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        基于ARM的頻率源馴服設計與實現(xiàn)

        2014-06-21 10:56:06楊劍青楊曉琴謝亮蘆旭劉彪樊戰(zhàn)友
        時間頻率學報 2014年4期
        關鍵詞:測頻晶振馴服

        楊劍青,楊曉琴,謝亮,蘆旭,劉彪,樊戰(zhàn)友,2

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        基于ARM的頻率源馴服設計與實現(xiàn)

        楊劍青1,2,3,楊曉琴4,謝亮1,蘆旭1,劉彪5,樊戰(zhàn)友1,2

        (1. 中國科學院國家授時中心,西安 710600;2. 中國科學院精密導航定位與定時技術重點實驗室,西安 710600;3. 中國科學院大學,北京 100049;4. 中國疾病預防控制中心,北京 102206;5. 中國兵器裝備集團公司制導航空彈藥研究開發(fā)中心,長沙 410100)

        介紹了一種基于ARM處理器和CPLD技術的頻率源馴服的軟、硬件設計與實現(xiàn)方法。在ARM的控制下采用數(shù)字PID控制算法產(chǎn)生晶振控制電壓,根據(jù)所測量的頻率值與標稱頻率值之間的差值大小來調(diào)整對應電壓控制字的步進幅度,進而達到快速對本地晶振馴服的目的。實驗結果表明,馴服后的晶振輸出的頻率準確度比馴服前提高了大約一個數(shù)量級,達到了設計要求。

        頻率源馴服;準確度;ARM處理器

        0 引言

        時間作為一個基本物理量廣泛應用于基礎科學研究、國民經(jīng)濟和國防建設等領域。當前,我國正在大力布局建設的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)也是在我國高精度的時間頻率標準相關學科技術迅猛發(fā)展的基礎上發(fā)展起來的。無論是何種導航系統(tǒng),時間基準都是其建立的根本。導航衛(wèi)星上都攜帶有高精度原子鐘,利用導航衛(wèi)星提供的時鐘信號馴服本地高穩(wěn)晶振可以得到高準確度的頻率信號,該方法具有成本低,效率高,成品體積小等優(yōu)點,應用前景廣闊,本設計就是在這樣的思想基礎上提出來的[1-2]。

        早期的頻率源馴服系統(tǒng)采用模擬或半數(shù)字體制,存在成本高,不易建立模型,調(diào)試困難和受環(huán)境因素影響大等缺點。隨著數(shù)字技術的普及與發(fā)展,新研制的可馴頻率源基本都是數(shù)字型,目前可馴鐘技術發(fā)展迅速且日趨成熟,并在很多工程實踐中得到廣泛應用[3]。

        1 頻率源馴服系統(tǒng)的結構設計

        頻率源馴服系統(tǒng)所要達成的目標是:借助參考時鐘對本地石英晶體振蕩器輸出頻率信號進行脈沖計數(shù)測頻,將測量所得頻率值與標稱頻率比對,計算并產(chǎn)生電壓調(diào)整量對石英晶體振蕩器進行控制以達到對其輸出頻率信號進行校準的目的。本文中的頻率源指壓控恒溫晶體振蕩器。

        該頻率源馴服系統(tǒng)主要由參考秒脈沖信號1PPS(pulse per second)、本地恒溫晶振、脈沖計數(shù)測頻單元、計算與控制器(即處理器)、數(shù)模變換單元和LMB162A顯示液晶屏幕組成,其中脈沖計數(shù)測頻單元由CPLD(complex programmable logic device)編程實現(xiàn),而處理器和數(shù)模變換單元由ARM編程實現(xiàn)。該頻率源馴服系統(tǒng)總體結構框圖如圖1所示。

