基于GNSS和TDC-GPX2的高精度时间间隔测量仪

本发明属于时频测量，特别是涉及一种基于gnss和tdc-gpx2的高精度时间间隔测量仪。

背景技术：

1、时间是一个最基本的物理量，它支撑整个经济社会的运行。时间间隔测量广泛应用于空间科学、激光测距、时频传递以及医疗等领域。

2、目前市面上常用的时间间隔测量仪器有sr620、53230a、yn5636等等，这些设备虽然精度高但是价格昂贵，且需要搭配额外的频率参考才可以达到高精度的测量。tdc-gpx2是一款专用时间转数字芯片，其成本低、精度高。目前，在基于tdc-gpx2设计的时间间隔测量仪案例中，大多选用普通晶振作为参考时钟，时钟抖动较大，影响测量精度，且普通晶振易老化，随着长时间使用，其精度会持续降低。

3、基于目前现状，为优化现有技术，本发明结合驯服恒温晶振技术，设计了一款集成了高精度参考时钟源的多通道、简易、低成本、高精度的时间间隔测量仪。

技术实现思路

1、针对现有的高精度时间间隔测量仪器价格昂贵，并且需要搭配额外的频率参考使用，以及选用普通晶振作为参考时钟的基于tdc-gpx2设计方案，测量精度得不到保证的问题，本发明提供一种基于gnss和tdc-gpx2的高精度时间间隔测量仪，利用gnss接收机输出的1pps驯服本地恒温晶振，从而对恒温晶振的输出频率进行锁定，提升恒温晶振输出频率的准确度与稳定度，从而可以对时间间隔测量模块提供高精度的参考信号，提升测量精度。

2、为解决上述技术问题，本发明提出一种基于gnss和tdc-gpx2的高精度时间间隔测量仪，包括：

3、用于输出10mhz方波cmos电平信号的恒温晶振；

4、用于接收10mhz方波cmos电平信号并转换为10mhz方波lvcmos电平信号的电平转换模块；

5、用于对电平转换模块输出的10mhz信号进行缓冲并分为多路输出的时钟缓冲模块；

6、用于输出1pps信号和nmea-0183数据格式报文信息的gnss接收机模块；

7、用于以时钟缓冲模块输出的10mhz信号作为参考时钟去测量gnss接收机模块输出的1pps以及待测物理事件的时间间隔测量模块；

8、用于接收和提取gnss接收机模块的报文信息，处理时间间隔测量模块的外设中断信号，接收并处理时间间隔测量模块的测量结果数据，并输出对恒温晶振调控信号的主控模块；

9、用于将主控模块输出的调控信号转换为电压量并输出给恒温晶振压控端的数模转换模块。

10、进一步地，所述时钟缓冲模块为cdclvc1104时钟缓冲器，分出4路10mhz信号输出，引脚y0和y1均与sma接口电连接对外输出，引脚y2与时间间隔测量模块电连接提供参考时钟。

11、进一步地，所述时间间隔测量模块为tdc-gpx2时间数字芯片，包括4个通道：

12、测量通道1与gnss接收机模块电连接用于输入1pps信号测量；

13、测量通道2到测量通道4分别电连接到sma2、sma3、sma4接口，用于用户测量。

14、进一步地，所述tdc-gpx2时间数字芯片每次测量完成时，测量的粗计数和细计数结果数据缓存到内部fifo中，然后产生中断信号，中断信号与主控模块电连接提示主控模块接收数据。

15、进一步地，所述主控模块为stm32f407zgt6单机片，集成有计算时间、野值剔除、卡尔曼滤波和pid控制4个模块。

16、进一步地，所述stm32f407zgt6单机片集成有usart，i2c，spi的硬件外设，外接有lcd12864液晶屏。

17、进一步地，其工作模式包括驯服模式和保持模式两种：

18、1)通过解析gnss接收机模块输出的报文信息，获得当前接收到的卫星数量，当接收的卫星数量达到要求时，此时gnss接收机模块输出的1pps精度高且稳定，进入驯服模式，驯服模式下软件的流程为：主控模块接收时间间隔测量模块的测量结果，进行计算时间数据，对时间数据野值剔除和卡尔曼滤波处理，将时间数据计算成频率数据，求取当前频率与恒温晶振的标称频率偏差量，最后由pid控制器计算出当前控制量；

