本文介紹一種利用復(fù)雜可編程邏輯器件給高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的采集數(shù)據(jù)貼上精確時間標(biāo)簽的方法，并利用MAX PLUSⅡ開發(fā)環(huán)境驗證設(shè)計方案的正確性。此設(shè)計方案已經(jīng)成功地應(yīng)用到自行設(shè)計的高速數(shù)據(jù)采集卡中。

關(guān)鍵詞：ADuC812;時間標(biāo)簽;CPLD;GPS

A method of realizing precise time label in high-speed data acquisition system

Chen jing, Zhang Cheng-xue, Liu Yanhua

(School of Electrical Engineering, Wuhan University, 430072, Wuhan,China)

Abstract: This paper introduces a new method, using Complex Programmable Logic Device to attach a precise time label for sample data in very high-speed sample data system. It has used MAX PLUS II to simulate the function and it has been proved to be accurate. The system has been applied in high-speed data sample board, which has been designed successfully.

Key words:ADuC812;time laber;CPLD;global positioning system)GPS)

0 引言

基于GPS的雙端行波故障定位系統(tǒng)是利用行波的第一個波頭到達(dá)線路兩端的時間差來計算故障點的位置，由于行波的傳播速度非?？?約為光速的98%)，這就對線路兩端行波波頭到達(dá)時刻的時間精度要求非常高。但相對于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，單片機(jī)系統(tǒng)對時間的分辨能力是很低的(設(shè)51系列CPU的時鐘頻率為 12MHz，則計數(shù)器(T0或T1)對時間的最小分辨能力為2μs)。而且單片機(jī)系統(tǒng)還不能直接地得到故障發(fā)生時對應(yīng)于靜態(tài)RAM的確切地址，所以如果只利用單片機(jī)系統(tǒng)給采集數(shù)據(jù)貼上時間標(biāo)簽，則時間精度和時間標(biāo)簽的可靠性會大大降低，這樣會直接影響到故障測距的精度。

1 相關(guān)內(nèi)容簡介

1.1 GPS簡介

全球定位系統(tǒng)(GPS)是美國于1993年全面建成并運行的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航、定位和授時系統(tǒng)。電力系統(tǒng)中主要是利用GPS的精確授時。GPS接收器在任意時刻能同時接收其視野范圍內(nèi)4～8顆衛(wèi)星信號，其內(nèi)部硬件電路和處理軟件通過對接收到的信號進(jìn)行解碼和處理，能從中提取并輸出兩種時間信號：一是時間間隔為1s的脈沖信號1PPS;二是經(jīng)串行口或RS-232輸出的與1PPS脈沖前沿對應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)時間和日期代碼(年、月、日、時、分、秒)[1]。

GPS接收器提供的1PPS信號實際上是以秒為計時單位、精度為1us的國際標(biāo)準(zhǔn)時間信號，這種信號在地球上任何地方都能比較可靠地接收到。因此，若以該信號作為標(biāo)準(zhǔn)時鐘源去同步電網(wǎng)內(nèi)運行的各時鐘，則能保證各廠站時鐘的高精確度同步運行[1]。

1.2 ADuC812簡介

ADuC812芯片是由美國AD(Analog Device)公司推出的微轉(zhuǎn)換器。它是一個完整的數(shù)據(jù)采集微系統(tǒng)，它的組成為：一個8通道、5μs轉(zhuǎn)換時間、精度自校準(zhǔn)、12位精度、逐次逼近的ADC 轉(zhuǎn)換器;兩個12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC);10.5KB的閃存E2PROM;具有16位計數(shù)/定時器和32條可編程I/O接口的8051/8052微控制器，256字節(jié)的SRAM[2]。由于ADuC812的特殊功能寄存器組中添加了一個DPP(地址為84H)，它與特殊功能寄存器DPH、DPL配合，使得ADuC812能夠訪問16MB的外部數(shù)據(jù)地址空間。ADuC812的應(yīng)用開發(fā)比較方便，它的內(nèi)核是國內(nèi)技術(shù)人員都很熟悉的Intel8051，用戶現(xiàn)有軟件都可以直接移植。

1.3 MAX 7000系列CPLD器件及MAX PLUSⅡ開發(fā)平臺簡介

本次設(shè)計選用ALTERA公司的MAX 7000系列器件。MAX 7000系列的高性能和高密度是基于它先進(jìn)的多重陣列矩陣架構(gòu)(Multiple Array Matrix),它采用E2CMOS工藝制作，傳播延遲最小為3.5ns，可以實現(xiàn)速度高于200MHz的計數(shù)器，并且為高密度的器件提供了非常寬的選擇余地，非常適合高速設(shè)計時應(yīng)用。該公司推出的MAX PLUSⅡ軟件是一款易于使用的開發(fā)工具，其界面友好，集成化程度高，兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，支持FLEXMAXACEX1K等系列產(chǎn)品[3]。CPLD要實現(xiàn)的邏輯功能一般是在MAX PLUSⅡ環(huán)境下通過硬件描述語言(VHDL)開發(fā)出來的，并能脫離硬件(CPLD)對設(shè)計方案進(jìn)行仿真，在確認(rèn)邏輯功能正確無誤的情況下，通過并行口下載“燒結(jié)”到CPLD器件中。“燒結(jié)”有不同設(shè)計人員“思想”的CPLD器件所實現(xiàn)的邏輯功能是千變?nèi)f化的，正因為如此，對CPLD器件的開發(fā)是相當(dāng)靈活的。

