TCM-2通用时间比对模块及其应用

摘要：美国Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｓｙｎｃ公司研发的通用高精度时间比对模块能使用户方便地开发高精度同步系统，成本低，性能高。因此已在多种时间、频率同步系统中得到了应用（如ＧＰＳ、光纤、无线和时间双向传递同步系统等）。文章详细介绍了ＴＣＭ－２的内部结构、工作原理和性能指标，并给出了该模块在高精度通用计数器、ＣＤＭＡ基站时钟以及光纤ＣＤＭＡ同步时钟方面的应用电路。 关键词：时间比对；时间间隔测量；时间同步；频率同步；TCM-2 １　概述 美国精密同步公司研发的通用高精度时间比对模块，可提供四通道０．１ｎｓ 分辨率的时间比对或时间间隔测量，同时它还提供多种接口。因此，用户可以很方便地用它构成自己的系统或仪器，包括用于时间／频率标准、电网电压向量测量系统、电网故障定位系统、移动通信基站时钟、ＳＤＨ中的ＢＩＴＳ、多基地雷达系统、ＯＴＤＲ、光纤通信网故障实时监测、激光测距以及高精度通用计数器（高精度时间间隔测量仪）等。 ２　结构原理及引脚功能 ＴＣＭ－２采用双列直插４８引脚封装。各引脚的功能如表１所列。其内部结构如图１所示，具有四通道扩展器、微处理器和ＦＰＧＡ三个主要功能模块。 两事件之间的时间差通常是用脉冲填充法进行测量的。它的测量精度取决于参考时钟的频率。这种方法具有固定的%26;#177;１计数的误差。为了提高测量的分辨率，在高精度通用定时模块中采用了模拟扩展技术。 当待测脉冲输入模块后，由模块测量它们的时刻，并按要求将相应的计算结果通过串行移位寄存器输出。 由于被测事件与测量时钟之间没有确定的相位关系但它们之间有一小数周期的差。因此为了提高测量分辨率，系统中的扩展器采用了模拟技术，并将不足一个计数的时间间隔展宽（例如展宽１０００倍），然后再用相同的１０ＭＨｚ时钟对展宽了的脉冲计数以达到０．１ｎｓ的分辨率。 ＦＰＧＡ可实现所有的数字逻辑功能，包括输入信号的选择、扩展逻辑、计数器、锁存器、多路数据选择、多个串行移位寄存器、ＰＷＭ等。其中串行移位寄存器又包括ＤＤＳ控制、ＬＥＤ显示、与外部的数据交换等。 ＦＰＧＡ中的各输出控制模块可按使用的要求舍取，例如，当使用ＤＤＳ时，一般不使用ＰＷＭ。实际上，在不单独构成仪器时也不用ＬＥＤ显示。 模块中的单片机可控制整个工作流程，包括控制各通道的测量、采集测量数据、计算测量数据、与母板的数据交换、接收ＧＰＳ信息或与外部主控制器（如ＰＣ）交换数据及指令等。当以ＧＰＳ为参考源时，ＧＰＳ通道的测量值可用于计算秒间隔， 从而计算基本时钟的频率，根据计算结果可用另一串行移位寄存器来调整ＤＤＳ（ＡＤ９８５２）的输出频率。模块的基本时钟同时也是ＤＤＳ的时钟。它可控制两个ＤＤＳ，以便输出两个不同的频率。它们共用一个串行移位寄存器，可由ＤＤＳＣＳ１和ＤＤＳＣＳ２来选择。而外部ＤＤＳ（ＡＤ９８５２）则一般工作于串行输入方式。实际上，设计时也可用其它定时脉冲作为外部参考以校准时间和频率。 当输入待测脉冲多于四种时，可采用时分复用的方法进行测量。通常可由模块内部实现时分复用，也可由外部控制实现时分复用。 外部控制器通过串行移位寄存器向模块发送操作指令。模块根据外部控制器的指令来测量相应通道的信号，然后经计算送回外部控制器。 ＴＣＭ－２高精度通用时间比对模块还能自动识别参考定时脉冲和基准时钟的类别，同时可调整相应的算法。表２给出了ＴＣＭ－２的主要参数指标。 