肖坤峰 ，孫秀斌 ，楊崧令 ，張廣元

（1.成都信息工程學(xué)院 電子工程學(xué)院，四川 成都610225；2.中國(guó)氣象局大氣探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610225）

雷電是伴隨著強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程而發(fā)生的一種長(zhǎng)距離放電現(xiàn)象，因其強(qiáng)大的電流、炙熱的高溫、猛烈的沖擊波及強(qiáng)烈的電磁輻射等綜合物理效應(yīng)而能夠在瞬間產(chǎn)生巨大的破壞作用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年因雷電災(zāi)害造成人員傷亡 3 000～5 000人，財(cái)產(chǎn)損失 50～100億元。為了降低雷電災(zāi)害造成的損失，開(kāi)展雷電探測(cè)方法的研究具有重要意義[1]。

利用接收到的閃電電磁脈沖對(duì)雷電進(jìn)行探測(cè)，在甚低頻段一般采用磁定向法（MDF）、到達(dá)時(shí)差法、磁定向和到達(dá)時(shí)差綜合法（IMPACT）；在甚高頻段一般采用窄帶干涉法或到達(dá)時(shí)差法[2]。在基于到達(dá)時(shí)差法的雷電定位系統(tǒng)中，其定位精度主要取決于系統(tǒng)中時(shí)間標(biāo)記的精度。本文利用GPS全球定位系統(tǒng)的同步授時(shí)技術(shù)和可編程邏輯器件為探測(cè)站提供高精度的同步時(shí)間標(biāo)記，并得到雷電脈沖到達(dá)各站之間的時(shí)間差，進(jìn)而確定閃電發(fā)生的位置。

1 時(shí)差定位原理

圖1 閃電輻射源與探測(cè)站的位置

如圖1所示[3]，假設(shè)閃電輻射源位于 S(x，y，z)，探測(cè)站A、B、C、D 的空間位置分別為(xi，yi，zi)(i=0，1，2，3)，其中 A站為中心站，其他3站為輔助站，則定位方程為：

其中，ri為輻射源與各站之間的距離；Δri為輻射源到達(dá)輔助站與到達(dá)中心站之間的距離差，τi為對(duì)應(yīng)的時(shí)間差；c為電磁波傳播速度。

將r0看作已知量，可以得到如下矩陣表達(dá)式：

式中：

如果H滿秩，則利用Chart算法即可確定閃電發(fā)生的位置。

2 時(shí)標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

現(xiàn)有的GPS系統(tǒng)提供同步脈沖輸出(1 PPS)、UTC串行時(shí)間信息輸出兩種對(duì)時(shí)方式。同步脈沖輸出時(shí)同步時(shí)鐘每隔1 s的時(shí)間間隔輸出一個(gè)精確的同步脈沖，該同步脈沖上升沿與UTC調(diào)協(xié)時(shí)間的秒變化同步。被授時(shí)系統(tǒng)在接收到同步脈沖后進(jìn)行對(duì)時(shí)，以消除系統(tǒng)內(nèi)部晶振時(shí)鐘的走時(shí)誤差。UTC串行時(shí)間信息是將UTC時(shí)間信息以串行數(shù)據(jù)流的方式輸出。被授時(shí)裝置每秒接收一次串行時(shí)間信息，即可獲取GPS同步UTC時(shí)間。

如圖2所示，時(shí)標(biāo)系統(tǒng)由GPS芯片NEO-6M[4]和FPGA芯片EP2C8Q208組成。NEO-6M通過(guò)CFG_COM0和CFG_COM1的電平設(shè)置串口輸出波特率，TXD輸出UTC串行時(shí)間，PPS則輸出1 PPS秒脈沖。FPGA首先將接收到的串行UTC數(shù)據(jù)進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換；然后對(duì)得到的并行數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，提取同步UTC時(shí)間，同時(shí)檢測(cè)秒脈沖，通過(guò)秒脈沖上升沿啟動(dòng)微秒時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘將時(shí)標(biāo)存入暫存寄存器中用以進(jìn)行時(shí)間標(biāo)記。

圖2 時(shí)標(biāo)系統(tǒng)框圖

3 FPGA硬件邏輯設(shè)計(jì)

Altera公司的CYCLONE2系列FPGA芯片EP2C8Q208包含8 256個(gè)邏輯單元和兩個(gè)PLL鎖相環(huán)。時(shí)標(biāo)系統(tǒng)通過(guò)Verilog硬件描述語(yǔ)言在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS信息的串/并轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)解碼、微秒時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)和時(shí)標(biāo)暫存等。