2 實現(xiàn)方案

針對前面提到的問題，本文提出一種利用CPLD器件巧妙解決此問題的方法。高速AD轉(zhuǎn)換器件、地址發(fā)生器、地址計數(shù)器、計時器在時鐘源CLK(5MHz) 的同步下以統(tǒng)一的步調(diào)工作。ADuC812初始化時P3.5置“0”，P3.4發(fā)出清零脈沖同時對地址發(fā)生器和地址計數(shù)器清零。在故障信號出現(xiàn)時，ADuC812對P3.5置“1”，計時器和地址計數(shù)器同時停止計數(shù)，暫態(tài)信號記錄完畢后，ADuC812分時讀出計時器中的值并將該數(shù)值保存在雙口 RAM中，此值即為精度為0.2μs的時間信息，分時讀出地址計數(shù)器中的值并將該數(shù)值保存在雙口RAM中，此地址的精確時間即為計時器中的計數(shù)值。這樣就為高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的采集數(shù)據(jù)貼上精確的時間標(biāo)簽。 本系統(tǒng)的硬件原理圖如圖1所示。

2.1 ADuC812的工作過程

ADuC812初始化時P3.5置“0”，同時P3.4發(fā)出清零脈沖使地址發(fā)生器和地址計數(shù)器同步計數(shù)。ADuC812控制內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換模塊對經(jīng)過調(diào)整的取自電流互感器二次側(cè)的電流進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，采用半波比較，在每個工頻內(nèi)采集36個點，分別用第n個點和第n+18個點、第n+1個點和第n+19個點比較，依此類推，如果大于事先設(shè)定的門檻值即認(rèn)為故障已經(jīng)發(fā)生。ADuC812使P3.5置“1”，計時器和地址計數(shù)器同時停止計數(shù)，計時器中的數(shù)據(jù)即為地址計數(shù)器記錄的對應(yīng)于靜態(tài)RAM相同地址采集數(shù)據(jù)的時間標(biāo)簽,由于高速AD轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換頻率固定(本次設(shè)計為5MHz)，所以，可以此為基準(zhǔn)為整個靜態(tài)RAM中的采集數(shù)據(jù)貼上時間標(biāo)簽。

3.2 計時器和地址計數(shù)器的工作過程

當(dāng)STOP端口為低電平時(P3.5置“0”)，計時器在5MHz的時鐘源下以相同的頻率計數(shù)，由于它是一個24位的計數(shù)器，從而確保了計時器能夠記錄一個整秒，并為一個整秒刻上了[!--empirenews.page--]

=0.2μs)的最小刻度。同時GPS發(fā)出的1PPS信號的上跳沿給計時器清零，從而為計時器提供精確的時間基準(zhǔn)，以消除計時器的累計誤差。

當(dāng)STOP端口為高電平時(P3.5置“1”)，計時器停止計數(shù)，在此狀態(tài)下GPS發(fā)出的1PPS信號的上跳沿不能對計時器清零。

地址計數(shù)器的工作過程與計時器的工作過程類似，唯一的區(qū)別是地址計數(shù)器的清零信號(CLR)是在初始化時由ADuC812的P3.4口發(fā)出的，由于地址發(fā)生器和地址計數(shù)器共用同一個清零信號，從而確保地址發(fā)生器和地址計數(shù)器中的計數(shù)值完全相同。同理當(dāng)STOP端口為高電平時，地址計數(shù)器也停止計數(shù)，在此狀態(tài)下ADuC812發(fā)出的清零信號不能改變地址計數(shù)器中的計數(shù)值。

2.3 將地址計數(shù)器和計時器中的數(shù)據(jù)送至雙口RAM

由于ADuC812是一種8位單片機(jī)，所以地址計數(shù)器和計時器中的數(shù)據(jù)只能“分批”地送至雙口RAM中保存。所以要設(shè)計鎖存器、譯碼電路和總線隔離電路，避免總線沖突以及保證總線上的數(shù)據(jù)能正確無誤地傳遞。在本次設(shè)計中，當(dāng)ADuC812的特殊功能寄存器DPP高3位的值為“00H”時將計時器的高8位數(shù)據(jù)通過ADuC812送至雙口RAM中，依此類推，當(dāng)特殊功能寄存器DPP高3位的值為“05H”時將地址計數(shù)器的低8位數(shù)據(jù)通過ADuC812送至雙口 RAM中保存。當(dāng)特殊功能寄存器DPP為其他值時釋放數(shù)據(jù)總線，便于ADuC812進(jìn)行其他操作。

2.4 系統(tǒng)的VHDL描述及其仿真結(jié)果

系統(tǒng)的上述功能可由硬件描述語言(VHDL)來實現(xiàn)，源程序如下：

其仿真結(jié)果如圖2所示。

4 結(jié)論

本文對高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的采集數(shù)據(jù)貼上精確時間標(biāo)簽的方法進(jìn)行了詳細(xì)地敘述和仿真，得出如下結(jié)論：

(a) 假設(shè)高速AD轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換頻率為5MHz，則本系統(tǒng)能為存入靜態(tài)RAM中的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)貼上精度為0.2μs的時間標(biāo)簽。

(b) 通過復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)間接地實現(xiàn)了“低速”的單片機(jī)系統(tǒng)對高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實時監(jiān)視。