摘 要： 介紹守時系統的重要作用及其發展現狀，分析了守時系統發展過程中遇到的一些問題，設計了一個以GPS/北斗信號作為時標的守時系統。采用雙恒溫槽的恒溫晶振MV180作為系統的輸入時鐘，使用單片機控制DAC7512對其頻率進行調整。首先，系統對調整后的本地時鐘信號進行分頻處理，再與GPS/北斗接收到的標準秒信號進行比較，通過FPGA和單片機對分頻后的信號進行相位的調整，最終輸出標準秒脈沖信號，從而快速獲得高精度的時間基準，并能在GPS/北斗失鎖后對該信號進行保持，實現時間同步。
關鍵詞： GPS時標；守時系統；相位調整；D/A轉換；時間同步；電力系統
精確的時間在電力系統中有著廣泛的應用，不僅僅在電網通信網絡中需要時間同步，在監控、調度和數據交換等方面也有高精度的時間同步要求[1-2]，因此開展守時理論和方法的研究對于電力系統的建設和發展具有極其重要的意義[3]。電網中普遍采用GPS/北斗作為時間同步的基準，具有較高的時間精度。但是一旦發生特殊事件，導致信號微弱甚至是消失時，GPS/北斗的可利用性就會受到限制，無法利用它來進行守時。而守時系統則是一種可以利用標準時標對本地信號進行校準，并在規定時間內保持穩定的系統，可在GPS/北斗受限時作為標準時鐘為電力系統提供高精度的時間信號。
目前，對于守時系統的研究主要集中在跟蹤及保持守時系統的精度、跟蹤過程的調整速度和系統的便攜性上。參考文獻[4]闡述了若干種測量相位差的方法。參考文獻[5]~[8]介紹了幾種目前應用于電力系統中的時間同步技術。參考文獻[9]~[12]中的守時電路是通過接收FPGA送來的高精度標準時間信息，對外部頻率標準進行高精度分頻計時，產生與標準時間保持同步的時間信號，并通過軟件對守時電路的時間進行校準。參考文獻[13]、[14]采用普通晶振和單片機構成計時器，通過與上位機通信實現守時。該方法實現起來較容易，但調整速度較慢，且普通晶振工作一段時間后頻率會產生一些變化，不能實現信號的穩定保持。
為了達到高速、高精度及良好穩定性的要求，本文提出了以下的設計方案：以10 MHz高精度雙恒溫槽的恒溫晶體振蕩器MV180及GPS時標作為系統時鐘輸入，應用Cyclone III系列FPGA設計分頻、調頻、調相電路，通過1T高速單片機對整個守時系統進行相應的控制，最終輸出標準秒脈沖信號，實現了一個高可靠性和高精度的守時系統。
1 系統構成
恒溫晶振的輸出信號經過波形轉換和分頻處理，產生頻率為1 Hz的秒脈沖信號，將此信號的頻率與GPS/北斗時標信號的頻率進行比較，根據比較的結果進行頻率校正。由于輸出頻率的最終值由加在控制端的控制電壓來決定，因此校正的過程由單片機根據當前頻率控制DAC7512輸出不同的電壓值來完成，最終實現與GPS/北斗時標信號完全同頻。
將分頻后產生的秒脈沖和GPS時標信號進行相位比較，根據比較結果進行調相處理，最終實現與時標信號完全同相位。這樣，經過調頻、調相處理后，便可產生與時標信號完全同頻、同相位的守時脈沖。該系統的原理框圖如圖1所示。
將晶振的輸出接入該電路進行耦合，并外加偏置電壓使其電壓范圍滿足施密特觸發器的觸發條件。經過兩次施密特觸發器的變換，最終輸出標準的10 MHz方波信號作為整個系統的本地時鐘信號。
2.2 輸入時鐘的調頻處理
由于晶振本身在運行一段時間后可能存在一些頻率上的誤差，導致系統輸入時鐘不準確，因此需對其進行調整。將系統輸入時鐘接到工作頻率為32 MHz的STC 1T高速單片機的計數器端口，通過門控方式控制計數的時間，每秒記得的脈沖數即為系統時鐘的頻率值。
根據MV180的f-V特性，頻率隨著控制電壓的變化呈緩慢變化，且只在總體上呈正向變化，并沒有嚴格的比例關系和數學模型。因此，整個調頻過程不應該太快，且需選擇合適的算法，而不是單純的比例控制[15]。通過進一步的實驗得出，調整時間間隔設置在100 s時效果較好，且調整較為方便，既保證了精度，又提高了系統工作效率。其調整算法歸納如下：
