CN105511256B - 基于主站gps的绝缘在线高精度同步测量与时间标记方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线同步测量系统，具体是一种基于主站GPS的绝缘在线高精度同步测量与时间标记方法。本发明解决了现有采用无线通信实现站点同步的方法未考虑各个子站的本地时钟之间产生的累计误差对后续同步工作带来的影响、以及常用的GPS同步方法导致系统的成本过高、耗电增加、结构复杂的问题。基于主站GPS的绝缘在线高精度同步测量与时间标记方法，该方法是采用如下步骤实现的：1）无线同步测量系统的组成：无线同步测量系统采用1个主站和n个子站的结构，主站和各个子站通过无线信道组成无线同步测量系统；2）采样的同步启动；3）采样时钟的同步；4）本地时钟的标定和校正。本发明适用于无线同步测量系统。
Description
技术领域
本发明涉及无线同步测量系统，具体是一种基于主站GPS的绝缘在线高精度同步测量与时间标记方法。
背景技术
无线同步测量系统（WSN）广泛应用于电力绝缘性能的测量中，其测量原理如下：通过各个子站分别测量介质的漏电流和母线电压，并通过无线信道将测量数据汇集到主站，然后通过计算漏电流和母线电压之间的相位差，来评估介质的绝缘性能。无线同步测量系统在实际工作中，需要其各个站点（主站和各个子站）协同工作才能获得有用的信息，因此要求其各个站点之间具有严格的同步性。为了保证这一同步性，目前普遍采用的同步方法是：在无线同步测量系统的主站和各个子站均安装GPS时钟，并通过GPS时钟的秒脉冲信号来启动同步测量和对测量数据进行时间标记。然而，此种同步方法由于安装了多个GPS时钟，一方面会导致系统的成本过高和耗电增加，另一方面会导致系统出现各个GPS时钟信息不一致时的管理问题，由此导致系统的结构复杂。目前也有一些采用无线通信实现站点同步的方法，但是这些同步方法大都未能考虑初次同步后，随着时间推移，各个子站的本地时钟之间产生的累计误差对后续同步工作带来的影响。基于此，有必要发明一种适用于无线同步测量系统的全新同步方法，既考虑各个子站的本地时钟之间产生的累计误差对后续同步工作带来的影响，又解决常用无线同步测量系统GPS同步方法导致系统的成本过高、耗电增加、结构复杂的问题。
发明内容
本发明为了解决现有采用无线通信实现站点同步的方法未考虑各个子站的本地时钟之间产生的累计误差对后续同步工作带来的影响、以及常用的GPS同步方法导致系统的成本过高、耗电增加、结构复杂的问题，提供了一种基于主站GPS的绝缘在线高精度同步测量与时间标记方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：基于主站GPS的绝缘在线高精度同步测量与时间标记方法，该方法是采用如下步骤实现的：
1）无线同步测量系统的组成：
无线同步测量系统采用1个主站和n个子站的结构，主站和各个子站通过无线信道组成无线同步测量系统；主站和各个子站均连接有nRF905无线通信模块；主站分别具有GPS时钟和本地时钟；各个子站仅具有本地时钟；其中，主站的本地时钟由外挂日历时钟芯片和微秒级计时器构成，子站的本地时钟由FPGA内置日历时钟和微秒级计时器构成；主站和子站的采样时钟和标记时间均由本地时钟提供；
2）采样的同步启动：
2.1）主站向各个子站发送采样启动请求，并在发送后完成本站的采样准备工作；各个子站接收到采样启动请求后，通过解析命令确定是否是采样启动请求；如果是采样启动请求，则各子站完成本站的采样准备工作；
2.2）主站利用nRF905无线通信模块的自动重传模式提交启动采样命令，在命令开始发送的时刻，主站连接的nRF905模块的DR引脚会出现跳变信号；主站将DR信号作为帧同步信号，并在DR信号的上升沿启动采样，然后以确定的采样频率进行连续采集，完成规定的采样点数；