表1 TCM-2引脚分配及功能表 引脚名 引脚号 I/O 功 能 DDSD 18 O DDS串行数据线 DDSCK 19 O DDS串行时钟线 DDSUD/PWM 12 O DDS输入数据更新或PWM输出 DDSRST 10 O DDS芯片复位 DDSIORST 31 O DDS数据口复位 DDSCS2 33 O 第二片DDS的片选 DDSCS1 35 O 第一生DDS的片选 LEDSD 13 O 串行显示口数据线 LEDSCK 14 O 串行显示口时钟线 SDDM 2 O 输出移位寄存器数据 SCKDM 3 O 输出移位寄存器时钟 MBUSY 4 I 外部接收移位寄存器满标志 SDMD 42 I 输入移位寄存器数据 SCK MD 43 I 输入移位寄存器时钟 DBUSY 44 O 内部移位寄存器满标志 CKO 17 I 输出时钟信号，用于生成定时脉冲及与对方盘时钟比较 CKOX 46 I 对方盘输出时钟，用于在主/备工作时与本盘比较 GPS1PPS 48 I GPS秒脉冲输入 G1PPSD 47 I GPS秒脉冲直接输入，用于测量天线延时 1PPSO 1 O 秒脉冲输出 W/FSNCI 41 I 光纤/微波输入同步脉冲（用于时间双向传递同步） W/FSNCO 40 I 光纤/微波输出同步脉冲（用于时间双向传递同步） W/FORQU 45 O 光纤/微波输出同步脉冲发送请求 FR 9 I 基准时钟输入 WDO 30 O “看门狗”定时器输出 ALEF 15 I 与PIN21相连 TXD 27 O TS-232串行数据输出，TTL电平 RXD 28 I RS-232串行数据输入，TTL电平 RST 29 I 内部单片机复位 VPP 20 I 编程电压，对内部单片机编程时此引脚接VCC ALE 21 O 内部单片机编程时此引脚接VCC PSEN 22 O 内部单片机编程时此引脚接地 VCC 7 I +5V电源 VCC 16 I +5V电源 GND 5 地 +15V 8 I +15V电源 -15V 11 I -15V电源 SPR1，SPR2，SPR3 6，38，39 O 备用引脚，供调试用 XTAL1 23 外接11.0592MHz晶振 XTAL2 24 外接晶振 表2 TCM-2的主要指标 参 数 数 值 单 位 内部时钟 10（TTL） MHz 测量精度 1～3 ns 分辨率 0.1 ns 测量时间 <0.5 ms 环境温度 -10～50 ℃ 相对湿度 <90% R.H. 输入信号电平 TTL <10MHz 输出信号电平 TTL@20mA 　 电源 5@200mA 15@20mA -15@20mA V ３　ＴＣＭ－２的应用 ＴＣＭ－２ 内含所有同步方式算法，因此它不仅可用于进行高精度时间比对或时间间隔测量，还可用于各种高精度同步系统。 ３．１ 高精度通用计数器 通用时间比对模块只要外接电源、晶振、键盘和ＬＥＤ显示，就能构成一个高精度通用计数器图２所示为由ＴＣＭ－２构成的高精度通用计数器的原理图。利用它不仅可以测量两输入脉冲的时间间隔或相位差，还可测量输入信号的频率和周期。该电路的时间分辨率为０．１ｎｓ，测量精度为１～３ｎｓ，因此可以进行高精度的时间间隔、频率和周期的测量。它的测量速率优于０．５ｍｓ／次。这种高精度通用计数器可用内部１０ＭＨｚ晶振作为基本测量时钟，也可选外部１０ＭＨｚ信号（如铷钟或铯钟）作测量时钟。ＰＡ和ＰＢ是两路输入信号。