        圖1 頻率源馴服系統(tǒng)結構框圖

        通過運用復雜可編程邏輯器件(CPLD)實現(xiàn)如下功能:對本地晶振輸出的頻率脈沖信號進行計數(shù),并測量出本地晶振輸出頻率值。脈沖計數(shù)測頻單元將得到的脈沖計數(shù)值送到ARM處理器中,處理器根據(jù)計數(shù)值求出晶振頻率值,并根據(jù)測量值與標稱值之間的差值判斷晶振輸出頻率信號的變化快慢,產(chǎn)生相應的控制電壓輸送到晶振控制端;處理器持續(xù)地接收脈沖計數(shù)值,從而實時監(jiān)控晶振輸出頻率變化的快慢并作出相應的控制使其頻率盡可能地維持在標稱頻率值附近。

        圖1中衛(wèi)星模塊所提供的秒脈沖信號1 PPS作為校頻系統(tǒng)的參考時鐘,參考時鐘亦可是其他標準時間,在實驗階段同時采用國家授時中心鐘房秒信號作為輔助參考時鐘。本系統(tǒng)要求參考時鐘精度比本地晶振輸出秒脈沖信號的精度至少高1~2個數(shù)量級,否則無法保證脈沖計數(shù)測頻所得頻率值的準確性,亦失去頻率測量校準的意義。此處參考時鐘有兩個作用:一是作為脈沖計數(shù)測頻單元的參考時鐘;二是通過脈沖計數(shù)測頻單元為控制器提供中斷控制信號。由于信號通過脈沖計數(shù)測頻單元會有延遲,這樣可以保證參考秒信號與脈沖計數(shù)值同時抵達控制器。

        本地恒溫晶振(VCXO)是系統(tǒng)的時鐘頻率源,為CPLD提供時鐘信號,也是被校準的對象。

        脈沖計數(shù)分頻、測頻等功能單元的功能是對本地恒溫壓控晶振輸出的頻率脈沖信號進行脈沖計數(shù)并測量得到本地恒溫壓控晶振的輸出頻率。

        控制器單元主要對脈沖計數(shù)測頻單元送來的脈沖計數(shù)值和中斷控制信號(參考秒信號)進行綜合分析、判斷與計算,求出當前頻率值,并根據(jù)頻率值判斷產(chǎn)生合適的控制電壓,同時產(chǎn)生相應的控制信號控制LMB162A液晶屏幕顯示等。

        數(shù)模變換單元的功能是產(chǎn)生模擬電壓,是嵌入在ARM處理器中的一個功能模塊,電壓分辨率為 1mV,使用時在對ARM處理器D/A單元初始化并寫電壓控制字即可實現(xiàn)數(shù)模變換產(chǎn)生電壓值。

        在顯示單元中,LMB162A顯示液晶屏幕接收來自ARM處理器的控制信號,將晶振工作狀態(tài)是否鎖定(locked)、電壓控制字以及計算得出的頻率值等信息實時地顯示在液晶屏幕上。

        在系統(tǒng)啟動后,首先,由衛(wèi)星導航接收機在信號有效后所提供的1PPS信號作為脈沖計數(shù)測頻單元的閘門信號并在控制器中產(chǎn)生中斷,控制器根據(jù)中斷的次數(shù)決定程序的執(zhí)行順序。脈沖計數(shù)測頻單元模塊對經(jīng)過波形調(diào)整的晶振10 MHz信號進行脈沖計數(shù)測頻。與脈沖計數(shù)測頻單元相關的控制信號有3個,它們分別是START_CTRL、END_CTRL和Shift_Clk。START_CTRL和END_CTRL分別為脈沖計數(shù)測頻單元的開啟和關斷控制信號,高電平有效。在設計中START_CTRL和END_CTRL要結合標準秒信號的上升沿共同作用才能清零脈沖計數(shù)測頻單元(開始計數(shù))或者使脈沖計數(shù)測頻單元停止計數(shù)。在可馴鐘初始化完成后系統(tǒng)開始正常工作,脈沖計數(shù)測頻單元在START_CTRL有效后的第一個秒脈沖上升沿開始計數(shù),而在關斷信號END_CTRL有效后的第一個秒脈沖上升沿停止計數(shù)并鎖存計數(shù)值以備控制器讀取,控制器在這一特定脈沖的上升沿產(chǎn)生中斷并將計數(shù)值讀出,控制器在讀取數(shù)據(jù)并作處理后與標稱頻率值進行比對,并產(chǎn)生控制電壓對本地晶振進行馴服??刂破鲗⒀a償計算后的頻率值以及產(chǎn)生的電壓控制字實時顯示在LCD屏幕上。

