PC总线GPS同步时钟卡的新设计方法

中文摘要:

  本文提出一种用于变电站综合自动化系统的PC 总线GPS 同步时钟卡的新设计方 法。文章介绍了电路设计的基本原理和软件编制。

英文摘要：

  Th is paper present s a new method to design a PC bus provided with a GPS synchronous time card for use with an in tegrated automation system in a sub station. The paper also describes the basic principle of the circu it design and the software design.

1　引言
     　　在电力系统变电站综合自动化的设计中, 各种 自动化装置(如微机继电保护、故障录波装置等) 的 时钟统一问题一直是个难以解决的难题。随着自动 化程度的提高, 要求将分布于各地区各电站电厂的 数量众多的自动化装置的故障信息传至调度中心进 行故障分析, 装置的时钟不准会给综合分析带来极 大的困难。为解决时钟统一问题, 需要在固定时间间 隔给装置加入一个对时信号, 将装置内部时钟校至 标准时间。从电力系统的要求来看, 该对时信号应满 足: (1) 无地域局限, 即在任何地区可以获得同样的 对时信号; (2) 无时间局限, 即在每天的24 小时内的 任何时间可获得同样的对时信号; (3) 抗干扰性强, 即对时信号应不受各种电磁干扰的影响; (4) 时间准 确, 即故障分析要求自动化装置的时间信息精确在 1 ms 之内。 从以上对时信号的要求特点来看, 利用GPS (Global Position System ) 信号作为标准时钟源能很 好地满足电力系统对时的4 个特性。GPS 接收器能 全天候24 小时地接收24 颗GPS 卫星信号, 定时精 度能达到n s 量级。因此, 近年来, 国内外不少厂家都 开发出各种GPS 授时装置。但大多数对时信号都是 以1PPS 的TTL 电平直接输出, 存在驱动能力有 限, 在信号线较长时易受干扰, 定时的时间间隔不可 调等缺点。 本文设计了一种PC 总线插卡式GPS 同步时 钟卡, 可直接插入工控PC 机的插槽来提取GPS 时 间信息。卡上有一PIC 单片机先对GPS 时间信息进 行预处理, 将GPS 的对时脉冲经P IC 单片机处理 后, 可以1PPS (1 Pulse Per Second)、1PPM (1 Pulse Per Minute) 或1PPH (Pulse Per Hour ) 的形式用 RS2485 串行通讯线发送出去以供多个自动化装置 对时。当需要时, 工控PC 机可随时读取GPS 的 UTC 国际标准时间信息, 再以其它的通讯方式传送 到调度中心以供故障综合分析或转发到变电站的其 它自动化装置。
3　电路系统设计原理
     　　图3—1 为系统的原理框图, 虚线框中代表PC 总线GPS 同步时钟卡。同步时钟卡上有一PIC 单片 机对GPS 数据进行预处理。在这里我们选用美国 Microchip 公司的PIC16C65A 单片机作为卡上的 CPU。PIC 单片机的集成度较高, 只需少数的外围器 件(如晶振) 便能自成系统运行。PIC16C65A 本身自 带4K 的EPROM , 当源程序不大时, 用户无需再外 接EPROM 去存放程序指令。该单片机具有异步通 讯接口和定时/计数器接口; 另外, PIC16C65A 还有 一个并行口PORTD, 可很方便地直接和外部的8 位微处理器的数据线相连, 外部的微处理器可把 PORTD 作为一个数据锁存器来读写, 有关PIC 单 片机的详细资料见参考文献[ 2 ]。我们也正是利用 PORTD 的特性, 将它和PC 总线插槽中的8 位数据线D0～D7 相连, PC 机利用对I/O 口地址的读写便 可方便地对PIC 单片机的操作, 再通过PIC 单片机 的串口通讯实现对GPS-OEM 板数据的读写。 同步时钟卡上的GPS-OEM 板为Rockwell 公司的“Jup iter”GPS 模块, 光电隔离485 接口芯片 选用Maxim 公司的Max1480A , 该芯片在内部集成 了光隔电源芯片Max253 和RS-485 接口芯片 Max485, 典型的传送延迟时间只有十几个纳秒, 因 而不会造成时钟脉冲的时间误差。RS-485 的每个 串行回路可挂接32 个驱动ö接收器, 当传输距离小 于15 米时, 波特率可达10M bit/S。选用RS-485 作为对时脉冲传输线的原因除了传送距离远、速率 快以外, 还可同时给多个自动化装置对时, 解决了 TTL 电平脉冲驱动能力有限的问题。 整个系统的工作原理如下: GPS-OEM 模块将 1PPS 信号送到P IC 单片机的定时/计数器, 当CPU 计数到59 时, 即在每分钟的59 秒时刻之后, 立即将 与门的一端置高(作为控制端, 该信号线平时为低, 使1PPS 的正脉冲信号不能发送出去) , 这样在下一 个PPS (即每分钟的零时刻) 到来时便能将对时信号 通过光隔RS-485 芯片(Max1480A ) 发送出去, 之 后再将与门的控制线置为低, 下一分钟的零时刻再 置为高, 如此循环, 便可得到1PPM 的每分钟对时 脉冲信号。对于1PPH 的每小时对时脉冲的处理方 法可同理类推。在这同时, PIC 单片机不断地将GPS 输出数据中的年、月、日、时、分、秒读入CPU 的内 部RAM 中, 当工控PC 机需要时, 便可通过译码电 路选中PIC 单片机的PORTD, 将时间信息读到PC 机中以便向其它自动化装置或调度中心转发。
5　结束语
     　　本文阐述的PC 总线GPS 同步时钟卡设计思 想新颖、性能较高且实用可靠。成功地解决了实际应 用中的3 个问题: (1) 用RS-485 作为对时脉冲的 传输线, 解决了TTL 电平脉冲驱动能力有限的问 题; (2) 工控PC 机能直接通过数据总线读取UCT 时间, 方便了程序的编制; (3) 校准脉冲的时间间隔 可调(如1PPM 或1PPH)。需要指出的是: 由于本同 步时钟卡用RS-485 传输对时校准脉冲, 因此各自 动化装置需内置RS-485 接收芯片才能相应地得 到统一的GPS 时间校准脉冲。