專利名稱：Gps/北斗雙模衛星時鐘晶體振蕩器馴服系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種時鐘晶體振蕩器馴服系統，特別是涉及一種利用GPS衛星或北斗衛星所發出的標準時間信號對于晶體振蕩器進行馴服控制的GPS/北斗雙模衛星時鐘晶體振蕩器馴服系統，適用于電力、通信、鐵路、航空等行業需要高精度時鐘裝置的部門。
背景技術：
在電力、通信、鐵路、航空等需要高精度時鐘裝置的部門中，人們對儀器測量的精度和同步性要求也越來越高，尤其是要求分布在不同區域的儀器能夠實現同步采集，并且在相當長的時間內保證采樣的同步性，因此對時鐘系統的穩定性提出了非常高的要求。不僅要求每個儀器的時鐘要穩定，而且各個儀器之間的時鐘要求同步匹配。但是，目前市面上的晶振短時穩定性好，但長時間工作后存在較大的累計誤差。此外，不同晶振之間即使是同一批生產的晶振，個體間也是有一定的差異的，應用在高精度的儀器中將會帶來嚴重的累計誤差。而高精度的晶振，價格昂貴，并且也同樣存在累計誤差。衛星定位系統或北斗衛星定位系統能夠提供遠距離傳輸的高精度基準時間信號，具有高精度定位、授時和測速能力。GPS或北斗衛星發出的秒脈沖信號具有長期穩定性好的特點，但短期較差。由于GPS為美國軍方所開發，受到意識形態和政治因素的影響，用GPS時鐘做為唯一時鐘源對于時鐘系統安全性和穩定性存在一定安全隱患。北斗衛星導航系統為我們開辟了一條新途徑。隨著近幾年我國“北斗一號”技術的成熟，GPS/北斗衛星時鐘晶體振蕩器服技術中，有文獻提出根據GPS衛星的秒信號建立晶振的一元二次方程，以此為依據對晶振進行修正，此種方法需要事先對晶振進行大量測試，但由于晶體振蕩器本身的離散性以及生產工藝上的差異，此方法不具備普遍性。有文獻利用單片機讀入GPS/北斗衛星的標準脈沖與晶振分頻之后的相差，建立其數字鎖相環，再根據鎖相環的輸出調整恒溫晶振的控制電壓，但文獻并沒有給出數字鎖相環的具體設計方法；有文獻將衛星接收器與短穩性能好的高穩晶振結合，構成數字鎖相環，以衛星鎖定后的頻率作為直接數字頻率合成器的參考，但文獻中未能詳細描述數字鎖相環的設計和實現。另Ij外，上述文獻均未能實現GPS/北斗雙模馴服晶體振蕩器。

發明內容
本發明的目的是為克服現有技術的不足，針對晶體振蕩器和GPS衛星或北斗衛星信號的特點，設計一種基于GPS/北斗雙模衛星時鐘晶體振蕩器馴服系統，利用衛星所提供的標準秒脈沖信號，對于晶體振蕩器進行馴服控制，使晶體振蕩器經分頻輸出的秒信號與GPS衛星或北斗衛星的標準 時間鎖定，實現其同頻同相輸出。本發明的技術解決方案是:這種基于GPS/北斗雙模衛星時鐘的晶體振蕩器馴服系統，其特征在于，系統包括時鐘源模塊、單片微處理器、D/A轉換器、恒溫晶體振蕩器、調頻調相控制單元、相位超前滯后檢測單元、跟蹤/守時控制門、第一 2分頻電路和第二 2分頻電路、相位超前/滯后處理及分頻單元、異或門等部分，上述系統中，時鐘源模塊中包括GPS模板，北斗衛星接收模板，時鐘源選擇單元。模板輸入與GPS天線相連,一條輸出線與單片微處理器的RXD引腳相連,另一條輸出線與時鐘源選擇單元相連。北斗衛星接收模板的輸入線與北斗天線相連，一條輸出線與單片微處理器的RXD2引腳相連，另一條輸出線與鐘源選擇單元相連。