低功耗小型化時頻模塊的設(shè)計

謝 鵬

（華中光電技術(shù)研究所 武漢光電國家實驗室，湖北 武漢 430074）

0 引言

時間是當(dāng)今測量精度最高的基本物理量。隨著信息化時代的到來，高精度時間頻率已經(jīng)成為一個國家科技、經(jīng)濟、國防和社會生活中至關(guān)重要的參量，其應(yīng)用范圍涉及到國家諸多重要部門和各個領(lǐng)域，幾乎無所不及。高精度時間是軍事、電力、通信、交通等各行業(yè)系統(tǒng)運行的安全保障，時間頻率的科學(xué)研究已成為國家信息化建設(shè)的重要科技支撐。

高精度時間基準是通信、導(dǎo)航、電力、工業(yè)、商務(wù)以及國防建設(shè)等領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)保障平臺之一，精確的時間同步需求也越來越廣泛，人們對時間和頻率基準的精度提出了越來越高的要求。如何獲得高精度時間同步是保障各系統(tǒng)正?？煽窟\行的關(guān)鍵。對于時間頻率用戶系統(tǒng)來說，在利用各種技術(shù)手段獲得高精度、高可靠性時間頻率的同時，時頻用戶終端的體積、功耗等也成為更加關(guān)注的目標。時頻設(shè)備要想獲得高可靠性，時間源的冗余備份是必要的手段之一，而時頻設(shè)備高精度指標的實現(xiàn)又需要增大設(shè)備的體積和功耗。研制低功耗、小型化的時頻模塊，可以有效解決時間頻率用戶系統(tǒng)性能指標與體積、功耗之間的矛盾，便于實現(xiàn)時間源的冗余備份，更大程度提高時頻設(shè)備的可靠性。

1 模塊硬件設(shè)計

時頻模塊通過接收外部提供的供電電源及時間基準源，對內(nèi)部時間進行校準后，以串口、并口等接口形式向外輸出標準時間信息，同時輸出高準確度的秒脈沖及頻率信息。該模塊在保持與我所現(xiàn)有時統(tǒng)設(shè)備相應(yīng)級別的精度指標下，功耗與體積大大減小。

模塊以ARM 系列的微處理器和物理層網(wǎng)絡(luò)接口芯片等構(gòu)建嵌入式硬件平臺，在軟件層面實現(xiàn)基于微處理器和基于FPGA 的分頻控制程序設(shè)計，實現(xiàn)時間模塊的對時、守時、串口通訊及并口顯示功能。

低功耗小型化時頻模塊由頻率源及外圍電路、電平轉(zhuǎn)換電路、隔離電路、FPGA 和ARM 微處理器構(gòu)成的主控電路、電源電路等組成，如圖1 所示。該模塊將接收和解碼的GPS 時碼及秒信息譯碼為用戶所需要的各類時間信號。

圖1 模塊組成

模塊輸入接口：①供電電源DC5V，1 路；②時間基準源時碼信息 （422），1 路；③時間基準源秒脈沖信號（422），1 路。

模塊輸出接口： ①標準串口時碼信息（422），1 路；信號內(nèi)容：年、月、日、時、分、秒；數(shù)據(jù)更新率：4 次/秒；②標準秒脈沖信號（422），1 路；③并口時碼信息，1 路；信號內(nèi)容：年、月、日、時、分、秒；數(shù)據(jù)更新率：4 次/秒；④10MHz頻率信號，1 路。

模塊主要技術(shù)參數(shù)： ①同步精度： 優(yōu)于200ns；②守時精度： 優(yōu)于5ms/100day；③電源功耗： 不大于5W；④模塊體積：不大于（100×150×20）mm。

模塊頻率源選型： 當(dāng)前時頻設(shè)備通用的頻率源有溫補晶振（TCXO）、恒溫晶振（OCXO）、銣原子頻標、銫原子鐘等等。其中恒溫晶振和原子頻標頻率準確度、老化率、溫度特性等指標較好，但功耗較大；溫補晶振功耗、體積都較小，但頻率準確度不足。需要選擇一種體積小、功耗低、性能指標高的頻率基準作為時頻模塊的時間源。通過調(diào)研國內(nèi)外多型晶振和原子頻標，選定一種新型的芯片級原子鐘CSAC （Chip Scale Atomic Clock）作為頻率源。經(jīng)調(diào)整后的頻率輸出準確度標稱值可達±5×10-11，適合作為低功耗小型化時間模塊的頻率源。

CSAC 模塊的選取參考了來自儒科電子對CSAC 相關(guān)性能測試報告。以下為截取的部分測試報告內(nèi)容。測試采用了其公司自主研制的高性能GPS 同步時鐘——TG100 系統(tǒng)作為測試參考源，分別對CSAC 的10MHz 輸出和1PPS 相關(guān)指標進行了測試，并同其它銣鐘進行了一個橫向比較。測試內(nèi)容包括CSAC 的10MHz 的頻率準確度、短期穩(wěn)定性、相位噪聲，以及1PPS 信號的定時精度、鎖定頻率準確度、保持穩(wěn)定性和24 小時保持等關(guān)鍵指標。此外，還對CSAC 的鎖定時間和功耗進行了測試。這里截取了部分報告如下：①開機鎖定時間見表1；②開機功耗見表2。測試的時候要求測試環(huán)境的溫度在25℃左右；③外觀及尺寸對比。如圖2 所示為CSAC 原子鐘外觀圖，圖示中硬幣為尺寸參考，CSAC 原子鐘體積不足銣鐘FE-5650A 的1/10，具體尺寸大小如表3 所示。

