基于单片机以及FPGA之守时电路设计

1.1 研究背景

我们了解到对于卫星授时来说,可以完成对广播信号的全方位覆盖,它给用户提供属于直达波的无线电波,这样其受大气折射的影响就远小于短波、长波受电离层的影响,同时在精度方面也远大于其他波,鉴于此所以这一技术成为可完成远距离时间同步的最后方式[2]。随着全球定位系统 GPS 的 24 颗卫星遍及全世界,GPS 作为第一个涌现的卫星定位系统,同时亦然是一套精密的授时体系,选用 GPS 时间作为本机使用的时间,可以较好地处理精确授时问题,由于 GPS 不单具有全球、全天候、全天时的精密导航与定位能力等优点,同时还具备被世界都公认的时间系统,这是因为GPS 所具有的这些特点使它有着宽泛的使用价值和发展潜力,已经成为现阶段全球用户最多的主动式高精度卫星授时技术[2]。

1.2 授时系统的分类

下面简要的介绍这几种授时方法:(1)短波授时是由美国首先提出的,其根本方式是利用无线电台发播时间信号(简称时号),而用户则用无线电接收机回收时号,继而进行本地对时,对于同步时钟误差要求在 1ms 左右的用户比较适合采用短波授时方法。(2)长波授时是我国授时中心主要的授时方法,是采用长波(低频)进行时间频率的传送与校准,是一种覆盖能力比短波强,校准准确度更高的授时方式,可以完全弥补短波授时接收载波频率高的缺点。

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第二章 守时系统设计原理

2.1 守时系统中的基本概念

守时的概念是指在外部授时信号受到阻碍的情况下,本地时钟通过某种校准方式可以自主运行,并做为标准时间使用,以便保持全系统的时间不中断[7]。那么通过一套完整的软硬件系统进而实现系统内部或者是各个系统之间的时间的统一就称为守时系统[8-12]。就完整的守时定义上来说,主要包含三个方面的内容:(1)怎样选取适合的时钟信号,使之能够产生稳定的时间尺度。(2)选择具有国际标准的时间信号。(3)如何使全球不同地区的不同时钟统一到国际的标准时间上。从上面的概念中我们可以看出守时在整个时间工作中占有重要的地位,可以满足人类在生产生活以及科学实验中的各种需求,它的职责是产生并保持高精度的时间基准[13]。作为守时系统依据的频率源的性能好坏,准确度的问题和怎样对时间误差偏差进行相应的处理和创新,这才是守时技术的关键环节,此中最重要的指标就是守时精度,其定义则是时钟与标准时间的误差与时钟的运行时间的比。随着我国复杂多变的国际形式,精密时间作为军事精确打击的基础,我国对新一代的守时系统也提出了相应的要求[14]:(1)守时系统的硬件部分必须是稳定可靠的,同时还要求具备较强的生存能力。(2)守时系统产生的标准时间必须可以满足我国各大领域的授时要求和标准。(3)我国的守时系统应该可以与国际标准时间结合,并借鉴国外各类守时系统的优缺点,开发出适合我国的守时系统。

2.2 GPS 接收机

天线则主要是由 BNC 接口,SMA 接口,MCX 接口,MMCX 接口和吸盘天线构成。其结构图如图 2.1 所示。

GPS 接收模块主要由两个作用,一是可以输出精确的时间,从秒、分、时、日、月、到最后的年;另一种作用是可以给出时间的质量信息,并给出标准的时间信号[17]。M-87 是一种超小型 GPS 接收模块,选用 MTK 主芯片,可同时接收 32 颗卫星,接收码为 L1,C/A 码,灵敏度可达 159dBm,同时 M-87 的接口为串口 TTL 电平,若要与计算机的串口连接要将TTL电平转换成RS232的电平。GPS模块使用时先把GPS的 5 米吸盘天线 MMCX 一端扣到模块的天线底座上,另外务必把 GPS 天线放置于室外开阔处,以便接受 GPS 信号[18]。M-87 的接线定义如图 2.2 所示。

第三章 守时系统................................... 14

3.1 单片机模块.................................................... 14

3.1.1 单片机选型.................................................................. 14

3.1.2 单片机的电路及作用.......... 14

第四章 守时系统的调相处理.....................................25

4.1 FPGA 介绍 ................................................... 25

4.1.1 FPGA 简介及选型 ................................................ 25

4.1.2 FPGA 基本结构 ..................................... 26

第五章 守时系统的软件说明...............................................38

5.1 Quartus II 软件及 verilog 语言 .................. 38

5.1.1 Quartus II 软件的介绍 ................................. 38

第五章 守时系统的软件说明

5.1 Quartus II 软件及 verilog 语言

本课题的设计主要是采用 Quartus II 开发软件,Altera 公司的 Quartus II 软件属于可编程的逻辑软件,是第四代 PLD 开发平台,该平台与 Cadence、Exemplar Logic、MentorGraphics、Synopsys 和 Synplicity 等 EDA 供应商的开发工具能够互相兼容[43]。