        2 硬件電路設計

        該設計中所使用的本地恒溫晶體振蕩器為廣東中晶電子有限公司出品,型號為CO3605-10.000,所選用的CPLD是Altera的MAX?3000A系列,ARM(advanced RISC machines)控制芯片為LPC1768 Cortex- M3微控制器,選用的顯示模塊是LMB162A字符型液晶顯示模塊[4]。

        計數(shù)測頻單元由在CPLD內(nèi)部形成的多個十進制計數(shù)器(74HC390)鏈路組成,以完成對全局時鐘的計數(shù)測頻功能。另外由4個74165(并進串出移位寄存器)構成一個32位移位寄存器,對中間的計數(shù)值和測量結果鎖存并輸出到ARM,由ARM基于測量數(shù)據(jù),并根據(jù)事先設計好的一些算法,進行分析、處理、最后產(chǎn)生相應的控制信號。

        在完成相應控制信號的設置后,對CPLD功能進行仿真,結果如圖2所示。

        圖2 CPLD功能仿真圖

        為便于觀察圖2中控制信號—鎖存器移位時鐘(Shift_Clk)和數(shù)據(jù)值(Shift_Data)的變化,將圖中該部分仿真結果放大如圖3所示,可看到在關門信號之后控制器輸出移位時鐘信號及數(shù)據(jù)值變化情況,從圖3中我們可以讀出計數(shù)值為89999999,經(jīng)過補償加1后為90000000,這一數(shù)值正是從開門到關門的9s內(nèi)所應該計得的正確計數(shù)值(說明:各控制信號以及頻率時鐘在設置時軟件都是按照標稱值處理計算的,所以結果也是無誤差的理想結果)。

        圖3 移位時鐘和數(shù)據(jù)值的仿真圖形

        3 軟件設計

        圖4為控制器軟件設計流程圖。ARM上電后首先對LMB162A顯示、數(shù)模轉換器DAC、外部中斷和引腳連接等各功能模塊及參數(shù)進行初始化,使DAC產(chǎn)生2.5 V控制電壓(2.5 V為壓控晶振的中心電壓)并由LCD顯示。設置與運算相關的一些控制參數(shù),如設置多長時間完成一次頻率測量。然后開啟中斷,進入循環(huán)程序。在循環(huán)程序中,檢測中斷程序中設置的標志位并進行相應的處理。如果發(fā)生中斷,一些緊急、用時少的任務直接在中斷程序中處理;不甚緊急、用時較多的任務則通過設置標志在中斷之外的專門處理子程序中處理。專門處理子程序執(zhí)行完要清除相應的標志位。專門處理子程序的主要任務就是根據(jù)并進串出移位寄存器送來的測量數(shù)據(jù),計算并判斷可馴頻率源目前的輸出頻率的大小以及與其標稱值的誤差程度,然后根據(jù)相應的算法,通過調(diào)節(jié)D/A單元,產(chǎn)生相應的調(diào)節(jié)修正信號,使加在可馴頻率源上的控制電壓發(fā)生變化。這樣的測控過程要循環(huán)多次。并且控制過程中被馴頻率源的輸出頻率可能會出現(xiàn)一會兒大于其標稱頻率,一會兒又小于其標稱頻率的震蕩現(xiàn)象。但最終被馴頻率源的輸出頻率會穩(wěn)定在以其標稱頻率為中心的一個很小的、誤差允許的范圍內(nèi)。

