一种分布式测试系统的GPS同步方法与流程

本发明属于分布式测试系统同步方法技术领域，具体涉及一种分布式测试系统的GPS同步方法。该方法适合于解决战斗部毁伤试验中各分布式测点的同步问题。

背景技术：

瞬态信号广泛存在于战斗部的作用过程中，如爆炸压力信号、冲击振动信号等，其测量对武器战斗部的研制具有指导意义。瞬态信号是一个单次过程，持续时间短，作用范围广，较难测量。分布式测试系统由于具有较高的准确度、可靠性和适用性，成为当前主要的瞬态信号测试手段。在实际应用中，根据瞬态信号的作用范围，一般要在试验现场按一定规则布设若干个分布式测点，分别记录瞬态信号在该点随时间变化的历程。由于各测点在空间上的分散性，导致它们在物理上是完全隔离的，相互之间独立工作，不具备统一的时间基准。这种测试方法虽然可以很好地完成各测点信号随时间变化的记录，但该“时间”仅为各个测点的相对时间，丢失了瞬态信号作用于现场所有测点的整体时间概念，导致在整个作用区域内研究信号的传播规律无法实现。因此，研究面向分布式测试系统的同步技术具有显著意义。

现有的分布式测量系统的同步方法主要有：有线同步法和光同步法。有线同步法最早用于解决分布式测试系统各测点之间的同步问题，该方法理论简单，但需要在各测点之间连接电缆，在战斗部的毁伤试验中需要严密防护，避免破片击中造成失效，这会给布设测点多、测试距离远的场合带来极大的防护工程量，无法大规模使用。光信号同步法以战斗部的爆炸光作为同步信号，实际应用中无法排除太阳光或反射光对光敏元件的干扰，难以准确获取所需的同步信号。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有分布式测试系统的同步方法在大规模工程中不易实现、抗干扰性差的技术问题，提供一种基于GPS同步技术的分布式测试系统的同步方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种分布式测试系统的GPS同步方法，采用以下的步骤实现各分布式测点间的时基统一：

1)利用GPS授时模块产生并输出两种数据，一种是PPS脉冲信号，另一种是与每个PPS脉冲信号对应的串行数据中的UTC时间t(协调世界时)；

2)采用FPGA(现场可编程门阵列)提取并缓存GPS授时模块产生的UTC时间t；

3)以PPS脉冲信号为起始计时信号，以被测信号为停止计时信号：

i.若在下一个PPS脉冲来临时，被测信号仍然没有到来，则FPGA中的清零计数器重新开始新一轮计数，在被测信号到来前计数器一直处于清零计数再清零再计数的循环计数状态；

ii.一旦被测信号到来，FPGA中的计数器停止计数，当前计数值即是被测信号上升沿与被测信号到来前一次PPS脉冲上升沿之间的时间差Δt，FPGA将该时间差值Δt存放起来；

4)将时间差Δt与被测信号前一次PPS脉冲对应的UTC时间t₀整合后，存入EEPROM存储器；

5)计算机读取各个分布式测点的时间差Δt和UTC时间t₀后，通过上位机处理，建立起以PPS脉冲为基准的时统。

所述步骤2)中采用FPGA提取并缓存GPS授时模块产生的UTC时间t的具体操作步骤为：将UART串行通信协议集成到FPGA中，采用标准异步收发方式与GPS授时模块进行数据通信；在波特率一致的情况下，按照GPS授时模块的串行数据帧格式完成双方的串行通信，在每个PPS脉冲之后获取对应的UTC时间t，并存入内部寄存器。

所述步骤4)中将时间差Δt与被测信号前一次PPS脉冲对应的UTC时间t₀整合的具体操作步骤为：等待触发信号产生后，FPGA首先将锁存的时间差值Δt读取至内部的寄存器，然后读取已存入内部寄存器的UTC时间t₀，将UTC时间中的时、分、秒字节以及体现时间差值Δt的3个数据字节按权值高低依次存入EEPROM存储器，给GPS授时模块下电，完成一次同步过程。

所述步骤5)中计算机读取各个分布式测点的时间差Δt和UTC时间t₀后，通过以Labview为基础编程的上位机处理，建立起以PPS脉冲为基准的时统。计算机对各测点同步数据的具体处理步骤为：通过USB接口将各个测点存储在EEPROM中的时间数据上传至计算机；通过判读各个测点的UTC时间，确认各测点记录的时间差是否基于同一个PPS脉冲；若出现非同一PPS脉冲的情况，所有以第2个PPS脉冲为起始计时信号来记录的时间差值均加1s；以PPS脉冲为基准，根据时间差值确立被测信号传播到各个测点的时间，从而在所有测点建立起以PPS脉冲为基准的时统。

本发明采用以上技术方案，与背景技术相比，本发明具有以下优点：

1)相对于有线同步和光同步方法，更具有通用性和适用性，解决了分布式测试系统因其物理上的分散隔离造成不同步的问题；

2)在基于GPS授时模块的基础上，考虑了授时模块开机后自动进行搜索卫星、自动定位，但串口不会默认输出导航定位信息的现象，根据用户需要的串口信息，控制芯片在授时模块每次上电前都对其进行初始化，采用该方法大大提高了同步效率；

