一种用于远距离多点控制的高精度顺序控制单元和方法与流程

本发明属于远距离多点顺序控制领域，具体涉及一种用于远距离多点控制的高精度顺序控制单元和方法。

背景技术：

顺序控制单元是测控系统中的同步触发控制设备，主要用于控制各类参试设备按照预定的时间顺序工作，确保试验的正常进行和试验数据的准确获取，是很多试验中的一类重要设备。

在顺序控制领域，顺序控制单元传统上多采用PLC(可编程逻辑控制器)实现，PLC性能稳定，可靠性高。但是PLC受限于其软件程序的扫描运行方式，顺序指令的时间精度不高，一般不优于百微秒。

对于高精度顺序控制，通常采用单片机和FPGA逻辑器件进行时间顺序指令的计算和输出。如文章名为《基于NIOSII处理器的多通道ns级时序控制同步机设计》所述，采用Altera公司的第二代FPGA嵌入式软核处理器NIOS II器件实现时间顺序同步，精度可达20ns(纳秒)，然而其时间范围不超过100s。如文章名为《一种多路时间序列控制仪的设计与实现》所述，通过单片机与FPGA组成的时间顺序电路控制模块实现精度达2us(微秒)、时间范围0～10s的20路时间顺序指令。目前看来，通过上述方法实现的顺序控制单元，时间精度高，但是存在时间范围小等问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种时间精度高、时间范围广的用于远距离多点控制的顺序控制单元和方法，采用GPS驯服铷原子钟来实现与GPS标准时间高精度同步，通过专用时钟I/O口将铷原子钟模块产生的秒脉冲和100M频率信号送入Zynq-7000。可以实现时间精度最高可达10ns，时间范围可高达1秒～1000小时的顺序控制。

本发明的技术解决方案是：提供一种用于远距离多点控制的高精度顺序控制单元，其特殊之处在于：包括铷原子钟模块、PS模块、PL模块和指令输出模块；

上述PS模块与PL模块互相通讯；上述PL模块的输出端与指令输出模块的输入端连接；

上述铷原子钟模块用于接收GPS标准时间信号和秒脉冲信号，并在GPS标准时间信号无效时，自主计时，产生同步于GPS标准时间的本地时间、秒脉冲和100MHz频率；

铷原子钟模块将同步于GPS标准时间的本地时间发送至PS模块；铷原子钟模块将秒脉冲和100MHz频率发送至PL模块；

上述PS模块还接收以太网或者串口接收主控计算机发送的触发时间信息/零时信息；所述PS模块将触发时间和当前接收的本地时间相减，获得倒计时时间；根据倒计时时间计算计数个数并设定指令时间顺序，将计数个数发送至PL模块；

上述PL模块以秒脉冲和100MHz频率为基准、以PS模块发送的计数个数进行计数，计数完成，产生逻辑输出信号，并将逻辑输出信号发送至指令输出模块；

上述指令输出模块根据接收的PL模块发送的逻辑输出信号，并实时实现顺序控制指令输出。

上述计数个数包括m和n，上述m为倒计时时间的整秒个数，上述n为倒计时时间秒以下时间与10ns的倍数。

上述PL模块以秒脉冲为基准计数m-1次，以100MHz频率为基准计数n+10⁸次。

上述PS模块为以ARM双核处理器为核心的片上系统。

上述PL模块为FPGA逻辑器件。

上述指令输出模块为MAX4824模块。

本发明还提供了一种用于远距离多点控制的高精度顺序控制方法，包括以下步骤：

1)用GPS标准时间信号和秒脉冲信号，产生与GPS标准时间高度同步的本地时间信号、秒脉冲、100MHz频率高稳时钟；

2)通过以太网或者串口接收主控计算机发送的触发时间信息减去本地时间得到计数个数；

3)根据计数个数、秒脉冲、100MHz频率，开始计数，计数完成，输出逻辑高电平，驱动控制指令输出。

上述步骤2)与步骤3)具体为：

2.1)系统初始化，等待接收触发时间信息并进行校验，如果接收到触发时间信息则接收本地时间，否则，返回继续接收触发时间信息；

2.2)将触发时间和当前本地时间相减，获得倒计时时间，然后计算计数个数并设定指令时间顺序，计数个数包括m和n，所述m为倒计时时间的整秒个数，所述n为倒计时时间秒以下时间与10ns的倍数；PS模块将计数个数发送到PL模块；

2.3)以秒脉冲为基准计数m-1次，以100MHz频率为基准计数n+10⁸次，并监测计数状态是否正确，如果发现错误，则开始下一循环，重新接收触发时间；否则输出逻辑高电平，驱动控制指令输出。