在主站连接的nRF905模块的DR引脚出现跳变信号的时刻，如果不考虑无线电波以光速传输带来的各个子站接收到启动采样命令的时刻的差异，则各个子站会同时侦测到来自主站的无线载波信号，且各个子站连接的nRF905模块的CD引脚会同步出现跳变信号；各个子站将CD信号作为帧同步信号，并在CD信号的上升沿启动采样，然后以确定的采样频率进行连续采集，完成规定的采样点数；
由于DR引脚出现跳变信号与CD引脚出现跳变信号是同步发生的，使得主站和各个子站的采样是同步启动的；
3）采样时钟的同步：
主站利用nRF905无线通信模块的自动重传模式发送采样帧同步命令，并将重发时间间隔设置为20ms，由此使得nRF905模块的DR引脚每20ms出现一次跳变信号；nRF905模块的DR引脚每出现一次跳变信号，主站即在DR信号的上升沿对本地时钟的分频器进行一次清零，使得主站的采样时钟脉冲前沿与DR信号的上升沿对齐；
由于在主站连接的nRF905模块的DR引脚出现跳变信号的时刻，各个子站连接的nRF905模块的CD引脚会同步出现跳变信号，因此各个子站连接的nRF905模块的CD引脚每20ms会出现一次跳变信号；nRF905模块的CD引脚每出现一次跳变信号，各个子站即在CD信号的上升沿对本地时钟的分频器进行一次清零，使得各个子站的采样时钟脉冲前沿与CD信号的上升沿对齐；
此时，如果不考虑无线电波以光速传输带来的各个子站接收到采样帧同步命令的时刻的差异，则DR信号的上升沿、CD信号的上升沿、主站的采样时钟脉冲前沿、各个子站的采样时钟脉冲前沿均是对齐的，由此使得主站和各个子站的采样时钟每20ms同步一次，从而减少了随着时间推移，各个子站的本地时钟之间由于晶振漂移等因素产生的累计误差对后续同步工作带来的影响，进而提高了同步精度；
4）本地时钟的标定和校正：
4.1）主站利用GPS时钟发出的一个GPS秒脉冲启动本地时钟的微秒级计时器，并利用GPS时钟发出的下一个GPS秒脉冲停止该微秒级计时器；然后，主站利用本地时钟测得相邻两个GPS秒脉冲之间的计时脉冲数，并根据计时脉冲数标定主站的本地时钟的微秒级计时器的计时脉冲的宽度；具体标定公式如下：
t0=1/N0；
上式中：t0为主站的本地时钟的微秒级计时器的计时脉冲的宽度，N0为相邻两个GPS秒脉冲之间的计时脉冲数；
标定完成后，主站利用本地时钟精确标记每个采样点出现的绝对时刻；
4.2）主站利用本地时钟的微秒级计时器测得相邻两个DR信号之间的时间，第n个子站利用本地时钟的微秒级计时器测得相邻两个CD信号之间的计时脉冲数；然后，根据主站测得的相邻两个DR信号之间的时间和第n个子站测得的相邻两个CD信号之间的计时脉冲数，校正第n个子站的本地时钟的微秒级计时器的计时脉冲的宽度；具体校正公式如下：
tn=T2/Nn；
上式中：tn为第n个子站的本地时钟的微秒级计时器的计时脉冲的宽度，T2为主站测得的相邻两个DR信号之间的时间，Nn为第n个子站测得的相邻两个CD信号之间的计时脉冲数；
校正完成后，第n个子站利用本地时钟精确标记每个采样点出现的绝对时刻。
与现有无线同步测量系统的同步方法相比，本发明所述的基于主站GPS的绝缘在线高精度同步测量与时间标记方法无需安装多个GPS时钟，而只需在主站安装一个GPS时钟，并通过采用采样的同步启动技术、采样时钟的同步技术、本地时钟的标定校正技术，即可实现无线同步测量系统的在线高精度同步测量与时间标记，由此其不仅考虑了各个子站的本地时钟之间产生的累计误差对后续同步工作带来的影响，而且大幅降低了系统的成本、大幅减少了系统的耗电，同时彻底避免了系统出现多个GPS时钟信息不一致时的管理问题，由此大幅简化了系统的结构。
本发明有效解决了现有采用无线通信实现站点同步的方法未考虑各个子站的本地时钟之间产生的累计误差对后续同步工作带来的影响、以及常用的GPS同步方法导致系统的成本过高、耗电增加、结构复杂的问题，适用于无线同步测量系统。