轉換器與單片微理器的P23、P24、P25引腳相連，輸出模擬電壓與恒溫晶體振蕩器的控制電壓引腳相連；恒溫晶體振蕩器輸出分別與調頻調相控制單元、相位超前/滯后處理及分頻單元相連；相位超前/滯后處理及分頻單元接收恒溫晶體振蕩器發出的高頻脈沖并且與單片微處理器的P20、P21引腳相連，輸出IPPS標準脈沖信號，并與第二 2分頻電路相連；跟蹤/守時控制門的輸入分別與單片微處理器的P21引腳相連和時鐘源模塊的輸出相連，其輸出與第一 2分頻電路相連；異或門的輸入分別與第一 2分頻電路、第二 2分頻電路的輸出相連，輸出與單片微處理器的INTO引腳相連；調頻調相控制單元的輸入與恒溫晶體振蕩器和第二 2分頻電路的輸出相連，其輸出與單片微處理器的TO引腳相連；相位超前滯后檢測單元的輸入分別與第一 2分頻電路、第二 2分頻電路的輸出相連，其輸出與單片微處理器的P22引腳相連。與現有技術相比，本發明的有益效果是:本發明采用北斗與GPS雙時鐘源設計，同時接收北斗和GPS衛星信號，采用先進的時間控制處理算法，實現雙時間源智能切換，可確保系統時間同步的同時也可以實現GPS和北斗衛星同時失鎖后在一段時間內保持失鎖前的穩定度和準確度。


附圖1為本發明的電路原理框圖。附圖2為時鐘源模塊內部方框圖。附圖3為單片微處理器的程序流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖1和附圖2，對本發明做進一步的詳細說明。在前述系統中，GPS模板1.1通過天線接收來自GPS衛星的國際標準的UTC時間信息，輸出與UTC時間同步的IPPS秒脈沖及串行的UTC時間信息。北斗衛星接收模板1.2接收來自北斗衛星的UTC時間信息，輸出與UTC時間同步的IPPS秒脈沖及串行的UTC時間信息。GPS模板和北斗衛星接收模板輸出的串行UTC時間信息輸出至單片微處理器2的RXDl和RXD2引腳，兩模板輸出的IPPS秒脈沖則與時鐘選擇單元1.3相連并由單片微處理器的Pio, Pll引腳進行控制，輸出GPS或北斗輸出的秒脈沖，并送至跟蹤/守時控制門7。跟蹤/守時控制門7接收GPS或北斗衛星發過來的秒脈沖，并且由單片微處理器7的P21進行跟蹤/守時控制，當P21=l時，跟蹤/守時控制門7開放，系統處于跟蹤狀態，當P21=0時，跟蹤/守時控制門7關閉，系統處于守時狀態。跟蹤/守時控制門7輸出信號送到第一 2分頻電路8，經2分頻后輸出脈寬為I秒，周期為2秒的方波信號，分別送到調頻調相控制單元5、相位超前滯后檢測單元6和異或門U。調頻調相控制單元5利用周期為2秒的方波對于恒溫晶體振蕩器4輸出的高頻信號進行控制并輸入到單片微片理器2的TO和Tl計數器進行調頻計數和調相計數。恒溫晶體振蕩器4輸出的高頻信號輸入到相位超前/滯后處理及分頻單元9中，相位超前/滯后處理及分頻單元9利用單片微處理器2的P04進行相位滯后控制，利用異或門11輸出的相位差信號進行相位超前控制，然后進行分頻，最后得到周期為I秒IPPS標準秒脈沖的輸出信號。具體操作方法是，當單片微處理器2檢測到經分頻得后的秒信號相位超前標準秒信號時，通過異或門11輸出的相位差信號對于恒溫晶體振蕩器4輸出秒信號進行延時操作。而當單片微處理器2檢測到經分頻得后的秒信號相位滯后標準秒信號時，對于經分頻得后的秒信號進行扣除脈沖操作。