[发明专利]一种基于GPS秒脉冲的时钟源装置及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于GPS秒脉冲的长时间工作无累计误差的高精度时钟源装置及其控制方法。

背景技术

随着电子技术的发展，人们对仪器测量的精度和同步性要求也越来越高，尤其是在大地电磁测量中或者在电力系统的测量中，往往要求分布在不同区域的仪器能够实现同步采集，并且在相当长的时间内保证采样的同步性，这便对时钟系统的稳定性提出了非常高的要求。不仅要求每个仪器的时钟要稳定，而且各个仪器之间的时钟也要匹配。而目前市场上的晶振短时稳定性非常高，但长时间工作后存在很大的累计误差。此外，不同晶振之间即使是同一批生产的晶振，个体间也是有一定的差异的，应用在高精密的仪器中将会带来严重的累计误差。而高精度的晶振，价格昂贵，比如稳定度为0.035ppb(ppb为十亿分之一)的晶振，价格要7000元以上，同样也存在累计误差。

发明内容

本发明针对目前高精度时钟源存在的上述缺点，提供了一种基于GPS秒脉冲的高精度时钟源装置，该时钟源装置运用闭环负反馈控制的原理，具有很高的精度和稳定性，且无累计误差。本发明时钟源的输出频率稳定在压控晶振标频率上，便于多台设备间的同步工作。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现：

一种基于GPS秒脉冲的时钟源装置，包括GPS模块、压控晶振模块、时钟分配芯片、单片机模块，所述单片机模块包括集成在单片机内部的A计数器和B计数器、一个数模转换器DAC和一个I/O接口；所述时钟分配芯片有两路时钟通道，均具有输入口和控制使能端；压控晶振模块的时钟输出除了可以连接到使用设备上作为设备的时钟源外，还连接在两路时钟通道的输入口，其中第二路时钟通道的使能端接地，输出端连接至单片机模块的A计数器；第一路时钟通道的使能端则受GPS模块输出的秒脉冲控制，输出端连接至单片机模块的B计数器.GPS模块输出的秒脉冲还连接至单片机模块的I/O接口；单片机模块的数模转换器DAC的电压输出连接至压控晶振模块的压控端。

一种前述基于GPS秒脉冲的时钟源装置的控制方法，包括下述步骤：

(1)将单片机模块初始化，包括的A计数器、B计数器、数模转换器DAC和I/O接口的初始化；

(2)对压控晶振进行定标：首先，根据模数转换公式计算，即将给压控晶振的控制电压转换为相应的给数模转换器DAC数量值，记为DAC_data；在0到3.3V内将控制电压分为j组电压值，这j组电压值根据上述模数转换公式转换为j组数模转换器DAC数量值记为DAC_data[i](i＝0，1，2……j-2，j-1)，其中j的值根据实际需要而定.其次，单片机模块每秒依次赋予数模转换器DAC一个数量值DAC_data[i]，数模转换器相应的输出一个控制电压给压控晶振模块的压控端，根据双计数器计频法，计算出DAC_data[i]对应压控晶振模块输出的频率，记为biaoding[i](i＝0，1，2……j-2，j-1)；

(3)闭环负反馈控制：首先，单片机模块检测到GPS秒脉冲高电平到来后，计算压控晶振模块前N(N＝0，1，2，3……)秒的实际累计输出频率，即将前N秒每秒计得压控晶振实际输出频率data累加起来，记为zonghe，计算data的方法用双计数器计频法；计算前N秒的理想累计输出频率，即将前N秒每秒的理想频率32768000Hz累加起来，记为zongnum＝32768000*N；计算前N秒累计误差记为error＝(zonghe-zongnum).为了抵消当前存在的累计误差，计算第(N+1)秒的期望频率记为xin＝32768000-error；其次，根据步骤(2)得到压控晶振的定标值进行计算，得出第(N+1)秒的期望频率xin对应给数模转换器DAC的数量值；

(4)循环重复步骤(3)的闭环控制。

上述控制方法中，步骤(2)、(3)所述的双计数器计频法包括下述步骤：

a.单片机模块的I/O接口P2.1检测到第K秒(K＝1，2，3……)秒脉冲高电平的到来，B计数器由于第一时钟通道被截止而停止计数，单片机模块将此时B计数器的计数值保存在变量temp1中。当GPS秒脉冲高电平过去后，将A计数器的计数值与B计数器的计数值设置为相等；当第(K+1)秒秒脉冲高电平到来时，单片机模块再将B计数器的计数值保存在temp2中。

b.在第K秒内，每当A计数器计数值计值到65535时，单片机模块会产生一次中断。单片机模块记录第K秒内A计数器的中断次数，记为num。

c.计算第K秒压控晶振输出的频率记为：