基于FPGA 時間同步技術的實現(xiàn)

周國平

（南京林業(yè)大學信息科學技術學院，南京 210037）

1 引言

隨著電力系統(tǒng)自動控制水平的不斷提高，發(fā)電廠、變電站和電力調度等各種自動化設備的運行離不開時間的統(tǒng)一。

目前在實際應用中，電力設備的多樣性使得對時間同步的要求也各種各樣，應用較多的時間源為GPS、BD（北斗）和IRIG-B，由此提供高精度的時間基準，通過解碼轉換形成秒（分或時）脈沖信號、IRIG-B交直流碼、NTP、IEEE 1588（PTP）、RS232和 RS485（RS422）串口報文等輸出方式，完成對全站受時裝置的對時。

本文結合變電站時間同步技術的現(xiàn)狀和發(fā)展，探討基于FPGA實現(xiàn)多時鐘源冗余輸入和多格式輸出的技術應用，以期滿足變電站對時間同步的需要。

2 問題的提出

2.1 基準時間的選擇

根據電力系統(tǒng)對時間同步技術要求，在考慮時間系統(tǒng)的安全性和可靠性，選擇GPS和BD作為空基衛(wèi)星授時無線時間基準信號輸入，同時選擇IRIG-B作為外部授時有線時間基準信號輸入。

另外系統(tǒng)配置外部高穩(wěn)定的恒溫晶振輸入，經FPGA鎖相處理，提供高精度、穩(wěn)定的頻率信號，經外部時基信號同步，形成內部時鐘，實現(xiàn)時間的同步和統(tǒng)一。

2.2 同步時間輸出的選擇

電力系統(tǒng)自動化設備種類繁多，對時間同步的要求也各種各樣。FPGA的實時性和多輸入輸出端口，使得實現(xiàn)多種時間信號輸出成為可能。

目前時間同步信號主要包含為：脈沖校時（秒脈沖、分脈沖和時脈沖）、串口校時、交直流IRIG-B碼校時、NTP或PTP網絡校時，以及光纖接口校時等。

3 基于FPGA系統(tǒng)方案的實現(xiàn)

根據變電站對時間同步的要求，選擇FPGA為核心，實現(xiàn)多時鐘源輸入和多授時方式輸出接口的時鐘裝置，系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示。

3.1 同步信號的處理

圖1 時間同步系統(tǒng)組成

時鐘系統(tǒng)的時間同步信號主要來自外部時鐘源，對外部時鐘源發(fā)送的數據和脈沖信號進行處理，獲得時間信息和準時間沿信息，通過解調出的時間信息校正系統(tǒng)內的時分秒和日期，并對解調出的準確時間沿脈沖（通常是秒脈沖信號）同步系統(tǒng)的脈沖輸出及各輸出信息的發(fā)送時刻。

空基時基信號的獲取：將GPS和BD的NMEA 0183[1-2]輸出語句統(tǒng)一設置為4800波特率、異步傳輸方式，經轉換為TTL電平輸入到FPGA。GPS的輸出語句選擇$GPZDA[3]，＜1＞，＜2＞，＜3＞*hh＜CR＞＜LF＞語句；BD的輸出語句選擇$CPZDA，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞*hh＜CR＞＜LF＞，通過對該語句按格式譯碼，以獲得時間和日期等。

異步傳輸是按字符傳輸的，一個字符的信息由起始位、數據位、奇偶校驗位和停止位組成[2]，1位起始位、8位數據位、2位停止位和無校驗位異步數據幀格式見圖2所示。

通過檢測輸入數據的下降沿獲得起始位，按波特率生成接收時鐘，采集串行輸入數據并移位操作。

判斷標志信息，提取數據位數據，進行串轉并處理，獲得時間信息和有效/無效狀態(tài)信息，并將兩者的信息轉換成相對應的年月日時分秒的時間信息以便比對。

圖2 異步通信的幀格式

有線時基信號的獲取：IRIG-B碼是一種常用的授時方式，含有時間信息和準確的脈沖沿信息。輸出是一種串行時間碼，幀長1S，共計100個碼元，碼元寬度為10ms，采用脈寬編碼形式，2ms脈寬表示“0”、5ms脈寬表示“1”、8ms脈寬表示“P”[4]，格式見圖3所示。