附图说明
图1是本发明的步骤2）的示意图。
图2是本发明的步骤3）的示意图。
图3是本发明的步骤4）的示意图。
图4是本发明的主站的结构示意图。
图5是本发明的无线同步测量系统的结构示意图。
具体实施方式
基于主站GPS的绝缘在线高精度同步测量与时间标记方法，该方法是采用如下步骤实现的：
1）无线同步测量系统的组成：
无线同步测量系统采用1个主站和n个子站的结构，主站和各个子站通过无线信道组成无线同步测量系统；主站和各个子站均连接有nRF905无线通信模块；主站分别具有GPS时钟和本地时钟；各个子站仅具有本地时钟；其中，主站的本地时钟由外挂日历时钟芯片和微秒级计时器构成，子站的本地时钟由FPGA内置日历时钟和微秒级计时器构成；主站和子站的采样时钟和标记时间均由本地时钟提供；
2）采样的同步启动：
2.1）主站向各个子站发送采样启动请求，并在发送后完成本站的采样准备工作；各个子站接收到采样启动请求后，通过解析命令确定是否是采样启动请求；如果是采样启动请求，则各子站完成本站的采样准备工作；
2.2）主站利用nRF905无线通信模块的自动重传模式提交启动采样命令，在命令开始发送的时刻，主站连接的nRF905模块的DR引脚会出现跳变信号；主站将DR信号作为帧同步信号，并在DR信号的上升沿启动采样，然后以确定的采样频率进行连续采集，完成规定的采样点数；
在主站连接的nRF905模块的DR引脚出现跳变信号的时刻，如果不考虑无线电波以光速传输带来的各个子站接收到启动采样命令的时刻的差异，则各个子站会同时侦测到来自主站的无线载波信号，且各个子站连接的nRF905模块的CD引脚会同步出现跳变信号；各个子站将CD信号作为帧同步信号，并在CD信号的上升沿启动采样，然后以确定的采样频率进行连续采集，完成规定的采样点数；
由于DR引脚出现跳变信号与CD引脚出现跳变信号是同步发生的，使得主站和各个子站的采样是同步启动的；
3）采样时钟的同步：
主站利用nRF905无线通信模块的自动重传模式发送采样帧同步命令，并将重发时间间隔设置为20ms，由此使得nRF905模块的DR引脚每20ms出现一次跳变信号；nRF905模块的DR引脚每出现一次跳变信号，主站即在DR信号的上升沿对本地时钟的分频器进行一次清零，使得主站的采样时钟脉冲前沿与DR信号的上升沿对齐；
由于在主站连接的nRF905模块的DR引脚出现跳变信号的时刻，各个子站连接的nRF905模块的CD引脚会同步出现跳变信号，因此各个子站连接的nRF905模块的CD引脚每20ms会出现一次跳变信号；nRF905模块的CD引脚每出现一次跳变信号，各个子站即在CD信号的上升沿对本地时钟的分频器进行一次清零，使得各个子站的采样时钟脉冲前沿与CD信号的上升沿对齐；
此时，如果不考虑无线电波以光速传输带来的各个子站接收到采样帧同步命令的时刻的差异，则DR信号的上升沿、CD信号的上升沿、主站的采样时钟脉冲前沿、各个子站的采样时钟脉冲前沿均是对齐的，由此使得主站和各个子站的采样时钟每20ms同步一次，从而减少了随着时间推移，各个子站的本地时钟之间由于晶振漂移等因素产生的累计误差对后续同步工作带来的影响，进而提高了同步精度；
4）本地时钟的标定和校正：
4.1）主站利用GPS时钟发出的一个GPS秒脉冲启动本地时钟的微秒级计时器，并利用GPS时钟发出的下一个GPS秒脉冲停止该微秒级计时器；然后，主站利用本地时钟测得相邻两个GPS秒脉冲之间的计时脉冲数，并根据计时脉冲数标定主站的本地时钟的微秒级计时器的计时脉冲的宽度；具体标定公式如下：
t0=1/N0；
上式中：t0为主站的本地时钟的微秒级计时器的计时脉冲的宽度，N0为相邻两个GPS秒脉冲之间的计时脉冲数；
标定完成后，主站利用本地时钟精确标记每个采样点出现的绝对时刻；
