分布式测量系统时统信号分路电路设计

摘要：针对分布式测量系统不同测量单元之间时间统一的问题，设计了一种实用的时统信号分路传输电路。详细分析了电路的设计原理、元器件的选择和电路的具体实现，并对实际电路进行了测试。实验表明，设计的电路在实际运行中稳定可靠，具有较高的工程实用价值。
关键词：分布式测量：时间统一；分路电路

在现代许多分布式测量系统，如激光陀螺形变测量系统、分布式声源定位系统等高精度分布式测量系统中，为了精确地获取信息，各个测量单元之间的测量时间必须是同步的，即需要考虑不同测量单元之间的时间统一。实现时间统一最直接的方法是将一个时统设备产生的标准时间传输给测量单元使用，因此需要设计一个电路来实现时统信号的多路传输。笔者针对分布式测量系统对时间统一的要求，设计了一个时统信号分路电路，可以将GPS数据或B码终端输出的信号分成多路，以满足不同测量单元之间实现同步测量的需求。

1 分路电路设计方案
分布式测量系统一般是基于不同位置的测量单元敏感各自所在位置的信息，经过处理得出安装点之间相关的信息。处于不同位置的测量单元单独完成信息的采集，时统设备的信号经过分路电路分路后，对每个测量单元提供标准时间，将测量单元测得的数据打上时标，按照标准时间对数据进行处理分析，就可以实现精确地分布式测量。其中分路的实现是将GPS接收板输出的两路信号直接在电路上分为两路，将信号进行处理后传输给测量单元使用。
在实际测量中，不同测量位置之间的距离往往较远，可达到数百米。由于RS-232是单端信号传输，存在共地噪声、不能抑制共模干扰和传输距离短等问题，因此需要进行电平转换后传输信号。考虑到RS-422是差分传输，抗干扰能力强，在低于100 kB／s传输速率时，可以达到最大传输距离1 200 m，采用RS-422接口在不同测量单元之间传输时统信号，可以提高信号的传输距离、完整性和电磁兼容性，增强抗干扰能力。
时统信号分路电路的原理框图如图1所示。

由图1可以看出，GPS接收板输出的两路信号首先在电路中分路，然后选择合适的芯片进行电平转换，传输给测量单元使用。当能接收到GPS信号时，分布式测量系统的时统信号直接由GPS接收板提供，其输出包括1路PPS信号和1路GPS数据包。由于受外界环境和条件的影响，会出现不能接收到GPS信号的情况，因此需要考虑使用其它的时间统一信号进行分布式测量的时间统一，比较常见的是使用B码进行测量单元的时间统一。其中GPS数据包采用的是RS-232电气协议，PPS信号和B码信号为TTL信号，均可进行电平转换后以RS-422差分形式传输。

2 分路电路的实现
按照图1所示的原理，对时统信号分路电路的器件进行选择。RS-422接口转换芯片选择MAXIM公司的MAX488芯片，全双工，含有接收和发送模块。GPS接收模块采用加拿大NovAtel公司生产的OEMV系列板，此处采用OEMV-1G。OEMV-1G需要两个输入电源，分别是接收板所需电源+3．3 V，天线增益所需电源+5 V。RS-422转换芯片MAX488需电源+5 V。外部供应电源为+24～+30 V的直流电源，因而需要直流电源转换芯片，转换为+5 V供MAX488和GPS天线使用，再进一步转换为+3．3 V供GPS接收板使用。此处选择台湾PowerGood公司生产的提供+5 V输出的ESB2450系列芯片和美国Texas Instruments公司生产的提供+3_3 V输出的产品REG1117芯片。设计的分路电路实物图如图2所示。

此电路的直流特性如表1所示。

3 实验测试
实验测试采用屏蔽线为安普六类屏蔽线，其阻抗为0．08 Ω／m，线数为8根。实验采用线长为215 m的屏蔽线时，单端线阻为17 Ω。实验中的电源是由测量单元通过屏蔽线接入时统设备的，当接入+24 V电源时，在时统设备中的GPS接收模块不工作，测量PowerGood ESB2450芯片输入端电压为15．8 V，此时电源线上压降约为8 V，输入电压不能满足最低输入电压18 V的要求，电路不能工作，计算可得屏蔽线的压降为40 mV／m，因而在供电电源+24 V时屏蔽线长度不超过180 m。此传输距离的限制不是由于数据传输速度造成的，而是因为受电源供电的影响，时统设备的电压会受到传输电路压降的限制，可以采用电气特性更为优良的屏蔽线或者采用单独给时统设备供电的方式提高传输距离。之后采用传输距离为150 m的屏蔽线进行测试。
实验主要是利用示波器测试时统设备和测量单元之间的延迟，以及测量单元之间的时间同步性。使用的示波器型号为Tektronix的TDS10 12B，示波器的采样时间分辨率为1 ns。测试的主要内容是：
GPS信号的同步性：时统设备接收的GPS接收模块发出的GPS信号与测量单元接收的GPS信号。
PPS信号的同步性：时统设备接收的GPS接收模块发出的PPS信号与测量单元接收的PPS信号。
实验测试波形如图3和图4所示。图3中通道1和通道2为GPS信号在时统设备和测量单元处的波形，图4中通道1和通道2为为PPS信号在时统设备和测量单元处的波形。对它们进行多次测量的结果如表2所示。其中A代表时统设备，B、C分别代表不同的测量单元。

由表2数据可以看出，时统设备与测量单元之间的时间延迟很小，其值在1．000μs左右，主要是由于电子器件本身的延迟以及传输线路的延迟造成。考虑到传输线路长度为150 m，则线路延迟为0．500 μs，增加电路引起的延迟为0．500μs。
测量单元之间有时间同步误差，其值在0．020μs左右，主要是由于采用分立的元器件以及传输线路不一致造成的，信号进行电平转换时使用的是分立的MAX488芯片，因此会造成不同测量单元之间的信号有时间同步误差。

4 结束语
由于GPS信号需要在通视的情况下才可接收，容易受地形地貌的影响，使用时需要考虑环境因素，因此在考虑时间统一时就要设计另外的不依赖GPS的同步方式。本文设计的分路电路在不仅可以对GPS提供的时统信号进行差分传输，还可以对其它同步方式比如B码终端提供的时统信号进行差分传输，以满足分布式测量系统在不同测量环境中的需要。由测试结果可以看出：所设计的时统信号分路电路线路简单、结构紧凑、工作稳定可靠、时间延迟小，已经应用于激光陀螺形变测量系统中，在其它分布式测量系统，如分布式温度测量、分布式声源定位系统中也能得到很好的应用，具有较高的实用价值。