全网同步监测装置GPS接口模块的改进设计与实现

    摘要：在电力系统全网风步监测装置GPS接口模块设计中，要注意双口RAM相关程序设计以保证接口板与计算机总线数据交换的可靠性及利用接口板内部晶振构成守时钟以削弱对单个PPS秒脉冲的依赖性。就此给出了有实际应用价值的具体实现方案。

    关键词：全网同步监测装置 GPS接口模块 双口RAM PPS秒脉冲 晶振

电力系统全网同步监测装置[1]以基于GPS精确授时技术的PMU（相量测量单元）装置为基本组件，用于解决黑龙江东部电网窝电问题的区域稳定控制系统，是其在工程的一个具体应用。区域稳定控制系统自1997年3月投运以来，有效地提高了黑龙江东部电网的运行极限，同时也为全网同步监测装置和GPS精确授时技术在电力系统中的广泛应用积累了丰富的实际经验。

电力系统全网同步监测装置中GPS接口板的高可靠性和高准确性是整个装置正常工作的必要前提。对GPS接口板的改进和完善是优化全网同步监测装置整体性能的关键步骤。本文依据IEEE-1344的相关标准，结合区域稳定控制系统在实际运行中遇到的各种现象，提出了电力系统全网同步监测装置GPS接口板设计中值得注意的两个问题，即提高GPS接口板与计算机总线系统数据交换的可靠性和利用GPS接口板内部晶振构成守时钟以削弹对单片PPS秒脉冲的依赖性。对此本文给出了有实际应用价值的具体实现方案。

1 GPS接口模块设计中应注意的问题

全网同步监测装置中GPS接口板的主要功能是将GPS接收设备提供的标准串行通讯接口和PPS秒脉冲转换为基于计算机总线的高精度时间定标系统。即：①从串行通讯接口获得的报文中提取出有用的时间信号和锁星数目、状态等信息，将这些信号并行送入计算机总线；②利用单片机及其外部晶振将统计意义下高精度的PPS秒脉冲倍频成为同步、均匀、稳定的600Hz全网同步数据采集触发脉冲。因此，GPS接口板与计算机总线系统间数据传输的可靠性和600Hz脉冲与PPS秒脉冲间的同步性可以作为衡量GPS接口板性能的重要标准。

GPS接口板除向计算机总线系统提供时间标签外，还要接收总线外来的命令和状态字节，以实现全网同步监测装置下位机部分主从CPU结构的协调运行。接口板上单片机与计算机总线系统数据交换频繁，时序复杂多变。为解决计算机总线和单片机读写速度不同的矛盾，通常选用双口RAM做为数据缓冲器和数据存储器。这部分数据传输容易出现由于双端口RAM使用不当引起的对同一地址的读/写和写/写争用，造成数据误读、数据内容不确定等问题。因此，结合双口RAM硬件工作特点、实际数据流量及流向，合理设计相关的软件，可以提高GPS接口板与计算机总线系统数据交换的可靠性。

600Hz脉冲与PPS秒脉冲间的同步性、自身均匀性是实现全网同步监测的关键指标。同步监测技术对GPS接收机提供秒脉冲的精确度要求通过GPS接口板转化为对600Hz脉冲精确度要求。通常在将PPS秒脉冲倍频成为600Hz同步采样脉冲的过程中，过于依赖单个PPS秒脉冲的精度，若某个PPS秒脉冲误差过大，则对应该秒的600Hz同步采样脉冲将会失步调整，使得相应的采集数据不可用。实际运行数据、试验数据和文献[2,3]显示PPS秒脉冲误差过大的原因主要有以下4种：①PPS秒脉冲的高精度是统计意义下的。对一个具体的秒脉冲，实测其偏差可能高达250ns。这样的亚微秒级偏差对倍频算法和同步精度的影响可以忽略，但实际运行中不排除可能遇到更大的偏差。当偏差达到微秒级时，会有明显的影响；②GPS接收机短期卫星失锁。此时PPS秒脉冲由接收机内部电路继续维持供给，由于误差无法得到定时校正，积累误差会导致PPS秒脉冲精度不能满足要求；③卫星试验、太阳风暴等因素也有可能导致PPS秒脉冲误差过大；④运行现场电磁干扰强烈。干扰可通过作用于系统电源或单片机PPS秒脉冲输入口产生伪PPS秒脉冲，作用于系统电源的电磁干扰可通过配备UPS电源来抑制，而串入PPS秒脉冲输入口的干扰很难通过简单的硬件方法根除。