4.2）主站利用本地时钟的微秒级计时器测得相邻两个DR信号之间的时间，第n个子站利用本地时钟的微秒级计时器测得相邻两个CD信号之间的计时脉冲数；然后，根据主站测得的相邻两个DR信号之间的时间和第n个子站测得的相邻两个CD信号之间的计时脉冲数，校正第n个子站的本地时钟的微秒级计时器的计时脉冲的宽度；具体校正公式如下：
tn=T2/Nn；
上式中：tn为第n个子站的本地时钟的微秒级计时器的计时脉冲的宽度，T2为主站测得的相邻两个DR信号之间的时间，Nn为第n个子站测得的相邻两个CD信号之间的计时脉冲数；
校正完成后，第n个子站利用本地时钟精确标记每个采样点出现的绝对时刻。
具体实施时，所述步骤1）-4）中，主站的硬件结构包括FPGA、GPS时钟、nRF905无线通信模块；其中，FPGA内部设计有SPI IP核并外接nRF905无线通信模块；GPS时钟直接与FPGA引脚连接；FGPA部分引脚预留硬件联络线；子站的硬件结构包括FPGA、nRF905无线通信模块；其中，FPGA内部设计有日历时钟IP核；FGPA部分引脚预留硬件联络线。
下面以图2为例，对所述步骤3）进行具体说明：图2中：第1个波形为主站的采样时钟信号，该信号的频率为10KHz。第2个波形为第1个子站的采样时钟信号，该信号相对于主站的采样时钟信号的偏差为+10ppm（parts per million，每百万次计数误差）。第三个波形为第n个子站的采样时钟信号，该信号相对于主站的采样时钟信号的偏差为-10ppm。第4个波形为主站发送的同步帧信号，该信号的节拍为20ms。第5个波形为第1个子站侦测到的CD信号，该信号的节拍为20ms。第6个波形为第n个子站侦测到的CD信号，该信号的节拍为20ms。假设在t0时刻，主站的采样时钟信号的前沿、第1个子站的采样时钟信号的前沿、第n个子站的采样时钟信号的前沿是对齐的，则在t1时刻，第1个子站的采样时钟信号的前沿、第n个子站的采样时钟信号的前沿相对于主站的采样时钟信号的前沿的偏差达到±1ns。到了t2时刻，第1个子站的采样时钟信号的前沿、第n个子站的采样时钟信号的前沿相对于主站的采样时钟信号的前沿的偏差达到±200ns。到了t3时刻，主站发送同步帧信号，第1个子站、第n个子站侦测到CD信号，并对采样时钟的分频器进行清零。因此在t3时刻，主站的采样时钟信号的前沿、第1个子站的采样时钟信号的前沿、第n个子站的采样时钟信号的前沿重新对齐，第1个子站的采样时钟信号的前沿、第n个子站的采样时钟信号的前沿相对于主站的采样时钟信号的前沿的偏差归零。到了t4时刻，第1个子站的采样时钟信号的前沿、第n个子站的采样时钟信号的前沿相对于主站的采样时钟信号的前沿的偏差重新达到±1ns。以此类推，由于各个子站每隔20ms对采样时钟的分频器进行一次清零，使得各个子站的采样时钟信号相对于主站的采样时钟信号的最大偏差始终被限制在200ns内，由此使得各个子站的采样时钟与主站的采样时钟同步。
Claims (2)
1.一种基于主站GPS的绝缘在线高精度同步测量与时间标记方法，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
1）建立无线同步测量系统：
无线同步测量系统采用1个主站和n个子站的结构，主站和各个子站通过无线信道组成无线同步测量系统；主站和各个子站均连接有nRF905无线通信模块；主站分别具有GPS时钟和本地时钟；各个子站仅具有本地时钟；其中，主站的本地时钟由外挂日历时钟芯片和微秒级计时器构成，子站的本地时钟由FPGA内置日历时钟和微秒级计时器构成；主站和子站的采样时钟和标记时间均由本地时钟提供；
2）采样的同步启动：
2.1）主站向各个子站发送采样启动请求，并在发送后完成本站的采样准备工作；各个子站接收到采样启动请求后，通过解析命令确定是否是采样启动请求；如果是采样启动请求，则各子站完成本站的采样准备工作；
