摘? 要: 在電力系統(tǒng)全網(wǎng)" title="全網(wǎng)">全網(wǎng)同步監(jiān)測裝置GPS接口模塊設計中,要注意雙口" title="雙口">雙口RAM相關程序設計以保證接口板" title="接口板">接口板與計算機總線數(shù)據(jù)交換的可靠性及利用接口板內部晶振" title="晶振">晶振構成守時鐘以削弱對單個PPS秒脈沖的依賴性。就此給出了有實際應用價值的具體實現(xiàn)方案。
關鍵詞: 全網(wǎng)同步監(jiān)測裝置? GPS接口模塊? 雙口RAM? PPS秒脈沖? 晶振
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電力系統(tǒng)全網(wǎng)同步監(jiān)測裝置[1]以基于GPS精確授時技術的PMU(相量測量單元)裝置為基本組件,用于解決黑龍江東部電網(wǎng)窩電問題的區(qū)域穩(wěn)定控制系統(tǒng),是其在工程實踐中的一個具體應用。區(qū)域穩(wěn)定控制系統(tǒng)自1997年3月投運以來,有效地提高了黑龍江東部電網(wǎng)的運行極限,同時也為全網(wǎng)同步監(jiān)測裝置和GPS精確授時技術在電力系統(tǒng)中的廣泛應用積累了豐富的實際經(jīng)驗。
電力系統(tǒng)全網(wǎng)同步監(jiān)測裝置中GPS接口板的高可靠性和高準確性是整個裝置正常工作的必要前提。對GPS 接口板的改進和完善是優(yōu)化全網(wǎng)同步監(jiān)測裝置整體性能的關鍵步驟。本文依據(jù)IEEE-1344的相關標準,結合區(qū)域穩(wěn)定控制系統(tǒng)在實際運行中遇到的各種現(xiàn)象,提出了電力系統(tǒng)全網(wǎng)同步監(jiān)測裝置GPS接口板設計中值得注意的兩個問題,即提高GPS接口板與計算機總線系統(tǒng)" title="總線系統(tǒng)">總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的可靠性和利用GPS接口板內部晶振構成守時鐘以削弱對單個PPS秒脈沖的依賴性。對此本文給出了有實際應用價值的具體實現(xiàn)方案。
1 GPS接口模塊設計中應注意的問題
全網(wǎng)同步監(jiān)測裝置中GPS接口板的主要功能是將 GPS接收設備提供的標準串行通訊接口和PPS秒脈沖轉換為基于計算機總線的高精度時間定標系統(tǒng)。即:①從串行通訊接口獲得的報文中提取出有用的時間信息和鎖星數(shù)目、狀態(tài)等信息,將這些信息并行送入計算機總線中;②利用單片機及其外部晶振將統(tǒng)計意義下高精度的PPS秒脈沖倍頻成為同步、均勻、穩(wěn)定的600Hz全網(wǎng)同步數(shù)據(jù)采集觸發(fā)脈沖。 因此,GPS接口板與計算機總線系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院?00Hz脈沖與PPS秒脈沖間的同步性可以作為衡量GPS接口板性能的重要標準。
GPS接口板除向計算機總線系統(tǒng)提供時間標簽外,還要接收總線傳來的命令和狀態(tài)字節(jié),以實現(xiàn)全網(wǎng)同步監(jiān)測裝置下位機部分主從CPU結構的協(xié)調運行。接口板上單片機與計算機總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換頻繁,時序復雜多變。為解決計算機總線和單片機讀寫速度不同的矛盾,通常選用雙口RAM做為數(shù)據(jù)緩沖器和數(shù)據(jù)存儲器。這部分數(shù)據(jù)傳輸容易出現(xiàn)由于雙端口RAM使用不當引起的對同一地址的讀/寫和寫/寫爭用,造成數(shù)據(jù)誤讀、數(shù)據(jù)內容不確定等問題。因此,結合雙口RAM硬件工作特點、實際數(shù)據(jù)流量及流向,合理設計相關的軟件,可以提高GPS接口板與計算機總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的可靠性。
