数字电路时间同步实验设计
发布时间：2021-07-08 09:35
时间同步在数字系统中的应用非常广泛,但传统的数字电路课程没有相关的学习内容。为了设计出既适合数字电路教学又具有专业特色的实验项目,将科研成果引入实验教学,开设了数字电路的时间同步实验。使用两块FPGA芯片模拟两个数字系统,利用信号发生器、GPS接收天线、GPS可驯钟等器件实现两个系统的时间同步,并对时间同步误差进行测量、分析,在此基础上实现在同步控制信号短时间丢失时保持系统同步及同步自动化等功能。实践表明,该实验有利于培养学生在工程背景下进行数据统计分析的能力,锻炼学生多系统协同工作的意识和思维。
【文章来源】：实验技术与管理. 2020,37(09)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
实验电路结构框图
ⅲ?硕丝诘?信号也输入到FPGA。实验中，要求学生按照图1所示的结构框图搭建电路，编写FPGA程序实现输出矩形脉冲波，测量并分析时钟源频率、时钟源频率同步误差、同步控制信号时间同步误差等对数字系统时间同步误差的影响，并提出改进措施。在此基础上，考虑同步控制信号短时间丢失的应对办法，实现两个数字系统在预设时间到来后自动同步的功能，锻炼学生解决实际工程问题的意识和思维。2实验内容的设置2.1实验电路设计本实验的主要设计工作是在FPGA中完成的，实验的具体实施方案如图2和图3所示。图2直接同步方案FPGA内部电路原理图图3间接同步方案FPGA内部电路原理图在直接同步方案里，FPGA内部包括矩形脉冲波产生模块、双口随机存储器（DRAM）模块。FPGA1比FPGA2多了一个同步控制信号产生模块。其中，DRAM模块存储微处理器写入的参数，包括矩形脉冲波相对于同步控制信号的延迟时间、周期等；同步控制信号产生模块产生同步控制信号；矩形脉冲波产生模块根据DRAM中的参数，以同步控制信号的上升沿时刻为参考，产生矩形脉冲波。在间接同步方案里，FPGA内部包括串口通信模块、时间信息提取模块、矩形脉冲波产生模块和DRAM模块。其中，串口通信模块读取可驯钟RS232接口输出的数据；时间信息提取模块提取其中的年月日时分秒等当前时间信息；矩形脉冲波产生模块根据当前时间、DRAM中的参数，以可驯钟输出的秒脉冲为参考，产生矩形脉冲波。2.2测量与分析时间同步误差利用示波器可以测量两片FPGA所代表的数字系统的时间同步误差，即两个矩形脉冲波的上升沿时刻之差，如图4(a)所示。根据矩形脉冲波的
?频率同步误差以及时钟源频率值有关，对实验数据的统计分析应能得到近似相同的结果。实际上，影响时间同步误差的因素还包括时钟源的相位同步误差、同步控制信号的检测时间差等因素，虽然这些因素难以量化，但分析实验数据时应当考虑进去，这样才能对实验现象进行正确的解释。2.3同步控制信号短时间丢失的应对办法实际工程中，可能会出现同步控制信号丢失的情况，例如在直接同步方案里，数据传输通道的干扰可能会导致同步控制信号丢失。如果不采取应对措施，以同步控制信号为基准的矩形脉冲波也将丢失。在图5中，输出矩形脉冲波的1至3号脉冲分别以同步控制信号的1至3号脉冲为时间基准，延迟nT时间产生，如果同步控制信号的2号脉冲丢失，则矩形脉冲波的2号脉冲也将丢失。图5同步控制信号丢失的处理方法示意图一般来说，同步控制信号短时间丢失时，时钟源的频率不会发生很大偏移。如果继续按照矩形脉冲波的设定参数产生脉冲，仍然能够保持时间同步。在图5中，以矩形脉冲波的1号脉冲为时间基准，延迟mT产生新的脉冲，则可以补上矩形脉冲波的2号脉冲。本实验要求学生通过设计FPGA程序来实现此功能。设计的核心思想是在同步控制信号丢失和未丢失时给减法计数器设置不一样的计数初值，当减法计数器计数到0时产生下一个脉冲。该实验内容有助于加深学生对计数器设计的认识。2.4自动化同步此项实验内容仅针对间接同步方案。自动化同步的含义是多个数字系统在约定时间到来以后自动实现时间同步，如果某个数字系统因故障等原因没有同步，待工作正常后可以自动恢复同步。在图6中，两片FPGA约定在同步控制信号的1号脉冲到来后延迟0
【参考文献】：
期刊论文
[1]海上油田电网时间同步装置的原理及作用[J]. 黄浩军. 石化技术. 2019(11)
[2]5G时代传送网技术变革研究[J]. 母伟. 信息通信. 2019(09)
[3]时间误差对预警机协同制导导弹的影响[J]. 李美红,乔永杰,杨喆. 兵器装备工程学报. 2019(07)
[4]科教融合创新指导下的本科生实验项目开发[J]. 刘玉琳,徐双满,霍凯. 实验技术与管理. 2018(08)
[5]商业银行基于NTP的国产化时钟同步系统建设研究[J]. 高国奇. 中国金融电脑. 2017(11)
[6]射电望远镜接收机的时间同步与数据传输[J]. 俞欣颖,张夏,段然,李菂,张荣芬. 数字技术与应用. 2016(01)
[7]基于科研项目的数字电路创新型实验教学改革[J]. 李旭,张为公. 实验室研究与探索. 2015(01)
[8]晶振信号同步GPS信号产生高精度时钟的方法及实现[J]. 曾祥君,尹项根,林干,周延龄. 电力系统自动化. 2003(08)
博士论文
[1]高频分布式网络雷达系统的研究与实现[D]. 杨静.武汉大学 2010
