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1、第26卷第3期地震研究Vol.26，No.32003年7月JOURNALOFSEISMOLOGICALRESEARCHJuly，2003采用同步計時提高GPS鐘的時間脈沖輸出精度*王豐付建華陳力剛張香榮（河南省地震局，鄭州450000）摘要全球定位系統(tǒng)GPS（GlobalPositioningSystem）是美國研制的導航、授時和定位系統(tǒng)。論述了采用GPS時間同步技術，實現(xiàn)GPS鐘輸出時間脈沖精度小于10-6s的方法。指出僅用軟件計時，GPS鐘輸出時間脈沖精度將大于10-5s；而采用軟件、硬件相結(jié)合的GPS時間同步技術
2、，能充分利用單片機的資源，彌補軟件計時的不足，從而大幅度提高了GPS鐘時間脈沖的輸出精度（達到0.5×10-7s）。關鍵詞：同步計時；GPS鐘；單片機；時間脈沖；輸出精度中圖分類號：P315.5文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2003）03-0282-040引言“HGPS高精度同步鐘”是河南省“2000年科技攻關”項目，河南省科技廳2001年12月對該項目進行了驗收鑒定。該鐘是根據(jù)地震觀測系統(tǒng)發(fā)展的要求而研制的高精度時間服務系統(tǒng)。在該項研究中，針對單片機在對接收到的GPS信號數(shù)據(jù)流進行輸入、判斷處理、存儲、
3、信號輸出過程中，因軟件運行引起輸出時間脈沖精度下降問題，采用了同步計時技術，從而研制出了具有高精度、高穩(wěn)定度時間脈沖輸出的HGPS高精度同步鐘。目前，我國各地震臺站大量使用煙臺產(chǎn)的SY-2、SY-5石英鐘。由于機械磨損和元器件老化使日誤差大于0.1s，再加上累計誤差，遠不能滿足地震監(jiān)測的精度要求。另外，部分地震臺站受地理位置、氣候的影響，接收天文臺的BPM授時信號較困難。而HGPS高精度同步鐘較好的解決了上述問題，它可直接接收衛(wèi)星信號，采用單片機運算，由彩色液晶顯示器同時顯示出“是否定位、接收衛(wèi)星顆數(shù)、年、月、日、時、
4、分、秒、經(jīng)度、緯度、高程、速度”，不需校時、不受地理位置、氣候的影響，輸出時間脈沖上升沿同步精度為5.0×10-7s（河南省技術監(jiān)督局計量研究所測定）。HGPS高精度同步鐘采用多路輸出、程控脈沖寬度（0.001～0.1s）、程控輸出脈沖幅度（1～5V）、RS232接口，可用于地震監(jiān)測和其它需要高精度時間基準的部門。1系統(tǒng)硬件設計及工作原理在整體設計中采用了KODEN公司生產(chǎn)的授時型GSD-25GPS接收板和TOSHIBA公司生產(chǎn)的TM-PZ84C015B-12型單片機系統(tǒng)、6英寸彩色液晶顯示圖1系統(tǒng)硬件構(gòu)成系統(tǒng)、光電隔
5、離時分號輸出電路、電源電路。GPS接收板接到單片機的SIO串行口，彩色液晶顯示通過數(shù)據(jù)線、地址線與單片機實現(xiàn)并行通信（圖1）。為*收稿日期：2002-10-31.基金項目：河南省科技攻關項目（項目編號：001210204）.作者簡介：王豐（1972～），男，河南人，工程師，主要從事地震儀器研制工作.3期王豐等：采用同步計時提高GPS鐘的時間脈沖輸出精度283了實現(xiàn)本機功能，對存儲器進行了擴充。首先，對工作區(qū)內(nèi)存、CTC、SIO進行初始化，當GPS接收板接收到GPS信息后，通過SIO口進入單片機，由單片機對該信息進行識別
6、判斷。識別出時間、經(jīng)緯度、速度、高度信息后，判斷是不是與UTC信號同步。同步后，即啟動CTC開始計時，同時，對信息分別進行必要的處理。由彩色液晶顯示器同時顯示時間、經(jīng)緯度、速度、高度、年、月、日和研制單位，同時輸出高精度（≤10-7s）的時、分、秒脈沖。2同步計時的實現(xiàn)單片機在對接收到的GPS信號數(shù)據(jù)流進行輸入、判斷處理、存儲及信號輸出過程中，軟件運行需要時間，盡管TMPZ84CO15B采用12MHz晶振，這仍將影響到輸出時間信號的精度，其軟件輸出的時、分脈沖滯后GPS高精度秒脈沖上升沿大約十幾毫秒。這就使接收到的GP
7、S高精度時間信號的失去了意義，同時也遠遠不能滿足本項研制的技術要求。為了提高時間信號脈沖的輸出精度，在設計中充分利用單片機內(nèi)部的硬件資源，采取由單片機內(nèi)部的CTC計數(shù)器對接收到的GPS高精度秒脈沖（3.0×10-7s）進行計數(shù)，再由軟件對計數(shù)后的時、分脈沖進行同步處理。2.1CTC主要特性CTC有4個通道，每個通道都可由程序選擇工作在定時方式或計數(shù)方式。每個通道有一個8位計數(shù)器，由時間常數(shù)寄存器賦予初值（每次回“0”時重新賦值）（圖2）。圖2CTC連結(jié)框圖當通道工作于計數(shù)方式時，由CLK/TRG輸入一系列脈沖，在每一個
8、觸發(fā)脈沖的有效沿后與下一個（系統(tǒng)時鐘）的上升沿同步，使計數(shù)器減1。當減法計數(shù)器回“0”時，可向CPU發(fā)出中斷請求，通道φ“0～2”還可以發(fā)出ZC/T0脈沖，該信號脈沖能驅(qū)動達林頓晶體管。當通道工作于定時器方式時，通道“0～2”還可以發(fā)出一個周期精確的均勻的脈沖序列，其周期為：T0=tc×P×TC式中，tc是系統(tǒng)時鐘周期；P是定標器
