文獻(xiàn)標(biāo)識(shí): B
文章編號(hào): 0258-7998(2013)11-0050-03
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
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:
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],。
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。
(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:
<1>UTC時(shí)間,,hhmmss(時(shí)分秒)
<2>定位狀態(tài),,A=有效定位,V=無(wú)效定位
<3>緯度
<4>緯度半球
<5>經(jīng)度
<6>經(jīng)度半球
<7>地面速率
<8>地面航向
<9>UTC日期,,ddmmyy(日月年)
<10>磁偏角
<11>磁偏角方向
<12>模式指示
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。
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。
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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