3.1 UART串/并轉(zhuǎn)換模塊

GPS芯片通過(guò)UART串口TXD發(fā)送NMEA0183格式的GPS信息[5-8]。UART串口發(fā)送數(shù)據(jù)格式如圖3所示[9]。

圖3 UATR數(shù)據(jù)格式

UART串/并轉(zhuǎn)換包含下降沿檢測(cè)、波特率發(fā)生器、并/串轉(zhuǎn)換三部分。首先通過(guò)邊沿檢測(cè)捕捉UART數(shù)據(jù)格式開(kāi)始位的下降沿，然后啟動(dòng)波特率發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)據(jù)位采樣脈沖進(jìn)行串行數(shù)據(jù)采樣，將串行的8 bit數(shù)據(jù)全部接收并檢測(cè)停止位，若檢測(cè)到停止位則將8 bit數(shù)據(jù)并行輸出。

（1）下降沿檢測(cè)

RXD信號(hào)線上電平由高變低表明1幀UART數(shù)據(jù)開(kāi)始傳輸，邊沿檢測(cè)是用寄存器保存上一時(shí)鐘周期RXD上的電平CURRENT，并與當(dāng)前RXD上的電平NEXT進(jìn)行邏輯運(yùn)算。當(dāng)下降沿到來(lái)時(shí)CURRENT為1，NEXT為0，邏輯運(yùn)算之后的結(jié)果 RXD_START為 1，即表明檢測(cè)到數(shù)據(jù)傳輸起始位，則啟動(dòng)波特率發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)據(jù)位采樣脈沖序列。圖4所示為下降沿檢測(cè)RTL圖。

圖4 下降沿檢測(cè)RTL圖

（2）波特率發(fā)生器

采用20 MHz晶體振蕩器來(lái)產(chǎn)生波特率為9 600 b/s的數(shù)據(jù)位采樣脈沖，通過(guò)計(jì)算(20×1 000 000)/9 600得計(jì)數(shù)值約為2 084，即計(jì)數(shù)器CLK_CNT值為1 042時(shí)(此時(shí)數(shù)據(jù)最穩(wěn)定)產(chǎn)生一個(gè)周期的采樣脈沖RXD_CLK。當(dāng)8 bit數(shù)據(jù)位均采樣完時(shí)，則停止波特率發(fā)生器，并等待捕捉下一幀數(shù)據(jù)的起始位。圖5所示為波特率發(fā)生器RTL圖。

圖5 波特率發(fā)生器RTL圖

（3）串/并轉(zhuǎn)換

UART串行格式的每一幀數(shù)據(jù)中有8 bit數(shù)據(jù)位，經(jīng)9 600 b/s的波特率發(fā)生器產(chǎn)生的采樣脈沖序列進(jìn)行數(shù)據(jù)位采樣后依次存入一個(gè)8 bit的寄存器中，并在檢測(cè)到停止位時(shí)通過(guò)輸出端口并行輸出8 bit數(shù)據(jù)到GPS信息解碼模塊，同時(shí)將標(biāo)志位置為1，該標(biāo)志位表明1幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成，等待下一幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

3.2 GPS數(shù)據(jù)解碼模塊

GPS發(fā)送的NMEA0183數(shù)據(jù)格式中，時(shí)標(biāo)系統(tǒng)只需對(duì)GPRMC幀進(jìn)行解析，得到UTC日期和時(shí)間信息。

GPRMC幀的構(gòu)成如下：

從該幀中提取的數(shù)據(jù)包括＜1＞UTC時(shí)間、＜2＞定位狀態(tài)和＜9＞UTC日期。UART串/并轉(zhuǎn)換模塊輸出的8 bit數(shù)據(jù)為ASCII碼值，通過(guò)有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)ASCII碼序列檢測(cè)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，完成對(duì)GPS數(shù)據(jù)的解碼，流程如圖6所示。

圖6 GPS數(shù)據(jù)解碼流程圖

當(dāng)序列檢測(cè)器檢測(cè)到SGPRMC幀頭時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)幀中逗號(hào)的個(gè)數(shù)來(lái)識(shí)別所需的信息，如第1個(gè)逗號(hào)之后的UTC時(shí)間和第9個(gè)逗號(hào)之后的日期，并檢測(cè)第2個(gè)逗號(hào)后的定位狀態(tài)。當(dāng)定位狀態(tài)為A時(shí)，則是有效定位，GPS才會(huì)輸出秒脈沖。

