分布式測量系統(tǒng)時統(tǒng)信號分路電路設(shè)計

摘要：針對分布式測量系統(tǒng)不同測量單元之間時間統(tǒng)一的問題，設(shè)計了一種實用的時統(tǒng)信號分路傳輸電路。詳細(xì)分析了電路的設(shè)計原理、元器件的選擇和電路的具體實現(xiàn)，并對實際電路進(jìn)行了測試。實驗表明，設(shè)計的電路在實際運行中穩(wěn)定可靠，具有較高的工程實用價值。
關(guān)鍵詞：分布式測量：時間統(tǒng)一；分路電路

在現(xiàn)代許多分布式測量系統(tǒng)，如激光陀螺形變測量系統(tǒng)、分布式聲源定位系統(tǒng)等高精度分布式測量系統(tǒng)中，為了精確地獲取信息，各個測量單元之間的測量時間必須是同步的，即需要考慮不同測量單元之間的時間統(tǒng)一。實現(xiàn)時間統(tǒng)一最直接的方法是將一個時統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)時間傳輸給測量單元使用，因此需要設(shè)計一個電路來實現(xiàn)時統(tǒng)信號的多路傳輸。筆者針對分布式測量系統(tǒng)對時間統(tǒng)一的要求，設(shè)計了一個時統(tǒng)信號分路電路，可以將GPS數(shù)據(jù)或B碼終端輸出的信號分成多路，以滿足不同測量單元之間實現(xiàn)同步測量的需求。

1 分路電路設(shè)計方案
分布式測量系統(tǒng)一般是基于不同位置的測量單元敏感各自所在位置的信息，經(jīng)過處理得出安裝點之間相關(guān)的信息。處于不同位置的測量單元單獨完成信息的采集，時統(tǒng)設(shè)備的信號經(jīng)過分路電路分路后，對每個測量單元提供標(biāo)準(zhǔn)時間，將測量單元測得的數(shù)據(jù)打上時標(biāo)，按照標(biāo)準(zhǔn)時間對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，就可以實現(xiàn)精確地分布式測量。其中分路的實現(xiàn)是將GPS接收板輸出的兩路信號直接在電路上分為兩路，將信號進(jìn)行處理后傳輸給測量單元使用。
在實際測量中，不同測量位置之間的距離往往較遠(yuǎn)，可達(dá)到數(shù)百米。由于RS-232是單端信號傳輸，存在共地噪聲、不能抑制共模干擾和傳輸距離短等問題，因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后傳輸信號?？紤]到RS-422是差分傳輸，抗干擾能力強，在低于100 kB／s傳輸速率時，可以達(dá)到最大傳輸距離1 200 m，采用RS-422接口在不同測量單元之間傳輸時統(tǒng)信號，可以提高信號的傳輸距離、完整性和電磁兼容性，增強抗干擾能力。
時統(tǒng)信號分路電路的原理框圖如圖1所示。

由圖1可以看出，GPS接收板輸出的兩路信號首先在電路中分路，然后選擇合適的芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，傳輸給測量單元使用。當(dāng)能接收到GPS信號時，分布式測量系統(tǒng)的時統(tǒng)信號直接由GPS接收板提供，其輸出包括1路PPS信號和1路GPS數(shù)據(jù)包。由于受外界環(huán)境和條件的影響，會出現(xiàn)不能接收到GPS信號的情況，因此需要考慮使用其它的時間統(tǒng)一信號進(jìn)行分布式測量的時間統(tǒng)一，比較常見的是使用B碼進(jìn)行測量單元的時間統(tǒng)一。其中GPS數(shù)據(jù)包采用的是RS-232電氣協(xié)議，PPS信號和B碼信號為TTL信號，均可進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后以RS-422差分形式傳輸。

2 分路電路的實現(xiàn)
按照圖1所示的原理，對時統(tǒng)信號分路電路的器件進(jìn)行選擇。RS-422接口轉(zhuǎn)換芯片選擇MAXIM公司的MAX488芯片，全雙工，含有接收和發(fā)送模塊。GPS接收模塊采用加拿大NovAtel公司生產(chǎn)的OEMV系列板，此處采用OEMV-1G。OEMV-1G需要兩個輸入電源，分別是接收板所需電源+3．3 V，天線增益所需電源+5 V。RS-422轉(zhuǎn)換芯片MAX488需電源+5 V。外部供應(yīng)電源為+24～+30 V的直流電源，因而需要直流電源轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換為+5 V供MAX488和GPS天線使用，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為+3．3 V供GPS接收板使用。此處選擇臺灣PowerGood公司生產(chǎn)的提供+5 V輸出的ESB2450系列芯片和美國Texas Instruments公司生產(chǎn)的提供+3_3 V輸出的產(chǎn)品REG1117芯片。設(shè)計的分路電路實物圖如圖2所示。

