于時(shí)鐘標(biāo)簽的全球同步的微秒級(jí)計(jì)時(shí)；②提供全網(wǎng)同步監(jiān)測(cè)裝置下位機(jī)部分系統(tǒng)級(jí)復(fù)位功能；③GPS接收機(jī)可以就地接入，也可通過RS-422遠(yuǎn)程接入；④允許計(jì)算機(jī)總線系統(tǒng)側(cè)主CPU對(duì)本板發(fā)2種中斷，用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊和保護(hù)系統(tǒng)程序不發(fā)生意外死循環(huán)；⑤通過雙口RAM與計(jì)算機(jī)總線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊；⑥利用單片機(jī)及其外部晶振實(shí)現(xiàn)板內(nèi)的守時(shí)鐘，以此削弱對(duì)單個(gè)PPS秒脈沖精度的依賴。

2.2 有關(guān)雙口RAM的軟硬件設(shè)計(jì)

GPS接口板選用的雙口RAM為DALLAS公司的DS1609，其內(nèi)部自帶地址鎖存功能，允許數(shù)據(jù)、地址總線復(fù)用，與單片機(jī)和計(jì)算機(jī)總線的接口電路簡潔可靠。DS1609相關(guān)軟件設(shè)計(jì)要求較高，因?yàn)樗试S兩端同時(shí)訪問存儲(chǔ)單元，但芯片本身不提供硬件的訪問沖突仲裁邏輯，潛在的訪問沖突必須通過軟件設(shè)計(jì)的方法來避免[4]。

GPS接口板運(yùn)用“郵箱法”思想并結(jié)合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流量及流向設(shè)計(jì)雙口RAM相關(guān)程序。這里郵箱指標(biāo)志存儲(chǔ)器，它總是成對(duì)出現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中，可以根據(jù)需要約定若干對(duì)郵箱。每對(duì)郵箱負(fù)責(zé)一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)段兩側(cè)端口的寫操作狀態(tài)顯示；多對(duì)郵箱存在的情況下允許兩端口在同一時(shí)刻對(duì)不同存儲(chǔ)單元執(zhí)行寫操作，程序設(shè)計(jì)靈活，有助于提高器件的利用率。

運(yùn)用“郵箱法”設(shè)計(jì)雙口RAM程序時(shí)要注意：獲得某存儲(chǔ)單元的寫操作權(quán)限前，應(yīng)查詢相應(yīng)郵箱，判斷對(duì)端口是否正在對(duì)此存儲(chǔ)單元執(zhí)行寫操作；對(duì)某存儲(chǔ)單元完成寫操作后，應(yīng)在相應(yīng)郵箱中標(biāo)識(shí)出來，釋放寫操作權(quán)。還應(yīng)注意到，雙口RAM兩側(cè)獲得寫操作權(quán)存在優(yōu)先級(jí)問題，因?yàn)榇嬖趦蓚?cè)同時(shí)獲得寫操作權(quán)的可能。為此，程序默認(rèn)某一側(cè)優(yōu)先級(jí)更高，優(yōu)先級(jí)低的一側(cè)在獲得寫操作權(quán)的過程中需要查詢兩次標(biāo)志存儲(chǔ)器。當(dāng)其第一次查詢判斷對(duì)側(cè)未進(jìn)行寫操作時(shí)，應(yīng)將相應(yīng)的標(biāo)志存儲(chǔ)器置位以示取得寫操作權(quán)，插入短延時(shí)（此延時(shí)需根據(jù)兩側(cè)CPU實(shí)際速度確定）后，第二次查詢對(duì)側(cè)狀態(tài)。若此時(shí)對(duì)側(cè)也已取得寫操作權(quán)，則本側(cè)釋放寫操作權(quán)。這樣就可確保任何情況下對(duì)同一存儲(chǔ)區(qū)段同一時(shí)刻只有一側(cè)獲得寫操作權(quán)。

“郵箱法”的設(shè)計(jì)思想主要包含兩層意思：①郵箱自身可確保沒有讀/寫（Read/Write）沖突和寫/寫（Write/Write）沖突，可以通過查詢一對(duì)存儲(chǔ)器內(nèi)容實(shí)現(xiàn)。特殊情況下，可由單個(gè)存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)；②郵箱是一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)段兩側(cè)讀寫狀態(tài)的標(biāo)志，利用此信息可以避開各種可能的沖突。

運(yùn)用“郵箱法”設(shè)計(jì)雙口RAM程序的優(yōu)點(diǎn)是：①既使不細(xì)致入微地考慮雙口RAM兩側(cè)相關(guān)程序的時(shí)序，也可確保不會(huì)發(fā)生讀/寫沖突和寫/寫沖突，尤其適用于通訊頻繁且時(shí)序復(fù)雜的和系統(tǒng)；②減小雙口RAM的兩側(cè)程序的關(guān)聯(lián)性，便于程序設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)化、模塊化，提高了程序的可維護(hù)性和可繼承性。

