[發(fā)明專利]一種基于CRIO平臺的高精度對時同步方法

有效

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• 申請日: 2012-11-30
• 公開（公告）號: CN102998970A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發(fā)明（設計）人: 游步新;田鵬;劉超君;劉和志;劉釗;全智;孟艷;劉科
• 申請（專利權）人: 重慶市電力公司江津供電局;國家電網(wǎng)公司
• 主分類號: G04R20/02
• 分類號: G04R20/02;G04G7/00;G04G3/00
• 代理公司: 重慶市恒信知識產(chǎn)權代理有限公司 50102
• 代理人: 劉小紅

技術領域

本發(fā)明涉及一種基于CRIO平臺的高精度對時同步方法。

背景技術

NI公司的CompactRIO是一款可重新配置的嵌入式控制和采集系統(tǒng)，其具有堅固的硬件架構，此外，其通過NI?LabVIEW圖形化編程工具接受編程，并用于各類嵌入式控制和監(jiān)測程序。正是因為良好的抗干擾能力、堅固的結(jié)構和穩(wěn)定的性能，CompactRIO平臺被廣泛地應用于工程測控領域。

然而在采用CRIO平臺實現(xiàn)信號高精度定時采集時也會遇到同樣的問題，即內(nèi)部晶振不能提供高精度的定時功能。在NI?911X系列機箱中FPGA的晶振的精度均為±100PPM，即每百萬個步長內(nèi)誤差個數(shù)為100個以內(nèi)，那么當采用40MHZ的晶振時，一秒鐘內(nèi)頻率的誤差最大可以達到4000個步長、即100微秒。這樣的誤差率顯然不能滿足對信號的高精度高速多通道定時采集要求。

為了實現(xiàn)信號高精度的定時采集，由一個高精度的晶振產(chǎn)生的觸發(fā)信號并不能夠滿足工程上的需求，因為隨著時間的累積，誤差還是會被放大，影響測量精度，所以通常還需要一個標準的時鐘源對晶振產(chǎn)生的時鐘進行校準。一般的做法是使用GPS接收機發(fā)出的1pps脈沖信號作為對時信號，采用插值算法維護本地時鐘。

為了驗證晶振的精度，在NI?CompactRIO平臺上做了大量的實驗，通過對實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析得出晶振的誤差程度。實驗中，采用GPS接收機作為標準時鐘源，對時鐘源發(fā)出的IRIG-B碼解析得到的秒脈沖，再對40MHZ的晶振周期進行計數(shù)，在1秒間隔到時，計算晶振周期計數(shù)值與40M的差值，便得到晶振每秒鐘的誤差。多組實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1的兩張圖分別是在不同時間段內(nèi)的實驗統(tǒng)計圖，從圖中可以看出誤差的主要集中在30個步長左右，在50到100步長內(nèi)也有涉及。因此，在采用晶振頻率觸發(fā)采樣時需要進行相關補償，否則將會導致工程上信號采集的精度偏差。

較簡單的補償方法為采用插值法，可以對晶振的時鐘進行固定補償。該方法核心思想為對每秒內(nèi)晶振計數(shù)值進行固定補償，將一秒內(nèi)的總步長數(shù)均分為30個段，然后在每個步長計數(shù)段內(nèi)插入一個步長，這樣保證總的步長數(shù)和預定值相等，在采樣時可以按照晶振時鐘進行相關定時觸發(fā)，從而較準確的采集信號。

采用此方法進行補償后，再進行相關實驗驗證，將算法加入實驗中，對實驗結(jié)果進行相關統(tǒng)計，結(jié)果如圖2所示。

在圖2中，可以看出該方法可以較好地糾正晶振頻率的誤差情況，在統(tǒng)計圖中可明顯觀察到大部分誤差值位于0～10區(qū)間內(nèi)。然而仍有少部分誤差值落在20～30區(qū)間內(nèi)，由此可以看出該誤差補償算法還有欠缺。

同時在圖1中不難看出晶振頻率的誤差具有一定的隨機性，雖然大部分的誤差值落在了20～40的區(qū)間內(nèi)，但還有部分落在了50～100的區(qū)間內(nèi)。在這種誤差的情況中仍以固定值補償時，并不能較好的縮小誤差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決NI?CRIO平臺內(nèi)部晶振（背板FPGA晶振）精度不高的情況下保證多通道并行高速同步采集的時間精度的技術問題。

為解決上述技術問題，發(fā)明人采用了如下的技術方案：一種基于CRIO平臺的高精度對時同步方法，包括如下步驟：

高精度對時模塊接收由GPS接收機發(fā)出的IRIG-B編碼信號，并對IRIG-B編碼信號進行處理，獲得10ms脈沖信號，?CRIO平臺獲取10ms脈沖信號，然后CRIO平臺利用10ms脈沖信號對CRIO平臺內(nèi)部晶振頻率的計數(shù)值進行校正，最后CRIO平臺利用校正后的計數(shù)值觸發(fā)采樣，高精度對時同步方法的整體結(jié)構圖如圖3所示。

校正的具體步驟為：

第一步，設置兩個晶振周期計數(shù)值，這兩個計數(shù)值同時按CRIO平臺內(nèi)部晶振的周期進行計數(shù)，其中一個晶振周期計數(shù)值稱為10ms晶振計數(shù)值，另一個晶振周期計數(shù)值稱為1s晶振計數(shù)值。

第二步，使用10ms脈沖信號對10ms晶振計數(shù)值校零，并求得相應的誤差值????????????????????????????????????????????????；

設CRIO平臺內(nèi)部晶振理論頻率為，則對應10ms脈沖信號的時間，在=10ms時有：

??????????????????????????????????????(1)

而實際獲得的CRIO平臺內(nèi)部晶振頻率為，則對應10ms脈沖信號的時間，在=10ms時有：

??????????????????????????????????????(2)

由公式(1)-(2)，可得：