此電路的直流特性如表1所示。

3 實驗測試
實驗測試采用屏蔽線為安普六類屏蔽線，其阻抗為0．08 Ω／m，線數(shù)為8根。實驗采用線長為215 m的屏蔽線時，單端線阻為17 Ω。實驗中的電源是由測量單元通過屏蔽線接入時統(tǒng)設(shè)備的，當(dāng)接入+24 V電源時，在時統(tǒng)設(shè)備中的GPS接收模塊不工作，測量PowerGood ESB2450芯片輸入端電壓為15．8 V，此時電源線上壓降約為8 V，輸入電壓不能滿足最低輸入電壓18 V的要求，電路不能工作，計算可得屏蔽線的壓降為40 mV／m，因而在供電電源+24 V時屏蔽線長度不超過180 m。此傳輸距離的限制不是由于數(shù)據(jù)傳輸速度造成的，而是因為受電源供電的影響，時統(tǒng)設(shè)備的電壓會受到傳輸電路壓降的限制，可以采用電氣特性更為優(yōu)良的屏蔽線或者采用單獨給時統(tǒng)設(shè)備供電的方式提高傳輸距離。之后采用傳輸距離為150 m的屏蔽線進(jìn)行測試。
實驗主要是利用示波器測試時統(tǒng)設(shè)備和測量單元之間的延遲，以及測量單元之間的時間同步性。使用的示波器型號為Tektronix的TDS10 12B，示波器的采樣時間分辨率為1 ns。測試的主要內(nèi)容是：
GPS信號的同步性：時統(tǒng)設(shè)備接收的GPS接收模塊發(fā)出的GPS信號與測量單元接收的GPS信號。
PPS信號的同步性：時統(tǒng)設(shè)備接收的GPS接收模塊發(fā)出的PPS信號與測量單元接收的PPS信號。
實驗測試波形如圖3和圖4所示。圖3中通道1和通道2為GPS信號在時統(tǒng)設(shè)備和測量單元處的波形，圖4中通道1和通道2為為PPS信號在時統(tǒng)設(shè)備和測量單元處的波形。對它們進(jìn)行多次測量的結(jié)果如表2所示。其中A代表時統(tǒng)設(shè)備，B、C分別代表不同的測量單元。

由表2數(shù)據(jù)可以看出，時統(tǒng)設(shè)備與測量單元之間的時間延遲很小，其值在1．000μs左右，主要是由于電子器件本身的延遲以及傳輸線路的延遲造成?？紤]到傳輸線路長度為150 m，則線路延遲為0．500 μs，增加電路引起的延遲為0．500μs。
測量單元之間有時間同步誤差，其值在0．020μs左右，主要是由于采用分立的元器件以及傳輸線路不一致造成的，信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換時使用的是分立的MAX488芯片，因此會造成不同測量單元之間的信號有時間同步誤差。

4 結(jié)束語
由于GPS信號需要在通視的情況下才可接收，容易受地形地貌的影響，使用時需要考慮環(huán)境因素，因此在考慮時間統(tǒng)一時就要設(shè)計另外的不依賴GPS的同步方式。本文設(shè)計的分路電路在不僅可以對GPS提供的時統(tǒng)信號進(jìn)行差分傳輸，還可以對其它同步方式比如B碼終端提供的時統(tǒng)信號進(jìn)行差分傳輸，以滿足分布式測量系統(tǒng)在不同測量環(huán)境中的需要。由測試結(jié)果可以看出：所設(shè)計的時統(tǒng)信號分路電路線路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、工作穩(wěn)定可靠、時間延遲小，已經(jīng)應(yīng)用于激光陀螺形變測量系統(tǒng)中，在其它分布式測量系統(tǒng)，如分布式溫度測量、分布式聲源定位系統(tǒng)中也能得到很好的應(yīng)用，具有較高的實用價值。