600Hz脈沖與PPS秒脈沖間的同步性、自身均勻性是實現(xiàn)全網(wǎng)同步監(jiān)測的關鍵指標。同步監(jiān)測技術對GPS接收機提供秒脈沖的精確度要求通過GPS 接口板轉化為對600Hz脈沖精確度要求。通常在將PPS秒脈沖倍頻成為600Hz同步采樣脈沖的過程中,過于依賴單個PPS秒脈沖的精度,若某個PPS秒脈沖誤差過大,則對應該秒的600Hz同步采樣脈沖將會失步調整,使得相應的采集數(shù)據(jù)不可用。實際運行數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)和文獻[2,3]顯示PPS秒脈沖誤差過大的原因主要有以下4種:①PPS秒脈沖的高精度是統(tǒng)計意義下的。對一個具體的秒脈沖,實測其偏差可能高達250ns。這樣的亞微秒級偏差對倍頻算法和同步精度的影響可以忽略,但實際運行中不排除可能遇到更大的偏差。當偏差達到微秒級時,會有明顯的影響;②GPS接收機短期衛(wèi)星失鎖。此時PPS秒脈沖由接收機內部電路繼續(xù)維持供給,由于誤差無法得到定時校正,積累誤差會導致PPS秒脈沖精度不能滿足要求;③衛(wèi)星試驗、太陽風暴等因素也有可能導致PPS秒脈沖誤差過大;④運行現(xiàn)場電磁干擾強烈。干擾可通過作用于系統(tǒng)電源或單片機PPS秒脈沖輸入口產生偽PPS秒脈沖,作用于系統(tǒng)電源的電磁干擾可通過配備UPS電源來抑制,而串入PPS秒脈沖輸入口的干擾很難通過簡單的硬件方法根除。
應當指出PPS秒脈沖誤差過大屬于偶然現(xiàn)象。通常情況下,PPS秒脈沖的精度是合乎要求的?；赑PS秒脈沖統(tǒng)計意義下穩(wěn)定性好的特點,借助單片機外部晶振恒溫條件下的高穩(wěn)定性,通過軟件設計可以實現(xiàn)實用化的守時鐘。GPS接口板內部晶振構成的守時鐘可以削弱接口板正常工作時對單個PPS秒脈沖精度的過分依賴,提高GPS接口板的抗干擾能力,在各種極端情況下仍可正常工作,從而提高整個全網(wǎng)同步監(jiān)測裝置的抗干擾能力。
2 GPS接口板的實現(xiàn)
2.1 GPS接口板框架結構
GPS接口板在考慮了提高GPS接口板與計算機總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的可靠性和利用GPS接口板內部晶振構成守時鐘以削弱對單個PPS秒脈沖的依賴性兩個問題的基礎上,盡量使硬件電路的設計清晰、簡潔,這有利于提高GPS接口板的可靠性,原理框圖見圖1。
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GPS接口板的特點如下:①提供一路高精度600Hz同步采樣脈沖和用于時鐘標簽的全球同步的微秒級計時;②提供全網(wǎng)同步監(jiān)測裝置下位機部分系統(tǒng)級復位功能;③GPS接收機可以就地接入,也可通過RS-422遠程接入;④允許計算機總線系統(tǒng)側主CPU對本板發(fā)2種中斷,用于實時數(shù)據(jù)通訊和保護系統(tǒng)程序不發(fā)生意外死循環(huán);⑤通過雙口RAM與計算機總線系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊;⑥利用單片機及其外部晶振實現(xiàn)板內的守時鐘,以此削弱對單個PPS秒脈沖精度的依賴。
2.2 有關雙口RAM的軟硬件設計
GPS接口板選用的雙口RAM為DALLAS公司的DS1609,其內部自帶地址鎖存功能,允許數(shù)據(jù)、地址總線復用,與單片機和計算機總線的接口電路簡潔可靠。DS1609相關軟件設計要求較高,因為它允許兩端同時訪問存儲單元,但芯片本身不提供硬件的訪問沖突仲裁邏輯,潛在的訪問沖突必須通過軟件設計的方法來避免[4]。
GPS接口板運用“郵箱法”思想并結合實際數(shù)據(jù)流量及流向設計雙口RAM相關程序。這里郵箱指標志存儲器,它總是成對出現(xiàn)。實際應用中,可以根據(jù)需要約定若干對郵箱。每對郵箱負責一個存儲區(qū)段兩側端口的寫操作狀態(tài)顯示;多對郵箱存在的情況下允許兩端口在同一時刻對不同存儲單元執(zhí)行寫操作,程序設計靈活,有助于提高器件的利用率。
運用“郵箱法”設計雙口RAM程序時要注意:獲得某存儲單元的寫操作權限前,應查詢相應郵箱,判斷對側端口是否正在對此存儲單元執(zhí)行寫操作;對某存儲單元完成寫操作后,應在相應郵箱中標識出來,釋放寫操作權。還應注意到,雙口RAM兩側獲得寫操作權存在優(yōu)先級問題,因為存在兩側同時獲得寫操作權的可能。為此,程序默認某一側優(yōu)先級更高,優(yōu)先級低的一側在獲得寫操作權的過程中需查詢兩次標志存儲器。當其第一次查詢判斷對側未進行寫操作時,應將相應標志存儲器置位以示取得寫操作權,插入短延時(此延時需根據(jù)兩側CPU實際速度確定)后,第二次查詢對側狀態(tài)。若此時對側也已取得寫操作權,則本側釋放寫操作權。這樣就可確保任何情況下對同一存儲區(qū)段同一時刻只有一側獲得寫操作權。