周期為I秒IPPS標準秒脈沖的輸出信號和第一 2分頻電路8的輸出送到異或門11輸入端，其輸出為兩個秒信號之間的相位差，這一相位差信號送到單片微處理器的INTO引腳，作為測相計數器的開門控制信號。下面結合附圖3，對本發明中的單片微處理器的程序流程做詳細說明。單片微處理器2根據收到的GPS和北斗衛星串行UTC時間信息進行時鐘源的選擇和判斷，選擇GPS或北斗衛星輸出的秒脈沖進行跟蹤控制，當GPS和北斗衛星全部失鎖時，則由P20由高電平轉變為低電平，使系統進入守時狀態。單片微處理器2根據計數器Tl所計數據，對于兩個秒脈沖的相位進行判斷，相位超前由異或門11輸出的相位差信號直接控制，相位差滯后則由P20進行控制。單片微處理器2根據計數器TO所計數據，對于恒溫晶體振蕩器4的輸出頻率進行測量，以IOMHz頻率為基準，當所測頻率高于IOMHz時，通過P23、P24、P25引腳控制D/A轉換器提高恒溫晶體振蕩器4的輸出頻率；當所測頻率低于IOMHz時，通過P23、P24、P25引腳控制D/A轉換器降低恒溫晶體振蕩器4的輸出頻率；等于IOMHz時不調整；最終使恒溫晶體振蕩器4的輸出頻率鎖定在IOMHz上。前述的恒溫晶體振蕩器4輸出的高頻信號頻率為10MHz，其型號為0C50-VBAXBC-10MHZ ;相位超前/滯后處理及分頻單元9的分頻系數為IO7 ;單片微處理器2型號為宏晶STC單片機中的STC12C5A60S2，并工作于IT時鐘模式；單片微處理器2的TO作為調頻計數器，Tl作為調相計數器。
權利要求
1.一種基于GPS/北斗雙模衛星時鐘的晶體振蕩器馴服系統系統，其特征在于該系統包括時鐘源模塊(I)、單片微處理器(2)、D/A轉換器(3)、恒溫晶體振蕩器(4)、調頻調相控制單元(5 )、相位超前滯后檢測單元(6 )、跟蹤/守時控制門(7 )、第一 2分頻電路(8 )和第二2分頻電路(10)、相位超前/滯后處理及分頻單元(9)、異或門(11)部分，上述系統中，時鐘源模塊(I)中包括GPS模板(1.1)、北斗衛星接收模板(1.2)、時鐘源選擇單元(1.3)。
2.根據權利要求1所述基于GPS/北斗雙模衛星時鐘的晶體振蕩器馴服系統系統，其特征在于系統中單片微處理器(2)為整個系統的控制核心，單片微處理器的RXD1、RXD2、P10、Pll與時鐘源模塊(I)相連，P23、P24、P25與D/A轉換器(3)相連，T0、Tl與調頻調相控制單元(5)相連，INTO與第一 2分頻電路(8)相連，P22與相位超前滯后檢測單元(6)相連，INTl與相位超前/滯后處理及分頻單元(9)、和異或門(11)相連，P20、P04與相位超前/滯后處理及分頻單元(9)相連。
3.根據權利要求1所述基于GPS/北斗雙模衛星時鐘的晶體振蕩器馴服系統系統，其特征在于系統中GPS模板(1.1)接收來自GPS衛星的國際標準的UTC時間信息，輸出與UTC時間同步的IPPS秒脈沖及串行的UTC時間信息； 北斗衛星接收模板(1.2)接收來自北斗衛星的UTC時間信息，輸出與UTC時間同步的IPPS秒脈沖及串行的UTC時間信息； GPS模板和北斗衛星接收模板輸出的串行UTC時間信息輸出至單片微處理器(2)的RXDl和RXD2引腳，兩模板輸出的IPPS秒脈沖則與時鐘選擇單元(1.3)相連并由單片微處理器的P10，Pll引腳進行控制，輸出GPS或北斗輸出的秒脈沖，并送至跟蹤/守時控制門(7)。
