GPS精密授时功能的应用

摘要：GPS授时以其精度高、受干扰小、实时等优点具有广泛的应用前景。研究具有定时功能的GPSOEM电路RS-232输出和1PPS输出的特点及应用，并提供了在电力系统功角广域测量中用其实现精确授时的方法，可用于改进传统的授时模式。

关键词：功角；全球定位系统；GPSOEM电路；秒脉冲；UTC；授时

中图分类号：TM930 文献标识码：A 文章编号：1006—6977(2006)01—0053—04

1 引言
    电力系统中的功角稳定性、电压稳定性、频率动态变化及其稳定性是相互诱发、相互关联的，其中，发电机功角状况是电力系统运行的主要状态变量．也是系统稳定运行的标志。因此，实时测量发电机的功角是电力系统稳定监视和控制的关键。

    电力系统内部各送端、受端的分布广泛而分散，若在各端安装一台GPS接收机，则GPS的全球性和高精度就能保证各地时间信号与UTC的相对误差都不超过lμs。这种全球范围内的高精度时间同步在电力系统检测和测量中具有极高的利用价值。文中设计了基于GPS的功角测量装置，可通过GPS接收板提供的秒脉冲和其时间标记来进行异地同步数据采集，实践证明其效果很理想。

2 GPSOEM接收GPS标准时间
2．1 GPS OEM接收板
    该GPS接收模块采用GARMIN公司的GPSOEM板，型号为GPSl5L。它采用+5V电源供电．有12通道，最多可同时跟踪12颗卫星，如开通秒脉冲，可同时跟踪11颗卫星。

    接收板自动捕获卫星信息时间小于2s，热启动时间约为15s(所有数据已知)，冷启动时间约为45s(初始位置和时间未知)。自动定位需要5min(历书已知，初始位置和时间未知)。

    NMEA0183信息更新输出间隔从1s到900s可调，RS-232输出，输入可为RS-232或者具有RS-232极性的TTL电平。波特率从300bps~38400bps可选。

    GPS OEM接收板在任意时刻能同时接收其视野范围里4~11颗卫星的信号，其内部硬件电路和软件通过对接收到的信息进行解码和处理，能从中提取并输出二种时间信号：一是间隔为1s的同步脉冲信号1PPS(电平为3V)，其脉冲前沿与UTC的同步误差不超过1μs：二是包括在串口输出信息中的UTC(Coordinate Universal Time协调世界时)绝对时间(年、月、日、时、分、秒)，它是与1PPS脉冲相对应的，如图1所示。

2．2 GPS OEM接收板的串行数据格式
    GPS接收板的串口通信协议为：串口的传输率可调．默认值为4800bps。无奇偶校验，8个数据位，1个起始位，1个停止位。GARMIN的GPS 0EM板输出的数据是以美国国家海洋电子协会(National Marine Electromcs Association)的NMEA0183 ASCII码接口协议为基础的。输出为多条语句，内容包括经度、纬度、速度、方位角、高度、世界时、星历等信息。输出秒脉冲(1PPS)的精度高达±1μs。

    NMEA0183输出语句的结构如图2所示。其中以ASCII码为输出形式的NMEA 0183的RMC语句如下：

    Recommended Minimum Specific GPS／TRANSIT Data(RMC)推荐定位信息
    $GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh
    $GPRMC：定位数据语句起始标志
    UTC时间，hhmmss(时分秒)格式。
    <2>定位状态，A=有效定位，V=无效定位 ……
    <9>UTC日期，ddmmyy(日月年)格式 ……

2．3 GPS OEM板精确时间的提取及应用
    秒脉冲是一电平信号，且其上升沿对应着一精确的UTC时刻。因此，可用此电平信号的上升沿对其他设备(如单片机、计算机等)进行控制或触发，这样，即可记录下秒脉冲上升沿到来的准确时刻，再从RS-232接口传输的GPRMC语句获取UTC时刻，经计算处理即可求得设备的精确时钟差，从而得到精确的UTC时刻，实现GPS的精确授时。

    用计时型单片机与GPS 0EM接收板组合，对OEM板的lPPs输出进行整形，用其来控制单片机的中断和软件计数脉冲，再把0EM板RS232口输出的数据送到单片机的串口输入端，为单片机提供1PIPS对应的UTC时刻值，其授时精度最高可以达10-6s以上。而且单片机具有精度高、可靠性高、体积小等优点。用秒脉冲结合RS-232输出的时间数据进行授时，这种方法需接收二种信号，即秒脉冲的电平信号（+3V)和RS-232格式中的UTC信号。而电平信号与RS-232格式信号不一致，因此，需分两个端口分别接收。在本次设计中，采用AT89S51型单片机接收RS-232时间数据，每秒更新一次。对应的UTC秒脉冲上升沿控制触发另一C8051F021型单片机同时采集3相电压和电流信号，然后将采集的信号和AT89S51型单片机存储的对应时标数据送到上位机进行下一步分析。