应当指出PPS秒脉冲误差过大属于偶然现象。通常情况下，PPS秒脉冲的精度是合乎要求的。基于PPS秒脉冲统计意义下稳定性好的特点，借助单片机外部晶振恒温条件下的高稳定性，通过软件设计可以实现实用化的守时钟。GPS接口板内部晶振构成的守时钟可以削弱接口板正常工作时对单个PPS秒脉冲精度的过分依赖，提高GPS接口板的抗干扰能力，在各种极端情况下仍可正常工作，从而提高整个全网同步监测装置的抗干扰能力。

2 GPS接口板的实现

2.1 GPS接口板框架结构

GPS接口板在考虑了提高GPS接口板与计算机总线系统数据交换的可靠性和利用GPS接口板内部晶振构成守时钟以削弹对单片PPS秒脉冲的依赖性两个问题的基础上，尽量使硬件电路的设计清晰、简洁，这有利于提高GPS接口板的可靠性，原理框图见图1。

GPS接口板的特点如下：①提供一路高精度600Hz同步采样脉冲和用于时钟标签的全球同步的微秒级计时；②提供全网同步监测装置下位机部分系统级复位功能；③GPS接收机可以就地接入，也可通过RS-422远程接入；④允许计算机总线系统侧主CPU对本板发2种中断，用于实时数据通讯和保护系统程序不发生意外死循环；⑤通过双口RAM与计算机总线系统实现数据通讯；⑥利用单片机及其外部晶振实现板内的守时钟，以此削弱对单个PPS秒脉冲精度的依赖。

2.2 有关双口RAM的软硬件设计

GPS接口板选用的双口RAM为DALLAS公司的DS1609，其内部自带地址锁存功能，允许数据、地址总线复用，与单片机和计算机总线的接口电路简洁可靠。DS1609相关软件设计要求较高，因为它允许两端同时访问存储单元，但芯片本身不提供硬件的访问冲突仲裁逻辑，潜在的访问冲突必须通过软件设计的方法来避免[4]。

GPS接口板运用“邮箱法”思想并结合实现数据流量及流向设计双口RAM相关程序。这里邮箱指标志存储器，它总是成对出现。实现应用中，可以根据需要约定若干对邮箱。每对邮箱负责一个存储区段两侧端口的写操作状态显示；多对邮箱存在的情况下允许两端口在同一时刻对不同存储单元执行写操作，程序设计灵活，有助于提高器件的利用率。

运用“邮箱法”设计双口RAM程序时要注意：获得某存储单元的写操作权限前，应查询相应邮箱，判断对端口是否正在对此存储单元执行写操作；对某存储单元完成写操作后，应在相应邮箱中标识出来，释放写操作权。还应注意到，双口RAM两侧获得写操作权存在优先级问题，因为存在两侧同时获得写操作权的可能。为此，程序默认某一侧优先级更高，优先级低的一侧在获得写操作权的过程中需要查询两次标志存储器。当其第一次查询判断对侧未进行写操作时，应将相应的标志存储器置位以示取得写操作权，插入短延时（此延时需根据两侧CPU实际速度确定）后，第二次查询对侧状态。若此时对侧也已取得写操作权，则本侧释放写操作权。这样就可确保任何情况下对同一存储区段同一时刻只有一侧获得写操作权。