2.3 GPS接口板內(nèi)守時(shí)鐘的軟硬件設(shè)計(jì)

利用GPS接口板內(nèi)單片機(jī)及其外接晶體可以構(gòu)成晶振，電路設(shè)計(jì)簡潔可靠。對(duì)Intel單睡機(jī)MCS80C196KC而言，取標(biāo)稱值為16MHz的晶體，電容Cx1和Cx2取值相同，綜合考慮其掩蓋雜散電容的效果和上電延時(shí)，通常取為30pF。

單片機(jī)外接晶體構(gòu)成的皮爾斯振蕩器的特點(diǎn)是頻率精度不高，但頻率穩(wěn)定度很高。晶振的頻率精度是指晶振的實(shí)際工作頻率與標(biāo)稱頻率間的偏差，精度引起的偏差會(huì)給測(cè)量系統(tǒng)引入累積誤差。常用石英晶體的相對(duì)頻率精度在10 -5～10 -6量級(jí)，實(shí)測(cè)16MHz晶體絕對(duì)頻率精度在300Hz～400Hz，此偏差在單片機(jī)的計(jì)數(shù)器TIMER1中對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)誤差為二十次左右。晶振頻率穩(wěn)定度在此是指秒級(jí)間隔內(nèi)的瞬時(shí)穩(wěn)定度，即由晶振“相位噪聲”引起的頻率隨機(jī)變化，瞬時(shí)穩(wěn)定度通常會(huì)給測(cè)量系統(tǒng)引入隨機(jī)誤差。這種誤差相對(duì)值通常在10 -9量級(jí)，它對(duì)TIMER1的影響可以忽略。

基于單片機(jī)外部晶振恒溫條件下的高穩(wěn)定性，結(jié)合PPS秒脈沖統(tǒng)計(jì)意義下穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，通過程序設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的守時(shí)鐘。GPS接口板中對(duì)PPS秒脈沖的處理以及構(gòu)成板內(nèi)守時(shí)鐘的工作主要在HIS中斷子程序中完成。HSI中斷由PPS秒脈沖觸發(fā)，程序流程圖見圖2。

GPS接口板HIS中斷程序設(shè)計(jì)考慮了實(shí)現(xiàn)同步算法過程中可能遇到的各種情況，具體說明如下：

（1）程序?qū)Π迳细髟骷约巴饨绛h(huán)境有自適應(yīng)能力，體現(xiàn)在算法隨時(shí)利用計(jì)數(shù)器T1記錄、更新PPS秒脈沖到來間隔并由此計(jì)算采樣脈沖的輸出時(shí)刻。算法不會(huì)由于晶振頻率精度不高而引入誤差，同時(shí)算法自動(dòng)完成對(duì)晶體振蕩器的溫度補(bǔ)償且不受晶體老化的影響。

（2）判斷①、②利用T1的溢出次數(shù)和計(jì)數(shù)值通過程序設(shè)計(jì)識(shí)別干擾脈沖。一旦判斷是干擾脈沖，立刻恢復(fù)相關(guān)變量內(nèi)容并跳出中斷，以此提高GPS接口板的抗干擾能力。

（3）判斷③、④利用連續(xù)若干次PPS秒脈沖間隔內(nèi)T1的計(jì)數(shù)值及其穩(wěn)定性確定當(dāng)前PPS秒脈沖是否穩(wěn)定可靠，放棄使用精度不高的PPS秒脈沖。這種情況下仍以上一個(gè)穩(wěn)定可靠的PPS秒脈沖作為同步的標(biāo)準(zhǔn)，以此消除個(gè)別偏差過大的PPS秒脈沖的影響。

（4）由GPS接收機(jī)時(shí)間報(bào)文確定接收機(jī)衛(wèi)星失鎖后，算法同樣認(rèn)為PPS秒脈沖處于不穩(wěn)定狀態(tài)。以最近一個(gè)穩(wěn)定可靠的PPS秒脈沖作為同步標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算采樣脈沖的輸出時(shí)刻，在短期內(nèi)（數(shù)十秒內(nèi)）采樣脈沖仍可保持較高的精度。

用“郵箱法”設(shè)計(jì)雙口RAM相關(guān)程序能夠提高單片機(jī)和計(jì)算機(jī)總線系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換的可靠性，結(jié)合程序具體特點(diǎn)可對(duì)“郵箱法”做出適當(dāng)改進(jìn)。通過GPS接口板程序設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的板內(nèi)守時(shí)鐘，提高GPS接口板的抗干擾能力，延長其在一些惡劣環(huán)境下連續(xù)可靠工作的時(shí)間。對(duì)各指標(biāo)的針對(duì)性試驗(yàn)和長期工程實(shí)際運(yùn)行記錄表明了這些實(shí)現(xiàn)方案的必要性和有效性。