“郵箱法”的設計思想主要包含兩層意思:①郵箱自身可確保沒有讀/寫(Read/Write)沖突和寫/寫(Write/Write)沖突,可以通過查詢一對存儲器內容實現(xiàn)。特殊情況下, 可由單個存儲器實現(xiàn);②郵箱是一個存儲區(qū)段兩側讀寫狀態(tài)的標志,利用此信息可以避開各種可能的沖突。
運用“郵箱法”設計雙口RAM程序的優(yōu)點是:①既使不細致入微地考慮雙口RAM兩側相關程序的時序,也可確保不會發(fā)生讀/寫沖突和寫/寫沖突,尤其適用于通訊頻繁且時序復雜的系統(tǒng);②減小雙口RAM兩側程序的關聯(lián)性,便于程序設計的結構化、模塊化,提高了程序的可維護性和可繼承性。
2.3 GPS接口板內守時鐘的軟硬件設計
利用GPS接口板內單片機及其外接晶體可以構成晶振,電路設計簡潔可靠。對Intel單片機MCS80C196KC而言,取標稱值為16MHz的晶體,電容Cx1和Cx2取值相同,綜合考慮其掩蓋雜散電容的效果和上電延時,通常取為30pF。
單片機外接晶體構成的皮爾斯振蕩器的特點是頻率精度不高,但頻率穩(wěn)定度很高。晶振的頻率精度是指晶振的實際工作頻率與標稱頻率間的偏差,精度引起的偏差會給測量系統(tǒng)引入累積誤差。常用石英晶體的相對頻率精度在10-5～10-6量級,實測16MHz晶體絕對頻率精度在300Hz～400Hz,此偏差在單片機的計數(shù)器TIMER1中對應計數(shù)誤差為二十次左右。晶振頻率穩(wěn)定度在此是指秒級間隔內的瞬時穩(wěn)定度,即由晶振“相位噪聲”引起的頻率隨機變化,瞬時穩(wěn)定度通常會給測量系統(tǒng)引入隨機誤差。這種誤差相對值通常在10-9量級,它對TIMER1的影響可以忽略。
基于單片機外部晶振恒溫條件下的高穩(wěn)定性,結合PPS秒脈沖統(tǒng)計意義下穩(wěn)定性好的特點,通過程序設計可以實現(xiàn)實用化的守時鐘。GPS接口板中對PPS秒脈沖的處理以及構成板內守時鐘的工作主要在HSI中斷子程序中完成。HSI中斷由PPS秒脈沖觸發(fā),程序流程圖見圖2。
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GPS接口板HSI中斷程序設計充分考慮了實現(xiàn)同步算法過程中可能遇到的各種情況,具體說明如下:
(1)程序對板上各元器件以及外界環(huán)境有自適應能力,體現(xiàn)在算法隨時利用計數(shù)器T1記錄、更新PPS秒脈沖到來的間隔并由此計算采樣脈沖的輸出時刻。算法不會由于晶振頻率精度不高而引入誤差,同時算法自動完成對晶體振蕩器的溫度補償且不受晶體老化的影響。
(2)判斷①、②利用T1的溢出次數(shù)和計數(shù)值通過程序設計識別干擾脈沖。一旦判斷是干擾脈沖,立刻恢復相關變量內容并跳出中斷,以此提高GPS接口板的抗干擾能力。
(3)判斷③、④利用連續(xù)若干次PPS秒脈沖間隔內T1的計數(shù)值及其穩(wěn)定性確定當前PPS秒脈沖是否穩(wěn)定可靠,放棄使用精度不高的PPS秒脈沖。這種情況下仍以上一個穩(wěn)定可靠的PPS秒脈沖作為同步的標準,以此消除個別偏差過大的PPS秒脈沖的影響。
(4)由GPS接收機時間報文確定接收機衛(wèi)星失鎖后,算法同樣認為PPS秒脈沖處于不穩(wěn)定狀態(tài)。以最近一個穩(wěn)定可靠的PPS秒脈沖作為同步標準計算采樣脈沖的輸出時刻,在短期內(數(shù)十秒內)采樣脈沖仍可保持較高的精度。
用“郵箱法”設計雙口RAM相關程序能夠提高單片機和計算機總線系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換的可靠性,結合程序具體特點可對“郵箱法”做出適當改進。通過GPS接口板程序設計可以實現(xiàn)實用化的板內守時鐘,提高GPS接口板的抗干擾能力,延長其在一些惡劣環(huán)境下連續(xù)可靠工作的時間。對各指標的針對性試驗和長期工程實踐運行記錄表明了這些實現(xiàn)方案的必要性和有效性。
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參考文獻
1 閔 勇,丁仁杰,任 勇.電力系統(tǒng)全網(wǎng)同步監(jiān)測系統(tǒng).清華大學學報,1997；37(7):86～88
2 丁仁杰,閔 勇,馮亞東.基于GPS的全網(wǎng)同步時鐘的建立和誤差校正.清華大學學報,1997；37(7):74～77
3 王元虎,周東明. 衛(wèi)星時鐘在電網(wǎng)中應用的若干技術問題.中國電力,1998；31(2):10～16
4 Dallas Semiconductor.Application Note 62 on Dual Port?RAM.1998