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基于GPS和北斗双模同步的高精度频率

源对时的设计

摘要:近年来,社会进步迅速,我国的科学技术的发展也有了改善。电力系

统事故分析需要对系统故障前后的电压与电流数据、保护装置和断路器动作顺序

及某一时刻波形进行分析,这些事故能否准确及时分析,取决于是否有统一、精

度高的时间同步信号。随着电力系统可靠性要求越来越高,GPS授时系统抗干扰

能力、安全性、授时连续性及可靠性低的问题不断凸显出来。自2003年5月,

我国将第三颗“北斗一号”成功送入太空,标志着我国成为第三个拥有完善卫星

导航定位系统的国家。目前,我国正建设“北斗二代”系统,该系统由静止轨道

上5颗卫星和非静止轨道上30颗卫星组成,可满足我国各个行业发展需要。

关键词:GPS;北斗双模同步;高精度频率源对时;设计

引言

预计2020年全球将进入5G时代,在5G时代人们可以享受千倍提速的网

络、通信等服务,这些便利的服务要求时钟系统具有极高的准确性和稳定性,对

时钟精度要求甚至达到纳秒级别,并且各个系统都要求达到严格的时间同步。卫

星授时是目前主流的时间同步技术,其中美国的全球卫星导航系统(GPS)技术最

为成熟,凭借覆盖面广、精度高等特点成为了卫星授时的首选。但是GPS归美

国政府所有,由美国军方开发和控制,存在着故意降低精度的可能,甚至在战争

等不确定因素下可能导致中国等其他地区不能使用GPS服务,对国内各种GPS

应用造成了潜在隐患。

1各功能模块设计

BDS/GPS双模授时系统采用模块化设计,由以下几个部分组成:1)标准信号

接收单元。该单元通过对外部输入的多路径标准信号(空间时间信号和有限传输

时间信号)进行信号质量判别及进度测试,对信号优先级进行排序或通过人为操

作控制,为系统提供标准时间信号和信息。2)时间信号产生单元。该单元是系统

核心部件,由频率驯服组件和时间信号产生组件组成。频率驯服组件通过标准信

号和本地频率源信号进行频率比的测量,以获得频率误差;时间信号产生组件是

将已驯服的内部频率源和标准接收单元时间信息合成产生本地各种时间信号和信

息,如IRIG-B、NTP、1PPS、1PPM、1PPH等。3)时间信号输出单元。该单元

将系统产生单元的时间信号、信息及各种不同方式提供给用户使用。为提高输出

单元抗干扰能力,将每一路输出信号进行光电隔离。4)显示与控制操作单元。该

单元是系统实现人机对话的界面,通过液晶显示界面和面板LED灯可实时感知系

统工作状态。为实现系统各种操作和控制,在操作前面板设置按键。5)电源单元。

为确保系统正常工作,该单元采用两相互独立电源的双冗余电源供电模式。

2硬件电路设计

本文的基于卫星授时的时间显示系统包括GPS和BDS卫星信号接收电路、

电源电路、温湿度采集电路、掉电保护电路、本地守时电路、串口调试电路、

LED显示电路、STM32处理器,所用的STM32处理器基于STM32F103RCT6芯片。

GPS和BDS卫星信号接收电路采用N303-3芯片组成的双模导航定位模块。

N303-3芯片的RX1引脚和TX1引脚与处理器STM32F103RCT6直接连接,其余

引脚根据该芯片的数据手册以及物理电路规则构成功能电路。电源电路采用

LM2576t和SPX1117M3-3.3组成的稳压电路,与处理器STM32F103RCT6模块直

接连接,该电路需用DC12V电压供电,因为电路中大部分芯片的工作电压为

3.3V或5V,因此需要将12V电压稳压至3.3V或5V来驱动各芯片电路的正常

工作,否则芯片将不能正常工作。温湿度电路分别使用温度传感器和湿度传感器,

两个传感器引出的数据线(SDA)和控制线(SCL)端口与处理器STM32F103RCT6

模块直接连接,将温度和湿度对应参数发送给处理器,转换成数字信号,生成对

应的温度和湿度数值。掉电保护电路采用AT24C02芯片组成的EEPROM电路,

掉电保护电路主要用于存储在系统关机再开机后能够继续先前关机前的工作状态,

使处理器不会因为上电复位后丢失原有数据。本地守时电路采用SD2405AP芯片

与RC振荡回路组成,本地自守时电路主要用于在卫星数据丢失的情况下依然能

够正确推算时间,使系统正常工作。串口调试电

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