“邮箱法”的设计思想主要包含两层意思：①邮箱自身可确保没有读/写（Read/Write）冲突和写/写（Write/Write）冲突，可以通过查询一对存储器内容实现。特殊情况下，可由单个存储器实现；②邮箱是一个存储区段两侧读写状态的标志，利用此信息可以避开各种可能的冲突。

运用“邮箱法”设计双口RAM程序的优点是：①既使不细致入微地考虑双口RAM两侧相关程序的时序，也可确保不会发生读/写冲突和写/写冲突，尤其适用于通讯频繁且时序复杂的和系统；②减小双口RAM的两侧程序的关联性，便于程序设计的结构化、模块化，提高了程序的可维护性和可继承性。

2.3 GPS接口板内守时钟的软硬件设计

利用GPS接口板内单片机及其外接晶体可以构成晶振，电路设计简洁可靠。对Intel单睡机MCS80C196KC而言，取标称值为16MHz的晶体，电容Cx1和Cx2取值相同，综合考虑其掩盖杂散电容的效果和上电延时，通常取为30pF。

单片机外接晶体构成的皮尔斯振荡器的特点是频率精度不高，但频率稳定度很高。晶振的频率精度是指晶振的实际工作频率与标称频率间的偏差，精度引起的偏差会给测量系统引入累积误差。常用石英晶体的相对频率精度在10 -5～10 -6量级，实测16MHz晶体绝对频率精度在300Hz～400Hz，此偏差在单片机的计数器TIMER1中对应计数误差为二十次左右。晶振频率稳定度在此是指秒级间隔内的瞬时稳定度，即由晶振“相位噪声”引起的频率随机变化，瞬时稳定度通常会给测量系统引入随机误差。这种误差相对值通常在10 -9量级，它对TIMER1的影响可以忽略。

基于单片机外部晶振恒温条件下的高稳定性，结合PPS秒脉冲统计意义下稳定性好的特点，通过程序设计可以实现实用化的守时钟。GPS接口板中对PPS秒脉冲的处理以及构成板内守时钟的工作主要在HIS中断子程序中完成。HSI中断由PPS秒脉冲触发，程序流程图见图2。

GPS接口板HIS中断程序设计考虑了实现同步算法过程中可能遇到的各种情况，具体说明如下：

（1）程序对板上各元器件以及外界环境有自适应能力，体现在算法随时利用计数器T1记录、更新PPS秒脉冲到来间隔并由此计算采样脉冲的输出时刻。算法不会由于晶振频率精度不高而引入误差，同时算法自动完成对晶体振荡器的温度补偿且不受晶体老化的影响。

（2）判断①、②利用T1的溢出次数和计数值通过程序设计识别干扰脉冲。一旦判断是干扰脉冲，立刻恢复相关变量内容并跳出中断，以此提高GPS接口板的抗干扰能力。

（3）判断③、④利用连续若干次PPS秒脉冲间隔内T1的计数值及其稳定性确定当前PPS秒脉冲是否稳定可靠，放弃使用精度不高的PPS秒脉冲。这种情况下仍以上一个稳定可靠的PPS秒脉冲作为同步的标准，以此消除个别偏差过大的PPS秒脉冲的影响。

（4）由GPS接收机时间报文确定接收机卫星失锁后，算法同样认为PPS秒脉冲处于不稳定状态。以最近一个稳定可靠的PPS秒脉冲作为同步标准计算采样脉冲的输出时刻，在短期内（数十秒内）采样脉冲仍可保持较高的精度。

用“邮箱法”设计双口RAM相关程序能够提高单片机和计算机总线系统间数据交换的可靠性，结合程序具体特点可对“邮箱法”做出适当改进。通过GPS接口板程序设计可以实现实用化的板内守时钟，提高GPS接口板的抗干扰能力，延长其在一些恶劣环境下连续可靠工作的时间。对各指标的针对性试验和长期工程实际运行记录表明了这些实现方案的必要性和有效性。