3)相对于有线同步，试验中减少了同步触发装置的使用，以无线同步方式避免因其损伤造成的不同步问题，采用该方法精度高、方法简单、易于工程实现；

4)针对实际使用中可能会受卫星失锁、恶劣天气状况等因素的影响，PPS脉冲可能出现不稳定或误差较大的问题，本发明提出了利用在FPGA中集成PPS脉冲判别的模块，使满足精度的PPS脉冲才能输出，提高了PPS脉冲信号的精确度。

本发明在传统分布式测试系统同步方法的基础上，基于GPS同步技术的原理，采用时间精度较高的GPS授时模块获得PPS脉冲信号和每个脉冲信号对应的UTC时间，采用控制芯片对两者的差值进行缓存和处理，与UTC时间按规则整合，建立以PPS脉冲为基准的覆盖所有测点的时统。

附图说明

图1是本发明的同步单元结构示意图；

图2为本发明FPGA对GPS输出信息的处理流程示意图；

图3为本发明对PPS脉冲判别的结构示意图；

图4为本发明FPGA对时间差值与对应的UTC时间整合示意图；

图5为本发明计算机对各测点同步数据的处理流程示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

本发明提供的一种分布式测试系统的GPS同步方法，具体实施方式如下：

1)利用GPS授时模块产生并输出两种数据，一种是PPS脉冲信号，另一种是与每个PPS脉冲信号对应的串行数据中的UTC时间t。如图1所示，GPS授时模块产生的PPS脉冲和现场被测信号输入到FPGA中，现场被测信号是由传感器输出并经后续调理和采集电路转换而成的数字信号，该部分电路不属于同步单元，图中未体现；

2)采用FPGA提取并缓存GPS授时模块产生的UTC时间t，具体操作步骤为：

i.将UART串行通信协议集成到FPGA中，采用标准异步收发方式与GPS授时模块进行数据通信。操作步骤如图2所示：对内部的UART进行初始化，设置波特率与GPS授时模块的串口波特率一致。例如，此授时模块的波特率为9600bps，则利用FPGA的分频模块，将UART的波特率设为9600bps，此时GPS授时模块与UART的数据通信率相匹配；

ii.在波特率一致的情况下，按照GPS授时模块的串行数据帧格式完成双方的串行通信，在每个PPS脉冲之后获取对应的UTC时间t，并存入内部寄存器。操作步骤为：

A.向GPS授时模块发送初始化命令；

B.延时一段时间，等待GPS信号稳定；

C.判断并等待PPS脉冲到来，结构如图3所示：

a.采用高精度时钟源为FPGA提供时钟信号，PPS脉冲信号通过引脚接入FPGA中；

b.内部采用24位的计数器对相邻的两个PPS脉冲信号进行计数：若两个PPS脉冲信号上升沿的时间间隔在1s±200ns以内，则表明GPS授时模块已经准确定位并会输出标准PPS脉冲；反之，则重新计数；

c.若连续4个PPS脉冲均为标准PPS脉冲，则判别使能位en置高，之后只要PPS脉冲符合时间间隔的要求，就会直接输出；反之，若不符合要求，en置低，无脉冲输出，reset复位后重新进行判定；

D.查询并等待来自GPS授时模块的串行数据；

E.接收串行数据，之后提取其中的UTC时间数据并缓存入内部寄存器；

F.等待下一个PPS脉冲的到来；

3)以PPS脉冲信号为起始计时信号，以被测信号为停止计时信号：

i.若在下一个PPS脉冲来临时，被测信号仍然没有到来，则FPGA中的清零计数器重新开始新一轮计数，在被测信号到来前计数器一直处于清零计数再清零再计数的循环计数状态；

ii.一旦被测信号到来，FPGA中的计数器停止计数，当前计数值即是被测信号上升沿与被测信号到来前一次PPS脉冲上升沿之间的时间差Δt，FPGA将该时间差值Δt存放起来；

4)将时间差Δt与被测信号前一次PPS脉冲对应的UTC时间t₀整合后，存入EEPROM存储器。具体操作步骤如图4所示：

i.等待信号源爆炸后产生触发信号；

ii.FPGA将锁存的PPS脉冲与被测信号之间的时间差值Δt读取至内部的寄存器；

iii.FPGA读取已存入内部寄存器的UTC时间t₀；

iv.将UTC时间中的时、分、秒字节以及体现时间差值Δt的3个数据字节按权值高低依次存入EEPROM存储器；

v.给GPS授时模块下电，完成一次同步过程。

5)计算机读取各个分布式测点的时间差Δt和UTC时间t₀后，通过以Labview为基础编程的上位机处理，建立起以PPS脉冲为基准的时统。计算机对各测点同步数据的处理过程如图5所示：

i.通过USB接口将各个测点例如A、B、C、D存储在EEPROM中的时间数据上传至计算机；

ii.通过判读各个测点的UTC时间，确认各测点记录的时间差是否基于同一个PPS脉冲；

iii.若出现非同一PPS脉冲的情况，所有以第2个PPS脉冲为起始计时信号来记录的时间差值均加1s。A、B、C、D四个测点分别布设同步单元，对其性能进行反复测试，记录被测信号到来前一个的PPS脉冲信号对应的UTC时间t₀以及四个测点的误差值。各同步单元记录的测试数据如表1所示，误差值在微秒级，此时A、B、C、D四个测点已具备统一的PPS脉冲时间基准；

iv.以PPS脉冲为基准，根据时间差值确立被测信号传播到各个测点的时间，从而在所有测点建立起以PPS脉冲为基准的时统。

表1四个同步单元的测试数据