硕士论文
[1]基于卫星授时的高精度时间同步方法研究[D]. 陈伟.西安工业大学 2017
[2]基于GPS的电力系统同步时间服务系统的研究与实现[D]. 张鹏.华中科技大学 2005
本文编号：3271316
【文章来源】：实验技术与管理. 2020,37(09)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
实验电路结构框图
ⅲ?硕丝诘?信号也输入到FPGA。实验中，要求学生按照图1所示的结构框图搭建电路，编写FPGA程序实现输出矩形脉冲波，测量并分析时钟源频率、时钟源频率同步误差、同步控制信号时间同步误差等对数字系统时间同步误差的影响，并提出改进措施。在此基础上，考虑同步控制信号短时间丢失的应对办法，实现两个数字系统在预设时间到来后自动同步的功能，锻炼学生解决实际工程问题的意识和思维。2实验内容的设置2.1实验电路设计本实验的主要设计工作是在FPGA中完成的，实验的具体实施方案如图2和图3所示。图2直接同步方案FPGA内部电路原理图图3间接同步方案FPGA内部电路原理图在直接同步方案里，FPGA内部包括矩形脉冲波产生模块、双口随机存储器（DRAM）模块。FPGA1比FPGA2多了一个同步控制信号产生模块。其中，DRAM模块存储微处理器写入的参数，包括矩形脉冲波相对于同步控制信号的延迟时间、周期等；同步控制信号产生模块产生同步控制信号；矩形脉冲波产生模块根据DRAM中的参数，以同步控制信号的上升沿时刻为参考，产生矩形脉冲波。在间接同步方案里，FPGA内部包括串口通信模块、时间信息提取模块、矩形脉冲波产生模块和DRAM模块。其中，串口通信模块读取可驯钟RS232接口输出的数据；时间信息提取模块提取其中的年月日时分秒等当前时间信息；矩形脉冲波产生模块根据当前时间、DRAM中的参数，以可驯钟输出的秒脉冲为参考，产生矩形脉冲波。2.2测量与分析时间同步误差利用示波器可以测量两片FPGA所代表的数字系统的时间同步误差，即两个矩形脉冲波的上升沿时刻之差，如图4(a)所示。根据矩形脉冲波的
?频率同步误差以及时钟源频率值有关，对实验数据的统计分析应能得到近似相同的结果。实际上，影响时间同步误差的因素还包括时钟源的相位同步误差、同步控制信号的检测时间差等因素，虽然这些因素难以量化，但分析实验数据时应当考虑进去，这样才能对实验现象进行正确的解释。2.3同步控制信号短时间丢失的应对办法实际工程中，可能会出现同步控制信号丢失的情况，例如在直接同步方案里，数据传输通道的干扰可能会导致同步控制信号丢失。如果不采取应对措施，以同步控制信号为基准的矩形脉冲波也将丢失。在图5中，输出矩形脉冲波的1至3号脉冲分别以同步控制信号的1至3号脉冲为时间基准，延迟nT时间产生，如果同步控制信号的2号脉冲丢失，则矩形脉冲波的2号脉冲也将丢失。图5同步控制信号丢失的处理方法示意图一般来说，同步控制信号短时间丢失时，时钟源的频率不会发生很大偏移。如果继续按照矩形脉冲波的设定参数产生脉冲，仍然能够保持时间同步。在图5中，以矩形脉冲波的1号脉冲为时间基准，延迟mT产生新的脉冲，则可以补上矩形脉冲波的2号脉冲。本实验要求学生通过设计FPGA程序来实现此功能。设计的核心思想是在同步控制信号丢失和未丢失时给减法计数器设置不一样的计数初值，当减法计数器计数到0时产生下一个脉冲。该实验内容有助于加深学生对计数器设计的认识。2.4自动化同步此项实验内容仅针对间接同步方案。自动化同步的含义是多个数字系统在约定时间到来以后自动实现时间同步，如果某个数字系统因故障等原因没有同步，待工作正常后可以自动恢复同步。在图6中，两片FPGA约定在同步控制信号的1号脉冲到来后延迟0
【参考文献】：
期刊论文
[1]海上油田电网时间同步装置的原理及作用[J]. 黄浩军. 石化技术. 2019(11)
[2]5G时代传送网技术变革研究[J]. 母伟. 信息通信. 2019(09)
[3]时间误差对预警机协同制导导弹的影响[J]. 李美红,乔永杰,杨喆. 兵器装备工程学报. 2019(07)
[4]科教融合创新指导下的本科生实验项目开发[J]. 刘玉琳,徐双满,霍凯. 实验技术与管理. 2018(08)
[5]商业银行基于NTP的国产化时钟同步系统建设研究[J]. 高国奇. 中国金融电脑. 2017(11)
[6]射电望远镜接收机的时间同步与数据传输[J]. 俞欣颖,张夏,段然,李菂,张荣芬. 数字技术与应用. 2016(01)
[7]基于科研项目的数字电路创新型实验教学改革[J]. 李旭,张为公. 实验室研究与探索. 2015(01)
[8]晶振信号同步GPS信号产生高精度时钟的方法及实现[J]. 曾祥君,尹项根,林干,周延龄. 电力系统自动化. 2003(08)
博士论文
[1]高频分布式网络雷达系统的研究与实现[D]. 杨静.武汉大学 2010
硕士论文
[1]基于卫星授时的高精度时间同步方法研究[D]. 陈伟.西安工业大学 2017
[2]基于GPS的电力系统同步时间服务系统的研究与实现[D]. 张鹏.华中科技大学 2005
本文编号：3271316
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