        為了避免或減小輸出頻率的震蕩現(xiàn)象,軟件中采取了PID(proportional integral derivative)控制算法。PID控制算法的增量型數(shù)學表達式如下所示:

        式(1)中,為n時刻控制量的增量(本設計中為控制電壓步進值),為比例增益,為比例帶,為積分系數(shù),T為控制周期,為積分時間,稱為微分系數(shù),為微分時間。當頻率被校準到系統(tǒng)最小頻率范圍內(nèi)時,鎖定控制電壓并延遲1h,之后再重新進行校頻過程[5]。

        4 測試原理及方法

        在完成電路的焊接工作后,首先用萬用表對電路的電源及信號走線的通斷狀況進行全面的檢查,在確認無誤的情況下將編寫好的程序分別下載到相應的芯片中,在整個測試工作中主要用到了個人計算機、高精度時間間隔計數(shù)器、示波器、萬用表等設備及儀器。程序成功下載到芯片中后我們就開始對系統(tǒng)進行正式的運行監(jiān)測,通過安裝在個人計算機上的串口數(shù)據(jù)接收軟件、示波器以及LCM1602C顯示屏,我們對系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)進行觀察與監(jiān)測,并自動記錄數(shù)據(jù)。在運行中,一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異?;蛘叱霈F(xiàn)系統(tǒng)運行錯誤的情況,馬上分析原因并對芯片中的程序做出修正直至系統(tǒng)能穩(wěn)定無誤地運行。

        可馴頻率源輸出頻率信號測試原理如圖5所示。測試工作需要的儀器與工具主要是可馴頻率源,高精度時間間隔計數(shù)器和個人計算機。輔助設備包括萬用表、示波器等。圖5中可馴頻率源將校準后的頻率信號輸送給高精度時間間隔計數(shù)器,高精度時間間隔計數(shù)器對接收的頻率信號進行測量得出頻率值并將該頻率值同步送到個人計算機進行記錄,以待后續(xù)分析用。

        圖5 可馴鐘輸出頻率信號測試原理圖

        5 實驗結果

        圖6為我們設計與實現(xiàn)的可馴頻率源的硬件電路實物圖。由圖6可以看出,系統(tǒng)采用了ARM和CPLD相組合的數(shù)字集成電路對壓控振蕩器進行馴服,極大地減少了分立器件的使用,從而縮小了電路規(guī)模。

        圖6 可馴頻率源硬件電路實物圖

        該電路板采用雙層設計,供電電壓為5 V。CPLD芯片采用JTAG(Joint Test Action Group,聯(lián)合測試行動小組)方式進行編程和調(diào)試,ARM芯片則使用較為方便的ISP(internet service provider)方式進行程序下載。

        在工程完成后對本地壓控晶體振蕩器馴服前后的頻率值進行了統(tǒng)計和分析。本地壓控晶體振蕩器標稱頻率10.000MHz,準確度優(yōu)于1×10-8,壓控電壓范圍2.5V±2.5V,短穩(wěn)優(yōu)于2×10-11,工作電壓 +5×(1±5%)V,工作電流≤3000mA。

        在統(tǒng)計和分析前,首先要對晶振的頻率值進行采集,本地晶振頻率信號通過串口傳送到計算機并由專門的串口調(diào)試工具采集和記錄頻率值。在系統(tǒng)經(jīng)過12h連續(xù)不間斷的運行后得到一組頻率值數(shù)據(jù),然后運用軟件MATLAB對得到的這一組頻率值數(shù)據(jù)進行計算,得出頻率準確度[6]。其中馴服之前的頻率準確度為1.756×10-7,馴服之后為1.125×10-8。壓控振蕩器的頻率準確度較馴服之前提高了一個數(shù)量級。表1為晶振校準前、后穩(wěn)定狀態(tài)的部分數(shù)據(jù)。表1中第1欄編號表示在相應頻率數(shù)據(jù)中每隔10 min取樣值編號,后2欄分別表示校準前、后記錄的頻率值。

