采用同步计时提高GPS钟的时间脉冲输出精度

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1、第26卷第3期地震研究Vol.26，No.32003年7月JOURNALOFSEISMOLOGICALRESEARCHJuly，2003采用同步计时提高GPS钟的时间脉冲输出精度*王丰付建华陈力刚张香荣（河南省地震局，郑州450000）摘要全球定位系统GPS（GlobalPositioningSystem）是美国研制的导航、授时和定位系统。论述了采用GPS时间同步技术，实现GPS钟输出时间脉冲精度小于10-6s的方法。指出仅用软件计时，GPS钟输出时间脉冲精度将大于10-5s；而采用软件、硬件相结合的GPS时间同步技术

2、，能充分利用单片机的资源，弥补软件计时的不足，从而大幅度提高了GPS钟时间脉冲的输出精度（达到0.5×10-7s）。关键词：同步计时；GPS钟；单片机；时间脉冲；输出精度中图分类号：P315.5文献标识码：A文章编号：1000-0666（2003）03-0282-040引言“HGPS高精度同步钟”是河南省“2000年科技攻关”项目，河南省科技厅2001年12月对该项目进行了验收鉴定。该钟是根据地震观测系统发展的要求而研制的高精度时间服务系统。在该项研究中，针对单片机在对接收到的GPS信号数据流进行输入、判断处理、存储、

3、信号输出过程中，因软件运行引起输出时间脉冲精度下降问题，采用了同步计时技术，从而研制出了具有高精度、高稳定度时间脉冲输出的HGPS高精度同步钟。目前，我国各地震台站大量使用烟台产的SY-2、SY-5石英钟。由于机械磨损和元器件老化使日误差大于0.1s，再加上累计误差，远不能满足地震监测的精度要求。另外，部分地震台站受地理位置、气候的影响，接收天文台的BPM授时信号较困难。而HGPS高精度同步钟较好的解决了上述问题，它可直接接收卫星信号，采用单片机运算，由彩色液晶显示器同时显示出“是否定位、接收卫星颗数、年、月、日、时、

4、分、秒、经度、纬度、高程、速度”，不需校时、不受地理位置、气候的影响，输出时间脉冲上升沿同步精度为5.0×10-7s（河南省技术监督局计量研究所测定）。HGPS高精度同步钟采用多路输出、程控脉冲宽度（0.001～0.1s）、程控输出脉冲幅度（1～5V）、RS232接口，可用于地震监测和其它需要高精度时间基准的部门。1系统硬件设计及工作原理在整体设计中采用了KODEN公司生产的授时型GSD-25GPS接收板和TOSHIBA公司生产的TM-PZ84C015B-12型单片机系统、6英寸彩色液晶显示图1系统硬件构成系统、光电隔

5、离时分号输出电路、电源电路。GPS接收板接到单片机的SIO串行口，彩色液晶显示通过数据线、地址线与单片机实现并行通信（图1）。为*收稿日期：2002-10-31.基金项目：河南省科技攻关项目（项目编号：001210204）.作者简介：王丰（1972～），男，河南人，工程师，主要从事地震仪器研制工作.3期王丰等：采用同步计时提高GPS钟的时间脉冲输出精度283了实现本机功能，对存储器进行了扩充。首先，对工作区内存、CTC、SIO进行初始化，当GPS接收板接收到GPS信息后，通过SIO口进入单片机，由单片机对该信息进行识别

6、判断。识别出时间、经纬度、速度、高度信息后，判断是不是与UTC信号同步。同步后，即启动CTC开始计时，同时，对信息分别进行必要的处理。由彩色液晶显示器同时显示时间、经纬度、速度、高度、年、月、日和研制单位，同时输出高精度（≤10-7s）的时、分、秒脉冲。2同步计时的实现单片机在对接收到的GPS信号数据流进行输入、判断处理、存储及信号输出过程中，软件运行需要时间，尽管TMPZ84CO15B采用12MHz晶振，这仍将影响到输出时间信号的精度，其软件输出的时、分脉冲滞后GPS高精度秒脉冲上升沿大约十几毫秒。这就使接收到的GP

7、S高精度时间信号的失去了意义，同时也远远不能满足本项研制的技术要求。为了提高时间信号脉冲的输出精度，在设计中充分利用单片机内部的硬件资源，采取由单片机内部的CTC计数器对接收到的GPS高精度秒脉冲（3.0×10-7s）进行计数，再由软件对计数后的时、分脉冲进行同步处理。2.1CTC主要特性CTC有4个通道，每个通道都可由程序选择工作在定时方式或计数方式。每个通道有一个8位计数器，由时间常数寄存器赋予初值（每次回“0”时重新赋值）（图2）。图2CTC连结框图当通道工作于计数方式时，由CLK/TRG输入一系列脉冲，在每一个

8、触发脉冲的有效沿后与下一个（系统时钟）的上升沿同步，使计数器减1。当减法计数器回“0”时，可向CPU发出中断请求，通道φ“0～2”还可以发出ZC/T0脉冲，该信号脉冲能驱动达林顿晶体管。当通道工作于定时器方式时，通道“0～2”还可以发出一个周期精确的均匀的脉冲序列，其周期为：T0=tc×P×TC式中，tc是系统时钟周期；P是定标器