本发明的有益效果是：

1、本发明基于铷原子钟和Zynq-7000实现顺序控制单元，通过PS模块中的软件接收标准时间信息和设定控制时间顺序，通过PL部分(FPGA)逻辑实现指令输出，在时间精度上可达10ns级，较大地提高了顺序控制单元的时间精度。

2、本发明通过GPS驯服铷原子钟，提供与GPS标准时间源高精度同步的时间和秒脉冲，因此其控制指令输出在时间上能够与GPS标准时间高精度同步。对于那些相距几十乃至几百公里的分散场合，由于GPS标准时间的一致性，通过在多个地方各一套本发明提出的顺序控制单元，能够实现多点时间顺序指令之间的高精度同步。

3、本发明实现的顺序控制单元，通过对秒脉冲和100MHz频率分别计数的方法，可以设定1s至超过1000小时的时间范围，这是对时间范围的很大提高。

4、本发明采用Zynq-7000实现顺序控制功能，可以根据应用需求，进行扩展和升级，实现不同的顺序控制方式，应用于不同场合。

附图说明

图1是本发明顺序控制单元结构图；

图2是PL模块逻辑设计RTL级原理图；

图3是PS模块程序流程图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的描述。

本发明主要涉及一种用于远距离多点控制的高精度顺序控制单元和方法，用于实现高精度顺序控制功能，可广泛应用于对时间精度要求较高的远距离多点顺序控制场合。

参见图1，本发明设计的顺序控制单元主要包括四个模块：铷原子钟模块(U1)、PS模块(U2)、PL模块(U3)、指令输出模块(U4)。

铷原子钟模块的两个输出端分别与PS模块(处理系统)、PL模块(可编程逻辑)的输入端连接；PS模块与PL模块通讯；PL模块的输出端与指令输出模块的输入端连接；

下面举例说明一种用于远距离多点控制的高精度顺序控制单元和方法的实现，对于PS模块和PL模块，本发明通过含有Zynq-7000芯片的开发板Zedboard来实现的。

GPS天线负责接收GPS标准时间信号和秒脉冲信号，并通过BNC接口送入铷原子钟。铷原子钟负责产生高精度同步于GPS标准时间的本地时间输出、秒脉冲和100MHz频率输出，并在GPS信号无效时，自主计时，保持本地时间与GPS标准时间同步，作为顺序控制单元的时间基准。其中本地时间信息通过以太网或者RS-232串口发送到PS模块(U2)，秒脉冲和100MHz频率通过专用I/O口送入PL模块(U3)。

PL模块(U3)以FPGA逻辑器件为核心，负责通过专用时钟I/O口接收铷原子钟模块送入的秒脉冲和100MHz频率信号，以作为时间、频率基准。硬件逻辑中添加IP核AXI UART来实现串口功能，IO接口主要是通过开发板上PMOD接口实现。FPGA部分设计定时器，并将指令输出初始化为低电平，然后将定时器通过AXI4总线与ARM连接，可通过ARM软件设置倒计时，启动和实现定时器中断。FPGA硬件逻辑通过对秒脉冲和100MHz频率信号共同计数驱动指令输出高电平。通过FPGA实现的逻辑设计RTL级原理图见图2。根据控制功能需求，实现嵌入式内核的基本接口和顺序控制功能。PL模块通过逻辑器件完成计数，先对秒脉冲计数，以计算秒以上的时间，计数(m-1)次即可计时(m-1)秒；之后对100MHz频率计数，以计算秒以下的精细时间，计数(n+10⁸)次即可完成计时。由于100MHz是由铷原子钟模块产生和并通过专业时钟I/O接口送入，其频率准确度和稳定度极高，PL模块(U2)逻辑输出精度可达10ns，并通过I/O口送入指令输出模块(U4)。

PS模块(U2)是一个以ARM双核处理器为核心的片上系统，负责通过RS232串口接收铷原子钟模块(U1)送入的标准时间信息，可以通过以太网或者串口接收计算机发来的触发时间信息。PS模块通过软件C程序实现，程序算法流程图参见图3。在系统初始化后，等待接收触发时间信息并进行校验，正确后接收本地时间，将触发时间和当前本地时间相减，获得倒计时时间，然后按照预定的程序计算计数个数并设定指令时间顺序，然后通过AXI总线将计数个数(包括上文所述m和n)发送到PL模块(U3)的存储单元，之后启动PL模块开始计数，并监测PL模块的计数状态是否正确，如果发现错误，则开始下一循环，重新接收触发时间。

指令输出模块(U4)由MAX4824模块完成，负责接收PL模块(U3)送入的逻辑输出信号后，并实现顺序控制指令输出。MAX4824模块通过PMOD接口与PL模块(U3)连接，接收到逻辑高电平时，即可导通相应的触点，完成控制指令输出。

由于GPS标准时间的一致性，通过在多个地方各自一套本发明提出的顺序控制单元，能够实现多点时间顺序指令之间的高精度同步。