面板键盘通过串行移位或矩阵接法直接连到通用时间比对模块上。ＬＥＤ显示可采用串行移位方式。另外，ＴＣＭ－２还提供有ＲＳ－２３２接口，因而可与计算机相连，以便输出测量数据或实现遥控操作测量功能。 ３．２ ＣＤＭＡ基站时钟 ＣＤＭＡ基站时钟主要用于为ＣＤＭＡ移动通信基站提供时钟信号。为了保证正常的通信和基站之间的平滑切换，要求ＣＤＭＡ基站时钟的频率准确度应达到１%26;#215;１０－１１，时间同步精度应达到１００ｎｓ以上。 ＣＤＭＡ基站时钟有两个方案，一个是以ＧＰＳ或ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ为参考源的自主同步方式，另一个是通过光纤传输同步信息的主／从同步方式。前者是各基站都以ＧＰＳ或ＧＬＯＮＡＳＳ为基准，且各站都与ＧＰＳ或ＧＬＯＮＡＳＳ同步，从而实现各基站之间的同步。后者是主站通过光纤向各基站发送同步脉冲，从而使各基站都与主站的同步脉冲同步，最终使各基站之间保持同步。由于各基站本来就是通过光纤与主站联系的，因此后者并不因为通过光纤传递同步脉冲而增加成本。图３和图４分别是这两种方案的结构框图。图３中，各信号的具体含义如下： １０ＭＣ：用于本模块的基本测量时钟及ＤＤＳ的输入时钟。为了满足频率准度要求，设计时，应使用铷钟或双层恒温的晶振来提供１０ＭＣ信号； ＧＰＳ１ＰＰＳ：ＧＰＳ秒脉冲输入信号，用作时钟参考； ＧＰＳ１ＰＰＳＤ：ＧＰＳ秒脉冲直接输入，用于测量电缆的时延，以便修正测量结果； ＤＤＳ１／ＤＤＳ２： 两路ＤＤＳ，可分别生成两个不同频率的信号； ＤＤＳ１Ｘ／ＤＤＳ２Ｘ：对应盘的两ＤＤＳ输出信号，用于测量与本盘信号的相位差并进行修正，以保证主／备无缝切换； Ｍ／Ｓ：主／备状态标志输入； １ＰＰ２Ｓ：用于输出两秒一次的定时脉冲； ＳＩＯ：串行输入输出接口，用于与外部控制器交换信息； ＲＳ－２３２：通用ＲＳ－２３２串行口，用于与ＧＰＳ交换信息。 在图４所示的光纤同步ＣＤＭＡ基站时钟原理图中ＲＸＰ是由中心站发来的光纤同步脉冲或从站传来的返回脉冲；而ＴＸＰ则是由本站发给中心站的返回脉冲或中心站发出的同步脉冲； 铷钟产生的１０ＭＣ信号主要用于通用时间比对模块的基本测量时钟及ＤＤＳ的输入时钟。当用温度稳定性优于５%26;#215;１０－１０、日漂移优于１%26;#215;１０－１０的晶振时，一般均可以满足要求。 用通用时间比对模块测量ＲＸＰ和ＴＸＰ时，主站将发送和接收时刻传给从站，从站在收到主站传来的两个脉冲数据后，将根据本站脉冲的发送和接收时刻来计算传输时延，从而计算出本站的时间误差并修正本站的时钟，以使其保持与主站时钟的同步。此外，根据两组同步脉冲的时间间隔，可以测量本站基本测量时钟的频率并修正ＤＤＳ，这样可使本站时钟频率与主站的时钟频率保持一致。 ＲＸＰ和ＴＸＰ可以是直接由光纤传输的脉冲，也可以在多路复接方式中提供一个定时通道并将ＲＸＰ和ＴＸＰ组织在定时通道的帧结构中。 本盘ＤＤＳ的输出信号和对应盘ＤＤＳ的输出信号可在通用时间比对模块中比较相位。如果它们之间存在相位差，则从站应调整相应的ＤＤＳ以使其输出信号的相位与主站保持一致。 需要说明的是：采用光纤同步比ＧＰＳ同步成本低，且在相同配置时的同步精度也高。其同步精度可达到１０ｎｓ以上，基本能够满足基站定位应用中高精度同步的要求。 微波同步时钟的原理和结构与此完全相同。ＧＰＳ时间／频率标准与ＧＰＳ同步ＣＤＭＡ时钟也基本相同，只是结构和功能更简单些。