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成都理工大学
硕士学位论文
基于FPGA的分布式采集系统时钟同步控制技术研究与实现
姓名:刘懿
申请学位级别:硕士
专业:通信与信息系统
指导教师:郭勇
20090501
摘要
基于 FPGA 的分布式采集系统时钟同步控制技术研
究与实现
作者简介:刘懿,女,1983 年 8 月生,师从成都理工大学郭勇教授,2009
年 6 月毕业于成都理工大学通信与信息系统专业,获得工学硕士学位。
摘要
随着电子技术的快速发展,各种电子设备对时间精度的要求日益提升。在卫
星发射、导航、导弹控制、潜艇定位、各种观测、通信等方面,时钟同步技术都
发挥着极其重要的作用,得到了广泛的推广。对于分布式采集系统来说,中心主
站需要对来自于不同采集设备的采集数据进行汇总和分析,得到各个采集点对同
一事件的采集时间差异,通过对该时间差异的分析,最终做出对事件的准确判断。
如果分布式采集系统中的各个采集设备不具有统一的时钟基准,那么得到的各个
采集时间差异就不能反映出实际情况,中心主站也无法准确地对事件进行分析和
判断,甚至得出错误的结论。因此,时钟同步是分布式采集系统正常运作的必要
前提。
目前国内外时钟同步领域常用的技术有 GPS 授时技术,锁相环技术和
IRIG-B 码等。GPS 授时技术虽然精度高,抗干扰性强,但是由于需要专用的 GPS
接收机,若单纯使用 GPS 授时技术做时钟同步,就需要在每个采集点安装接收
机,成本较高。锁相环是一种让输出信号在频率和相位上与输入参考信号同步的
技术,输出信号的时钟准确度和稳定性直接依赖于输入参考信号。IRIG-B 码是
一种信息量大,适合传输的时间码,但是由于其时间精度低,不适合应用于高精
度时钟同步的系统。基于上述分析,本文结合这三种常用技术,提出了一种基于
FPGA 的分布式采集系统时钟同步控制技术。该技术既保留了 GPS 授时的高精
确度和高稳定性,又具备 IRIG-B 时间码易传输和低成本的特性,为分布式采集
系统中的时钟同步提供了一种新的解决方案。
本文中的设计采用了 Ublox 公司的精确授时 GPS 芯片 LEA-5T,通过对 GPS
芯片串行时间信息解码,获得准确的 UTC 时间,并实现了分布式采集系统中各
个采集设备的精确时间打码。为了能够使整个分布式采集系统具有统一的高精度
数据采集时钟,本论文采用了数模混合的锁相环技术,将 GPS 接收芯片输出的
高精度秒信号作为参考基准,生成了与秒信号高精度同步的 100MHZ 高频时钟。
本文在 FPGA 中完成了 IRIG-B 码的编码部分,将 B 码的准时标志与 GPS 秒信
I
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号同步,提高了 IRIG-B 码的时间精度。在分布式采集系统中, IRIG-B 时间码
能直接通过串口或光纤将各个采集点时间与 UTC 时间统一,节约了各点布设
GPS 接收机的高昂成本。最后,通过 PC104 总线对时钟同步控制卡进行了数据
读取和测试,通过实验结果的分析,提出了改进方案。实验表明,改进后的时钟
同步控制方案具有很高的时钟同步精度,对时钟同步技术有着重大的推进意义!
关键词:GPS 数模混合锁相环 IRIG-B 码 FPGA 时钟同步
II
Abstract
Research and implementation of clock synchronization
technology for distributed system based on FPGA
Introduction of the author: Liuyi, female, was born in Auguest, 1983 whose
tutor was Professor Guoyong. She graduated from Chengdu University of Technology
munication system major and was granted the Master Degree in June, 2009.
Abstract
With the rapid development of electronic technology, there is an increasing
number of electronic devices require accurate time synchronization. Clock
synchronization technologies play an important role in the satellite l