        表1 晶振校準前、后部分數(shù)據(jù) Hz

        6 結論

        本文在頻率源馴服的設計思路和控制方式上與以往可馴鐘的實現(xiàn)有較大不同。以往系統(tǒng)對電壓控制字的產(chǎn)生主要通過對可馴頻率源和參考鐘之間的時差值進行處理而獲得,而本系統(tǒng)的核心是對晶振輸出頻率的測量,且不需要高分辨率的時間間隔計數(shù),減少了系統(tǒng)的復雜度。系統(tǒng)所有的控制信號均由ARM處理器產(chǎn)生,減少了控制信號對信號源的干擾。本文給出的測試數(shù)據(jù)和統(tǒng)計結果表明,經(jīng)過馴服之后的壓控振蕩器輸出頻率的準確度相較于馴服之前提高了一個數(shù)量級。因此,該方法設計的可馴壓控振蕩器可廣泛應用于高頻電路系統(tǒng),如手持通訊設備、測量設備,以及通信導航等領域。

        [1] 張帆, 胡永輝, 何在民. GPS可馴鐘的設計與實現(xiàn)[C]//第三屆中國衛(wèi)星導航學術年會電子文集, 北京: 中國導航學術年會組委會, 2012.

        [2] 李方洲, 張建平. 高精度壓控晶振頻率控制特性分析及控制系統(tǒng)[J]. 電子測量技術, 2000, 1: 22-24.

        [3] 向渝. 數(shù)字可馴鐘系統(tǒng)設計與應用研究[D]. 西安: 中國科學院國家授時中心, 2008.?

        [4] 謝亮, 蘆旭, 吳成英, 等. 基于ADF4360-8的鎖相環(huán)頻率合成器的設計與實現(xiàn)[J]. 時間頻率學報, 2013, 36(2): 75-83.

        [5] 王錦標. 計算機控制系統(tǒng)[M]. 北京: 清華大學出版社, 2008.

        [6] 李孝輝, 楊旭海, 劉婭, 等. 時間頻率信號的精密測量[M]. 北京: 科學出版社, 2010.

        [7] 周立功. ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2005.

        [8] 譚浩強, 張基溫. C語言程序設計教程[M]. 3版. 北京: 高等教育出版社, 1991.

        Design and implementation of frequency-sourcedisciplining based on ARM

        YANGJian-qing1, 2, 3, YANG Xiao-qin4, XIE Liang1, LU Xu1, LIU Biao5, FAN Zhan-you1,2

        (1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;3. University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;4. Chinese Center for Disease Control and Prevention, Beijing 102206, China;5. Guidance Aerial Ammunitions Research and Development Center, Chinese Weapon Equipment Group Company, Changsha 410100, China)

        Ahardware/softwaredesign and its implementation for frequency-source disciplining based on ARM processor and CPLD(complex programmable logic device) are introduced. Under the control of ARM processor, the control voltage for crystal oscillator is obtained by adopting the digital PID control algorithm, and then the size of step of corresponding voltage control bit is adjusted according to the frequency difference between the measurement and the nominal value, which aims at achieving a fast tamable local crystal oscillator. The experiment results show that the accuracy of the output frequency of the crystal oscillator is improved by one order of magnitude after disciplining, which meets the design requirements.

        frequency-sourcedisciplining; accuracy; ARM processor

        TN874+.2

        A

        1674-0637(2014)04-0206-07

        10.13875/j.issn.1674-0637.2014-04-0206-07

        2013-11-26

        國家自然科學基金資助項目(10773012)

        楊劍青,男,碩士,主要從事量子頻標、精密時間頻率測量終端技術的研究。

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