圖3 一幀B碼示意波形圖

采用10kHz時鐘信號對B碼的輸入信號進行計數處理，設定誤差范圍（如±5個單位相當于0.5ms誤差），識別“0”、“1”、“P”碼，獲得時分秒、天數和年數據[4]，并轉換成相對應的年月日時分秒的時間信息以便比對。

IRIG-B脈沖信號的獲取：連續(xù)出現(xiàn)2個P標志位是IRIG-B碼準確的幀頭，其中第2個標志位的前沿與秒脈沖信號同步。在PR碼頭前1ms輸出秒控制信號B與IRIG-B碼的信號A進行與運算，輸出的C信號即為解調出來的同步秒脈沖信號，確保了秒脈沖前沿的精度，見圖4所示。

圖4 IRIG-B解調秒脈沖的形成

基準信號的比對：分別對時間信息和秒脈沖信息進行比對。在時間數據比較相同時認為時間信息一致，而脈沖前沿在允許的誤差范圍內（如±0.5μs）認為一致。

基準信息的選擇：系統(tǒng)通過參數設置健設置基準時間輸入的優(yōu)先級，通常按BD-GPS-IRIG-B設置優(yōu)先級，也可以按GPS-BD-IRIG-B設置優(yōu)先級等。當三個或兩個時基源比對結果完全一致時，選擇結果一致的時基源優(yōu)先級最高的冗余時間信號和脈沖信號輸出，當比對結果不一致時不進行時間同步。

選擇冗余輸出的時間信息同步內部時間（需要進行加1s處理），脈沖信號同步分頻電路和全局時間。

3.2 輸出信號的處理

經同步馴服的頻率信號在 FPGA內部分頻計數，輸出標準的1PPS、1PPM和1PPH信號。

將參考碼元、識別標志、秒、分、時、天、年和當天的總秒數，按圖3所示的時序格式編碼，進行并轉串處理，數據輸出選擇響應的計數脈寬輸出，參考碼元和識別標志選擇 8ms的脈寬輸出，數據“0”和“1”分別選擇2ms和5ms的脈寬輸出，由此獲得IRIG-B直流碼信號。

IRIG-B直流碼信號經正弦調制，經DA轉換、驅動和變壓器隔離輸出交流B碼。

根據UART協(xié)議，將發(fā)送數據鎖存為并行數據，由數據傳輸波特率產生的發(fā)送時鐘發(fā)送移位輸出，即完成數據的異步發(fā)送。

3.3 輸出信號的接口電路

根據電力系統(tǒng)對時間同步信號及數量的不同需求[5]，通過參數設置選擇脈沖信號（1PPH、1PPM和1PPS）、B碼、串行信號進行二次分配，通過本系統(tǒng)設計的4路TTL、4路RS232、4路RS485（或RS422）、4路高速光電隔離器6N137或4路850nm的光纖發(fā)送器HFBR1412輸出。

網絡時間同步是數字變電站和數字化設備普遍采用的一種重要的同步方式，目前分為NTP和PTP兩種授時[6-7]。NTP精度在局域網內可達毫秒級，用以太網控制芯片RTL8019AS實現(xiàn)，而PTP的精度可達納秒級，主要用以太網控制芯片DP83640T實現(xiàn)，通過串行時間信息和同步的脈沖信號輸入獲得專用NTP或PTP模塊的同步時間，經處理按相應的網絡協(xié)議組成網絡對時輸出，同時可以服務于多臺對時設備的時間請求。

4 結論

系統(tǒng)以BD、GPS為主和IRIG-B為輔接入時基信號源，提高了系統(tǒng)的授時精度和可靠性，同時對高穩(wěn)晶振進行同步鎖相處理，增強了時間間隙的準確性和系統(tǒng)的守時精度；針對多個設備時間同步方式的不同需求，可以經FPGA將各種授時信號進行靈活的分配獲得。經過系統(tǒng)測試實現(xiàn)了預期的設計要求。

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