4.根據權利要求1所述基于GPS/北斗雙模衛星時鐘的晶體振蕩器馴服系統系統，其特征在于系統中，D/A轉換器(3)與單片微理器(2)的P23、P24、P25引腳相連，接受單片微理器(2)的控制，輸出模擬電壓與恒溫晶體振蕩器(4)的控制電壓引腳相連，對于恒溫晶體振蕩器(4)輸出的頻率進行控制。`
5.根據權利要求1所述基于GPS/北斗雙模衛星時鐘的晶體振蕩器馴服系統系統，其特征在于系統中，恒溫晶體振蕩器(4)輸出分別與調頻調相控制單元(5)、相位超前/滯后處理及分頻單元(9)相連，將輸出的高頻信號送至上述單元。
6.根據權利要求1所述基于GPS/北斗雙模衛星時鐘的晶體振蕩器馴服系統系統，其特征在于系統中，相位超前/滯后處理及分頻單元(9)接收恒溫晶體振蕩器(4)發出的高頻脈沖并且與單片微處理器(2)的P20、P21引腳相連，輸出IPPS標準脈沖信號，作為整個系統的輸出信號，并與第二 2分頻電路(10)相連。
7.根據權利要求1所述基于GPS/北斗雙模衛星時鐘的晶體振蕩器馴服系統系統，其特征在于系統中，跟蹤/守時控制門(7)的輸入分別與單片微處理器(2)的P21引腳相連和時鐘源模塊(I)的輸出相連，其輸出與第一 2分頻電路(8)相連。
8.根據權利要求1所述基于GPS/北斗雙模衛星時鐘的晶體振蕩器馴服系統系統，其特征在于系統中，異或門(11)的輸入分別與第一 2分頻電路(8)、第二 2分頻電路(10)的輸出相連，輸出與單片微處理器(2)的INTO引腳相連，作為單片微處理器的相位差輸入線，同時與相位超前/滯后處理及分頻單元(9)相連，作為相位差超前控制線。
9.根據權利要求1所述基于GPS/北斗雙模衛星時鐘的晶體振蕩器馴服系統系統，其特征在于系統中，調頻調相控制單元(5)的輸入與恒溫晶體振蕩器(4)和第二 2分頻電路(10)的輸出相連，其輸出與單片微處理器(2)的TO引腳相連，作為測頻輸入引腳。
10.根據權利要求1所述基于GPS/北斗雙模衛星時鐘的晶體振蕩器馴服系統系統，其特征在于系統 中，相位超前滯后檢測單元(6)的輸入分別與第一 2分頻電路(8)、第二 2分頻電路(10)的輸出相連，其輸出與單片微處理器2的P22引腳相連，作為測相輸入引腳。
全文摘要
一種GPS/北斗雙模衛星時鐘晶體振蕩器馴服系統，可用于電力、通信、鐵路、航空等領域需要高精度時鐘裝置，包括有時鐘源模塊、單片微處理器、D/A轉換器、恒溫晶體振蕩器、調頻調相控制單元、相位超前滯后檢測單元、跟蹤/守時控制門、第一2分頻電路和第二2分頻電路、相位超前/滯后處理及分頻單元、異或門等部分。本發明以GPS/北斗衛星時鐘模塊輸出的1PPS秒脈沖為基準，通過微處理器及單元電路，對于恒溫晶體振蕩器進行馴服控制，對輸出的脈沖進行分頻、調頻調相，使之輸出與GPS或北斗衛星輸出1PPS脈沖完全同步的標準秒脈沖，當GPS/北斗衛星失鎖時，能夠在相當長的時間輸出的秒脈沖仍然保持原衛星鎖定時的精度。
文檔編號G04G7/00GK103117742SQ20111036407
公開日2013年5月22日 申請日期2011年11月17日 優先權日2011年11月17日
發明者曾一凡, 陳貴軍 申請人:沈陽工業大學