由圖3可知，輸出秒脈沖相位超前時，D觸發器輸出為低電平，相位滯后時輸出為高電平，因此，可判斷出當前兩信號的相位關系。
本設計通過門控電路控制相差計數的開啟和關閉。當存在相差時，相差檢測端輸出高電平，門控信號開啟，由單片機的計數器對相差脈沖進行計數，從而確定相位差的時間，再根據超前和滯后的不同情況通過軟件控制超前/滯后脈沖處理電路對相差進行調整。
超前脈沖處理電路如圖4所示。若本地時鐘相位超前，將超前處理開關置高電平，經與非門后變為低電平，從而阻止本地時鐘通過，對超前的相位進行校正。當本地時鐘不超前時，超前處理開關置低電平，本地時鐘可正常通過。
由表1可以看出，該系統具有良好的校正性能，能夠較快速地在校正過程中減小與時標信號的相位差，最終在規定精度范圍內達到與GPS/北斗時標信號完全同步的效果，實現電力系統的精確守時。
在跟蹤GPS/北斗時標的過程中，系統能夠快速地對本地時鐘進行調頻調相，并在校準后使其保持在規定的精度范圍內。圖7為校正后的輸出秒脈沖與GPS/北斗時標信號之間的相位關系。
利用FPGA和單片機設計的守時系統可實現對時鐘信號的頻率與相位的調整，使之成為標準時間信號，并在GPS/北斗信號失鎖后能夠長時間保持。系統設計中采用的高精度恒溫晶振能夠提供穩定的頻率輸出，有效保證了系統的精度。同時，FPGA的使用增強了系統的抗干擾能力，提高了系統的速度和穩定度，使整個守時系統的精度和可靠性得到了充分保證，能夠為整個電力系統提供高精度的時間同步基準，滿足電力行業的需求，具有較高的實用性。
參考文獻
[1] 郭彬.基于北斗/GPS雙模授時的電力系統時間同步技術研究[D].長沙：湖南大學，2010.
[2] 王新軍.應用GPS系統的衛星授時裝置研究[D].濟南：山東大學，2008.
[3] 董紹武.守時中的若干重要技術問題研究[D].北京：中國科學院研究生院，2007.
[4] MIHAI G. Recent advances and applications of synchronized phasor measurements in power systems[J]. Proceedings of the 9th WSEAS/IASME International Conference on Electric Power Systems， High Voltages， Electric Machines， 2009（10）：82-89.
[5] 羅志坤，萬全，歐朝龍，等.電能計量GPS授時與時鐘校準系統的研制[J].湖南電力，2008，28（1）：13-19.
[6] 楊京渝.智能電網時間同步方案[J].華電技術，2011（12）：36-38.
[7] 李永樂，江道灼，禹化然.一種基于多授時源多授時方式的電力系統同步授時方案[J].電力系統保護與控制，2011（21）：76-79.
[8] 胡春陽，焦群.電網時間統一系統可行性研究[J].電力系統通信，2011（1）：1-5.
[9] 周啟民.高精度守時電路設計及其在導航接收機的實現[D].武漢：武漢理工大學，2008.
[10] 廖瑛.基于GPS技術與FPGA技術的時間統一系統研究與設計[D].武漢：武漢大學，2005.
[11] 劉進，黃秋元，沈兵.自主導航用戶機高精度守時電路的設計[J].電子器件，2007，30（5）：16-23.
[12] 郭峰.基于FPGA的作戰系統時統設計[J].電子技術，2009（10）：9-11.
[13] 原玉磊，夏天倚，陳淵.基于單片機晶振的守時研究[J].電子測量技術，2011，34（11）：20-22.
[14] 李展，張瑩，周渭.基于單片機和GPS信號的校頻系統[J].時間頻率學報，2005，28（1）：68-75.
[15] 陳貴軍.基于北斗和GPS授時系統的研制[D].沈陽：沈陽工業大學，2011.