3.3 微秒時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)器模塊

GPS輸出的UTC時(shí)間最小單位為秒，而基于到達(dá)時(shí)差法的雷電定位系統(tǒng)對(duì)時(shí)間精度要求較高。GPS秒脈沖的上升沿與UTC時(shí)間秒變化嚴(yán)格同步，精度一般為幾十納秒。利用系統(tǒng)時(shí)鐘（10 MHz）在兩個(gè)秒脈沖上升沿之間進(jìn)行計(jì)數(shù)并與UTC時(shí)間組合，即可獲取高精度的時(shí)間標(biāo)記，如圖7所示。

圖7 微秒時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)

秒脈沖是周期為1 s的方波，高電平持續(xù)約100 ms，其上升沿為秒脈沖輸出的精確時(shí)刻。GPS的秒脈沖上升沿用邊沿檢測(cè)進(jìn)行判斷，當(dāng)秒脈沖上升沿到來(lái)時(shí)將計(jì)數(shù)器清零并重新啟動(dòng)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，直至下一個(gè)秒脈沖上升沿到來(lái)。當(dāng)采集到信號(hào)時(shí)，將當(dāng)前微秒時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值與UTC時(shí)間組合輸出，對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)間標(biāo)記。

3.4 測(cè)試與分析

時(shí)標(biāo)系統(tǒng)中GPS芯片輸出的秒脈沖信號(hào)如圖8所示，可見(jiàn)該GPS接收機(jī)能夠提供穩(wěn)定的秒脈沖輸出。

圖8 GPS秒脈沖

為了驗(yàn)證FPGA邏輯設(shè)計(jì)的正確性，利用Quartus II中的嵌入式邏輯分析儀Signal Tap對(duì)FPGA邏輯輸出進(jìn)行捕捉，如圖9所示。

圖9 FPGA邏輯輸出

圖9中，out_data表示 GPRMC幀中的＜2＞定位狀態(tài)，其值為41h代表ASIIC字符A，表明GPS處于有效定位狀態(tài)；若該值為56h則代表ASIIC字符V，表明GPS處于無(wú)效定位狀態(tài)。DATE為＜9＞UTC日期，表示UTC日期為13年5月 2日。TIME為＜1＞UTC時(shí)間，UTC時(shí)間與北京時(shí)間相差8 h，表示UTC時(shí)間為12時(shí)17分14秒。REG寄存器的值為微秒時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，其最大值穩(wěn)定在 9 999 980左右，波動(dòng)范圍 1～2，該值與理論計(jì)數(shù)值10 000 000存在20的誤差，此誤差可能是由晶體振蕩器的隨機(jī)誤差累積而引起。恒溫高精度晶體振蕩器具有很高的頻率穩(wěn)定度，晶振周期在短時(shí)間內(nèi)保持不變，因此采用恒溫高精度的晶體振蕩器可以改善時(shí)標(biāo)精度，使計(jì)數(shù)值更接近理論計(jì)算值。此外，GPS接收機(jī)秒脈沖也存在一定的隨機(jī)漂移誤差，選擇性能更好的GPS接收機(jī)也有利于時(shí)標(biāo)精度的提高。測(cè)試結(jié)果表明，該時(shí)標(biāo)系統(tǒng)可以提供精度達(dá)微秒級(jí)的時(shí)標(biāo)，能夠滿足雷電定位的需要。

本文通過(guò)對(duì)GPS接收機(jī)輸出的時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，提取UTC時(shí)間，同時(shí)利用GPS提供的秒脈沖產(chǎn)生更精確的同步時(shí)間，并與UTC時(shí)間組成完整的時(shí)標(biāo)。時(shí)標(biāo)系統(tǒng)中的串/并轉(zhuǎn)換、解碼、計(jì)數(shù)和暫存等模塊的硬件電路采用Verilog語(yǔ)言在FPGA上實(shí)現(xiàn)。在雷電定位系統(tǒng)中，采用該時(shí)標(biāo)系統(tǒng)可以獲得精度達(dá)微秒級(jí)的時(shí)間差，結(jié)合多站定位算法，可以有效地提高到達(dá)時(shí)差法的雷電定位精度，為雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警及其工程防護(hù)提供有力支持。

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