19、2)当接收到的卫星数量未达到要求时，此时的1pps信号精度低，误差大，则启用保持模式，保持模式下，输出恒温晶振的中心电压对恒温晶振进行控制。

20、与现有技术相比，本发明的优点在于：

21、本发明结合了驯服恒温晶振技术，采用gnss接收机输出的1pps信号驯服恒温晶振，设计了基于allan方差的野值算法模块提升驯服过程中的稳定性，依据建立的恒温晶振输出频率的卡尔曼滤波状态方程，可获得合理的滤波参数，使卡尔曼滤波算法模块能够有效降低1pps信号抖动带来的测量误差，恒温晶振在长期驯服下能输出高精度的时钟信号，时间间隔测量模块依据恒温晶振输出的高精度频率信号作为参考时钟信号，从而可提高测量精度，本发明的时间间隔测量仪具有简易，低成本，高精度的特点。

技术特征：

1.基于gnss和tdc-gpx2的高精度时间间隔测量仪，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于gnss和tdc-gpx2的高精度时间间隔测量仪，其特征在于，所述时钟缓冲模块为cdclvc1104时钟缓冲器，分出4路10mhz信号输出，引脚y0和y1均与sma接口电连接对外输出，引脚y2与时间间隔测量模块电连接提供参考时钟。

3.根据权利要求1所述的基于gnss和tdc-gpx2的高精度时间间隔测量仪，其特征在于，所述时间间隔测量模块为tdc-gpx2时间数字芯片，包括4个通道：

4.根据权利要求3所述的基于gnss和tdc-gpx2的高精度时间间隔测量仪，其特征在于，所述tdc-gpx2时间数字芯片每次测量完成时，测量的粗计数和细计数结果数据缓存到内部fifo中，然后产生中断信号，中断信号与主控模块电连接提示主控模块接收数据。

5.根据权利要求1所述的基于gnss和tdc-gpx2的高精度时间间隔测量仪，其特征在于，所述主控模块为stm32f407zgt6单机片，集成有计算时间、野值剔除、卡尔曼滤波和pid控制4个模块。

6.根据权利要求1所述的基于gnss和tdc-gpx2的高精度时间间隔测量仪，其特征在于，所述stm32f407zgt6单机片还集成有usart，i2c，spi的硬件外设，外接有lcd12864液晶屏。

7.根据权利要求1所述的基于gnss和tdc-gpx2的高精度时间间隔测量仪，其特征在于，其工作模式包括驯服模式和保持模式两种：

技术总结本发明公开了一种基于GNSS和TDC‑GPX2的高精度时间间隔测量仪，包括恒温晶振、电平转换模块、时钟缓冲模块、GNSS接收机模块、时间间隔测量模块、主控模块以及数模转换模块。本发明结合了驯服恒温晶振技术，采用GNSS接收机输出的1PPS信号驯服恒温晶振，设计了基于Allan方差的野值算法模块提升驯服过程中的稳定性，依据建立的恒温晶振输出频率的卡尔曼滤波状态方程，可获得合理的滤波参数，使卡尔曼滤波算法模块能够有效降低1PPS信号抖动带来的测量误差，恒温晶振在长期驯服下能输出高精度的时钟信号，时间间隔测量模块依据恒温晶振输出的高精度频率信号作为参考时钟信号，从而可提高测量精度，本发明的时间间隔测量仪具有简易，低成本，高精度的特点。技术研发人员：杨业泉,张浩,冯文杰受保护的技术使用者：三峡大学技术研发日：技术公布日：2024/1/15