2.2）主站利用nRF905无线通信模块的自动重传模式提交启动采样命令，在命令开始发送的时刻，主站连接的nRF905模块的DR引脚会出现跳变信号；主站将DR信号作为帧同步信号，并在DR信号的上升沿启动采样，然后以确定的采样频率进行连续采集，完成规定的采样点数；
在主站连接的nRF905模块的DR引脚出现跳变信号的时刻，如果不考虑无线电波以光速传输带来的各个子站接收到启动采样命令的时刻的差异，则各个子站会同时侦测到来自主站的无线载波信号，且各个子站连接的nRF905模块的CD引脚会同步出现跳变信号；各个子站将CD信号作为帧同步信号，并在CD信号的上升沿启动采样，然后以确定的采样频率进行连续采集，完成规定的采样点数；
由于DR引脚出现跳变信号与CD引脚出现跳变信号是同步发生的，使得主站和各个子站的采样是同步启动的；
3）采样时钟的同步：
主站利用nRF905无线通信模块的自动重传模式发送采样帧同步命令，并将重发时间间隔设置为20ms，由此使得nRF905模块的DR引脚每20ms出现一次跳变信号；nRF905模块的DR引脚每出现一次跳变信号，主站即在DR信号的上升沿对本地时钟的分频器进行一次清零，使得主站的采样时钟脉冲前沿与DR信号的上升沿对齐；
由于在主站连接的nRF905模块的DR引脚出现跳变信号的时刻，各个子站连接的nRF905模块的CD引脚会同步出现跳变信号，因此各个子站连接的nRF905模块的CD引脚每20ms会出现一次跳变信号；nRF905模块的CD引脚每出现一次跳变信号，各个子站即在CD信号的上升沿对本地时钟的分频器进行一次清零，使得各个子站的采样时钟脉冲前沿与CD信号的上升沿对齐；
此时，如果不考虑无线电波以光速传输带来的各个子站接收到采样帧同步命令的时刻的差异，则DR信号的上升沿、CD信号的上升沿、主站的采样时钟脉冲前沿、各个子站的采样时钟脉冲前沿均是对齐的，由此使得主站和各个子站的采样时钟每20ms同步一次，从而减少了随着时间推移，各个子站的本地时钟之间由于晶振漂移因素产生的累计误差对后续同步工作带来的影响，进而提高了同步精度；
4）本地时钟的标定和校正：
4.1）主站利用GPS时钟发出的一个GPS秒脉冲启动本地时钟的微秒级计时器，并利用GPS时钟发出的下一个GPS秒脉冲停止该微秒级计时器；然后，主站利用本地时钟测得相邻两个GPS秒脉冲之间的计时脉冲数，并根据计时脉冲数标定主站的本地时钟的微秒级计时器的计时脉冲的宽度；具体标定公式如下：
t0=1/N0；
上式中：t0为主站的本地时钟的微秒级计时器的计时脉冲的宽度，N0为相邻两个GPS秒脉冲之间的计时脉冲数；
标定完成后，主站利用本地时钟精确标记每个采样点出现的绝对时刻；
4.2）主站利用本地时钟的微秒级计时器测得相邻两个DR信号之间的时间，第n个子站利用本地时钟的微秒级计时器测得相邻两个CD信号之间的计时脉冲数；然后，根据主站测得的相邻两个DR信号之间的时间和第n个子站测得的相邻两个CD信号之间的计时脉冲数，校正第n个子站的本地时钟的微秒级计时器的计时脉冲的宽度；具体校正公式如下：
tn=T2/Nn；
上式中：tn为第n个子站的本地时钟的微秒级计时器的计时脉冲的宽度，T2为主站测得的相邻两个DR信号之间的时间，Nn为第n个子站测得的相邻两个CD信号之间的计时脉冲数；
校正完成后，第n个子站利用本地时钟精确标记每个采样点出现的绝对时刻。
2.根据权利要求1所述的基于主站GPS的绝缘在线高精度同步测量与时间标记方法，其特征在于：所述步骤1）-4）中，主站的硬件结构包括FPGA、GPS时钟、nRF905无线通信模块；其中，FPGA内部设计有SPI IP核并外接nRF905无线通信模块；GPS时钟直接与FPGA引脚连接；FGPA部分引脚预留硬件联络线；子站的硬件结构包括FPGA、nRF905无线通信模块；其中，FPGA内部设计有日历时钟IP核；FGPA部分引脚预留硬件联络线。
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