XBee模塊配合GPS鐘在井間探測時間同步技術的設計

西安石油大學光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室 王添翼

1.引言

時間是物理學的基本單位之一，它也是物質存在的基本形式之一，既所謂四維時空坐標的第四維。由于兩井之間的地下介質復雜，一口井發射電磁波信號和另一口接收信號在井間探測過程中，如果缺少時間這個參量，去分析地層特性，那么將變得非常困難，所以提高信號的時間同步的精度，對于分析地層特性來說，是十分有意義的。本文以應用為向導，研究基于GPS的低成本實時性的高精度時間同步系統在探測井間剩余油的應用。

在地球物理探測領域，通常采用同步技術有三種，GPS衛星導航定位系統是美國國防部的衛星導航定位系統。GPS不但可以用來精密定位，還可以用來精密定時，GPS提供的高精度系統信號，其精度可以達到10-12到10-13量級。這樣的精度在許多的實際應用中都能達到要求。

2.GPS授時原理

GPS時間系統是由GPS系統定義和使用的時間系統。衛星定位系統以時間為基本觀測量，由于衛星高速飛行，因此，要求時間系統必須十分精確，否則，就會帶來很大的距離誤差。GPS時間系統以原子頻率標準作為時間基準[5]，以1980年1月6日0時作為起點。它不存在跳秒，它的時間與協調時秒以下的差異可以保持在100μS內，并定期公布誤差，在星歷文件中發布的衛星鐘差就是相對GPS時間系統的鐘差。GPS接收機每秒發生時刻輸出脈沖信號，即秒脈沖PPS，并在稍后(約0.5s)，通過串行通信端口發送該秒時刻的國際標準時間(時、分、秒數值)和當前GPS接收機天線的地理定位信息[6]。利用GPS秒脈沖和絕對時標(串行通信數據信號)定時對傳感器節點進行同步觸發。GPS接收機穩定接收衛星信號后，秒脈沖信號的邊沿時刻與標準時間的秒時刻定時誤差小于40ns。若定義GPS接收機給出的秒脈沖時刻與標準時鐘的偏差為定時偏差，定義GPS接收機輸出的秒脈沖周期的起伏程度為定時穩定度，則GPS接收機產品的定時偏差指標和定時穩定度典型值通常40ns。換言之，GPS接收機的輸出可作為時間基準應用于同步控制裝置，一般均可以滿足實驗數據同步的要求。

3.系統構成與硬件軟件實現

3.1 XBEE Pro性能特點

XBEE Pro模塊設計滿足IEEE 802 15.4標準，工作頻率2.4GHz。作為一種新興的中距離、低速率的無線模塊，在這個領域里得到了廣泛關注和應用。該模塊體積小，功耗低，傳輸距離最大可達到1500m(室外)，接口簡單，容易使用。

XBEE Pro模塊的基本性能參數如下：發射功率1mW，接收靈敏度-92dBM，RF傳輸速率250Kbit/s；在3.3v電源下，發送的電流45mA，接收電流50mA。

XBee Pro模塊可以通過UART接口直接與控制器的UART接口相連，硬件接口簡單實用。圖1給出了Microchip公司的微控制器PIC16F887與XBee Pro的連接方法。除了將控制器和XBee Pro的UART發送和接收互連之外，用控制器的PORTC的第0個引腳RC0控制XBee Pro的SLEEP_RQ信號，可以在需要時控制XBee Pro模塊進入睡眠模式。由于沒有使用硬件流程控制，為了防止緩沖器溢出，在進行模塊參數配置時必須使UART接口的傳輸速率小于XBee Pro模塊的數據傳輸速率。

圖1 PIC16F887與XBee Pro的連接方法

3.2 GPS接收模塊

GPS作為系統的一部分，它必須滿足體積小、能耗低、可靠性高、授時精度高、數據更新頻率快等基本工作要求。在本系統的設計中采用的GPS模塊是Stsail公司生產的H-8123定位授時模塊，H-8123在僅為25.0×28.0×7.5mm大小的模塊上融合了高靈敏度、低功耗等特點。該模塊采用16并行跟蹤通道設計，接收來自L1波段的C/A碼信息，跟蹤靈敏度達-160dBm，將定位和授時范圍擴展到傳統GPS接收機不能覆蓋的地方。數據最大更新頻率為5Hz，熱啟動時間小于1s，冷啟動時間小于32s，重新捕獲時間小于1s，且動態性能達到515m/s，工作電壓范圍為3.5g～5.25V。該模塊具有很高的授時精度，1PPS脈沖的上升沿表示同步準確時刻，其均方根誤差為50ns，99%小于100ns，粒度為43ns，在GPS接收機取得有效導航解后，通過串口默認輸出按照美國國家海洋電子協會的NEMA 0183 ASCⅡ碼接口編碼的數據[7]，其中包含1PPS同步脈沖的UTC時刻，如圖2所示。

圖2 1PPS與 UTC時刻關系圖

圖3 系統硬件組成圖

3.3 系統組成原理

本系統使用由Stsail公司生產的H-8123定位授時模塊，它采用U-blox公司生產的G6010主芯片，授時誤差〈30μS，主控MCU采用PIC16f877，無線模塊采用zigbee技術的XBEE模塊。本系統工作原理：單片機實時接收GPS的時間信號，當有觸發信號經過AD模塊進入單片機，單片機進入中斷程序，將時間信息和觸發信號的幅值與周期進行二次編碼，生成數據包，發射端由XBEE無線發射模塊將此數據包進行透傳，發送給接收端XBEE模塊，接收端單片機接收到數據包后進行解碼。通過串口上傳給上位機程序予以顯示。如圖3所示。

3.4 軟件實現

在MCU收到觸發信號時，MCU將對觸發信號進行分析，并將此時刻的GPS的時間信號提取出來，進行編碼，通過無線模塊發送與接收，并在上位機予以顯示。具體程序流程圖如圖4所示。

圖4 工作流程

4.實驗結果

通過實驗發現。在此機制上建立的時間同步實現方法。通過示波器觀察，系統實驗誤差小于〈25μS。能夠滿足井間探測同步要求。

5.結論

本文在無線傳感器通過GPS時間定位系統中，通過只在發射端嵌入一個GPS接收機，運用GPS的授時原理，利用GPS的秒脈沖和絕對時標，采用無線透傳方式對接收傳感器節點進行同步觸發、時鐘校準、同步采集并存儲采集時刻的時間，從而在時鐘校準的基礎上，達到理想的同步采集誤差15μS左右，采用這種設計不但可以克服通過電纜同步的地理障礙，而且，提高了實驗的智能化，提高了測試的準確性。

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