表1 開機鎖定時間對比

表2 功耗對比

2 模塊軟件件設(shè)計

2.1 低功耗小型化時間模塊工作原理

圖2 CSAC 模塊俯視圖

時間模塊采用FPGA（EP3C25E144C7） 和ARM（STM32F107） 微處理器構(gòu)成主控電路。其中，F(xiàn)PGA主要用來完成時間的馴服、頻率源的倍頻、對基準頻率源的誤差計算、并口時碼信號的輸出、標準秒信號及標準頻率信號的輸出等功能，ARM 微處理器主要完成時間基準源時碼的解算、串口時碼信息的輸出、CSAC 頻率源的校準及附加功能的實現(xiàn)等。如圖3 所示為時間模塊的信號流程圖。

表3 外形尺寸對比

圖3 信號流程圖

低功耗小型化時頻模塊利用FPGA 和ARM 微處理器構(gòu)成的主控電路實現(xiàn)以下功能： ①監(jiān)測頻率源的工作狀態(tài)。對頻率源的鎖定信號進行實時監(jiān)測，確定其工作在正常狀態(tài)；②根據(jù)外部輸入的基準秒信號對頻率源頻率進行測頻運。在進行頻率源校準期間，每秒對輸入秒信號和頻率源分頻出的同步輸出秒信號之間的相位進行計算，并將計算所得差值實時發(fā)送給ARM 處理器；③根據(jù)測頻運算處理的調(diào)頻值完成對頻率源的調(diào)頻工作。ARM 對FPGA 輸出的秒脈沖在10000 秒相位差進行計算，得出頻率源的誤差值（精度為10-15），將補償值通過串口發(fā)送給CSAC 模塊進行補償；④測量本地秒與外部輸入秒的相位差，對本地輸出秒相位進行調(diào)整，使輸出秒信號同步于外部輸入秒信號；⑤接收外部GPS 時間報文，設(shè)置本地時間信號的運行時間，使本地輸出時碼信息同步于外部輸入的時間報文。將同步后的時碼報文通過串口及并口發(fā)送出去，串口通訊波特率為9600，并口與T6963C 液晶模塊通訊，實現(xiàn)標準時間的顯示；⑥預(yù)留手動配置時間數(shù)據(jù)、按鍵同步外部輸入的時間報文等其它附加功能。

為確保時頻模塊的守時精度這一關(guān)鍵技術(shù)指標，需要對選定的頻率源CSAC 做頻率校準處理。用FPGA 作為直接的調(diào)頻元件和主要的邏輯控制單元，結(jié)合ARM處理器的運算數(shù)據(jù)，實現(xiàn)頻率調(diào)相處理，保證頻率源的輸出頻率準確度處于最佳。采用的技術(shù)途徑如下： ①將頻率源輸出的10MHz 頻率信號，通過FPGA 內(nèi)部的鎖相環(huán)（PLL） 倍頻至100MHz，作為頻率校準的基準時鐘使用；②外部輸入?yún)⒖济朊}沖和本地秒脈沖的頻率源不同，存在著一定的頻差，通過測量在一定時間t(10000S) 內(nèi)兩路秒信號相位差的變化，算出被測頻率與標準參考頻率的頻差值；③ARM 處理器結(jié)合頻率源的準確度曲線，對FPGA 計算得到的頻差值數(shù)據(jù)進行濾波計算，舍去由于異常干擾而產(chǎn)生的大調(diào)頻數(shù)據(jù)，防止由于異常情況而引起的頻率大跳變。這里采樣連續(xù)3 秒內(nèi)輸入輸出秒脈沖相位的差值，比對3 差值的大小，取大小相同的2 次差值為10000S 后的相位差值。如三次差值均不相同則重新取值；④ARM 處理器通過串口發(fā)送調(diào)頻命令，對頻率源進行調(diào)頻操作，實現(xiàn)輸出滿足指標要求的10MHz 頻率信號。其中，通過測量相差來計算頻差的過程如下： 測量相差的采樣時鐘用100MHz 系統(tǒng)時鐘信號，以兩路秒脈沖的上升沿 （這里記上升沿分別為h1、h2，h1為輸入，h2為輸出） 作為觸發(fā)門限，測得一個頻率計數(shù)值x，進行如下計算：

2.2 ARM 控制軟件和FPGA 控制軟件

ARM 控制軟件采用C 語言編寫，主要用于完成GPS 時間解碼、串口時碼通訊、T6963C 并口顯示處理、頻率校準計算及輔助控制等功能；FPGA 控制軟件采用框圖和Verilog 混合編寫，主要用于完成分頻處理、倍頻處理、脈沖同步控制、相位差值采樣等功能。圖4 所示為ARM 軟件控制流程圖；圖5 所示為FPGA 軟件控制構(gòu)架圖。

圖4 ARM 軟件流程圖

圖5 FPGA 軟件流程圖

3 結(jié)論

低功耗小型化時頻模塊實現(xiàn)了頻率源與時間電路的集成化設(shè)計，用一塊單板實現(xiàn)時頻設(shè)備核心功能；功耗降低為現(xiàn)役時頻設(shè)備的1/5 以下 （實測單板工作功率小于2W），體積僅為現(xiàn)有銣鐘體積的1/10，工作時發(fā)熱量可忽略（銣鐘工作時發(fā)熱量較大）；選用新型芯片原子鐘作為頻率源，通過測量秒脈沖相位差實現(xiàn)頻率調(diào)整，達到優(yōu)于5ms/100d 的守時精度。

[1] 曹遠洪，何慶，楊林.芯片原子鐘_CPT 鐘研究進展[J].電訊技術(shù)，2010，1.

[2] 關(guān)曉旭，吳昊.新型船用時統(tǒng)可靠性設(shè)計[J].無線互聯(lián)科技，2014.