2．4 GPS授时系统的硬件组成
    GPS卫星时钟接收机由GPS接收天线(5MHz，3V)、GPS OEM接收板(GARMIN公司的GPSl5 L)、ADM202E、单片机(AT89S51)、锁存器(74LS574)、双口RAM(CY7C13l的容量为1K)组成。硬件结构如图3所示。

    由于AT89S5l型单片机的输出为0V～5V的_TTL电平，而OEM板配置的是RS-232标准串行接口，二者的性能规范不一致，不能直接进行通信。为使1TTL电平与RS-232标准协调，采用一种双路发送／接收集成电路(ADM202E)。该电路的功耗低，只需单电源（+5V）供电，片内具有两套电压提升器构成的4倍电压变换器，能产生+10V和-10V电压，这样就使单片机和0EM板之间的电压完全匹配。

    在AT89S51型单片机系统中．当对外部数据存储器进行读写操作即执行MOVX@DPTR，A（累加器A中数据送片外数据存储器），MOVX A，@DPTR(片外数据存储器中数据送累加器A1指令时，DPTR的低8位地址在锁存信号ALE的下降沿被锁存在地址锁存器中。高8位地址直接送到目标．然后8位数据直接送往目标器件。

    双端口。RAM最重要的特点是每个器件有2组数据总线、地址总线及控制总线。只要不是同时访问同一个存储单元，就允许2个端口同时对片内任何存储单元进行独立的读，写操作而互不干扰；如果2个端口同时访问同一个存储单元．则由片内的仲裁逻辑决定访问哪个端口。

    在硬件设计中，经常需要2个设备有权访问同一块存储区，如果使用常规的单端口存储器，那么当某一个设备正在访问时．别的设备则无法访问．严重降低了工作效率．而且不论是采用HOLD信号使某一设备“挂起”的方法．还是采用二套总线二选一的方法，都给逻辑电路的设计增添了负担。相比之下，使用双端口RAM的好处至少有二点：首先，可将2个设备的总线与双端口RAM的2个端口分别相连，逻辑设计简洁明了；其次．只要安排得当，双口RAM无冲突地为2个端口服务，则可使访问效率比常规单端口RAM提高l倍。

2．5 GPS授时系统的软件设计
    系统软件主要分为初始化、GPS数据接收存储、数据传送子程序3部分。软件流程如图4所示。

    首先将GPS OEM接收板通过串口与PC连接好，接通主电源和备用电源，用自带的接收软件SNSRCFG设置初始化信息，只输出一条GPRMC语句，保证每秒接收存储时间信息的精度；然后转化为NMEA格式，连接上传，则初始化信息就自动将被保存在板内的永久性存储器中，下次上电时将会自动生效。如需更改则要再次修改参数和再次上传。

    系统上电后硬件复位，设置UART的波特率为19200b／s，数据通信格式为10位异步收发；授时接收系统进入正常工作状态，单片机(AT89S51)通过RS-232串行方式接收GPS OEM板的卫星数据。通过查询字头，接收OEM板GPRMC输出语句中的时、分、秒和年、月、日信息。没有用的信息跳过。由于接收到的是UTC时间．出于习惯考虑，将UTC时间转化为北京时间。

    本地时间=GPS时间+时区值

    北京位于第8时区，时区值为+8。将接收到的时间信息转化为北京时间，按日、月、年、时、分、秒的顺序存储在片内30H到3BH这12个单元中。然后用MOVX指令将数据送到片外双口RAM的0C00H到0COBH中，供另外需要时间信息的CPU调用。图5为某次仿真结果，时间是北京时间2005年4月15日9时lO分8秒。

3 结束语
    GPS具有全球性、全天候、精度高等优点，利用GPS精密授时功能可以快速、精确、同步地获得功角测量系统中的历史数据和实时状态。实践证明．这种全球范围内的高精度时间同步在电力系统检测和测量中发挥了极大的作用，GPS技术的应用必将对电力系统的安全检测、稳定控制带来革命性的变革，GPS技术的采用将大大促进和带动电力系统自动化技术的发展和提高。