Ich war überrascht zu sehen, dass der GPS-Empfänger, mit dem ich arbeite, einen Pin hat, der für die Ausgabe eines 1-PPS-Signals (Pulse Per Second) reserviert ist. Was ist der Sinn davon? Kann der Mikrocontroller nicht einfach ein eigenes 1-PPS-Signal erzeugen?
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Antworten:
Der 1-PPS-Ausgang weist einen viel geringeren Jitter auf als alles, was eine MCU kann. In einigen anspruchsvolleren Anwendungen können Sie diesen Impuls verwenden, um Dinge sehr genau zu messen. Bei einigen GPS-Geräten mit wissenschaftlicher Qualität kann diese 1-PPS-Ausgabe eine Genauigkeit von mehr als 1 nS aufweisen.
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Langfristig ist das 1-Hz-Signal wahrscheinlich die genaueste Zeit- und damit auch Frequenzreferenz, auf die Sie jemals stoßen werden.
Für die Kosten eines GPS-Moduls erhalten Sie praktisch so etwas wie eine Zeitreferenz für die Cäsiumuhr. Ein Schnäppchen. Sie können kommerzielle "disziplinierte Oszillator" -Einheiten kaufen und es sind Designs für Heimwerker erhältlich. Ein DO ist nicht per se frequenzverriegelt, sondern wird durch Fehlersignale zwischen einem 1-H-Signal, das von lokalen und GPS-Uhren erzeugt wird, sanft verriegelt.
Disziplinierte Oszillatoren
Normalzeit überall Sie sagen -
Ovenisierte Quarzkristalloszillatoren Wenn ein einzelner (OCXO) oder doppelter (DOCXO) Temperierofen um den Kristall und seine Oszillationsschaltung gewickelt wird, kann die Frequenzstabilität um zwei bis vier Größenordnungen gegenüber der des TCXO verbessert werden. Solche Oszillatoren werden in Labor- und Kommunikationsanwendungen verwendet und haben oft die Möglichkeit, ihre Ausgangsfrequenz über eine elektronische Frequenzsteuerung einzustellen. Auf diese Weise können sie "diszipliniert" werden, um der Frequenz eines GPS- oder Loran-C-Referenzempfängers zu entsprechen.
GPS-disziplinierte DOCXOs sind die primären Referenzquellen (Primary Reference Sources, PRS) von Stratum I für viele der weltweit verkabelten Telekommunikationssysteme. Sie werden auch häufig als GPS-Zeit- und Frequenzreferenzen für die Basisstationen verwendet, die unter dem IS-95-Standard für die von Qualcomm stammenden CDMA-Mobiltelefonsysteme (Code Division Multiple Access) arbeiten. Das schiere Volumen dieser Basisstationsanwendungen hat den OCXO-Markt tiefgreifend beeinflusst, indem die Preise gesenkt und die Anbieter konsolidiert wurden.
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@ DavidKessner's Antwort stimmt mit dem überein, was ich sagen werde, aber ich wollte es näher erläutern, und das ist ein bisschen mehr als ein Kommentar.
Mit diesem Ausgang kann die MCU beispielsweise einmal pro Sekunde (bis zu ein paar Nanosekunden) aus dem Tiefschlafmodus in einer Anwendung geweckt werden, in der Sie darauf geachtet haben, dass die MCU in einer bestimmten Sekunde etwas mit hoher Genauigkeit ausführt .
Eine MCU könnte dieses Signal auch verwenden, um ihre eigene Zeitgenauigkeit zu berechnen und in der Software zu kompensieren. Die MCU könnte also die Impulsdauer "messen" und davon ausgehen, dass es sich um ein "perfektes" 1-Sekunden-Intervall handelt. Auf diese Weise könnte es effektiv die Zeit bestimmen, in der es gedehnt oder gequetscht wird, beispielsweise aufgrund von Temperatureinflüssen auf seinen Kristall oder was auch immer, und diesen Zeitfaktor auf alle Messungen anwenden, die es durchführt.
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Das robuste OCXO wurde für raue Raketenumgebungen entwickelt und verfolgt schwimmende Wetterstationen vor dem Start von GPS. Eigentlich bringt es gute Erinnerungen zurück, nachdem erst das erste GPS (GOES 1) gestartet wurde.
Die Bedeutung der Stabilität hängt von den Ausfällen ab und davon, wie viel Fehler Sie während eines Ausfalls oder LOS (Signalverlust) sowie von der Erfassungszeit tolerieren können. Wenn Sie f mit N mit dem PLL-Teiler multiplizieren, multiplizieren Sie auch den Phasenfehler. Daher ist es wichtig, Drift und Phasenrauschen so gering wie möglich zu halten.
In meinem OCXO habe ich 10MHz für den OCXO, 100KHz für die FM-Unterträger-Telemetrie der Rakete und 10KHz für die Bodenstation des Mischers gewählt, um die Position der Rakete zu verfolgen. Die Reichweite für die Fahrzeugfahrt ist einfach die Phasendifferenz unter Verwendung der Differenzfrequenz und Phase des Telemetrie-Unterträgers und der Bodenstation bei der gewählten f mit Δλ = c / f mit Δposition = Δλ + Zykluszählwerten. Der Frequenzfehler repräsentiert die Geschwindigkeit wie bei der Radargeschwindigkeit. Mit 1 PPS (1 Hz) Takt können Sie also einen großen Bereich und ein großes Zeitintervall unterstützen, ohne dass Zyklen übersprungen werden müssen oder eine präzise Phasendifferenz erforderlich ist. Es sei angemerkt, dass ein Zyklussprung im Phasenfehler N Zyklen sein kann, was eine Mehrdeutigkeit des akkumulierten Fehlers bedeutet. Angenommen, ein LOS-Fehler ist wichtig.
Redundanz ist der Schlüssel zur Zuverlässigkeit, wenn Sie bei einem Ausfall die Auswahl und Rangfolge der Quellen von Stratum 1,2 und 3 Uhr haben. Telekommunikationssynchrone Hochgeschwindigkeitsnetze sind wie lizenzierte Funkgeräte auf präzise Uhren angewiesen. Netzwerke verwenden eine intelligente Fehlerprotokollierung zum Einordnen von Referenzen von Stratum-Taktquellen.
Das erfordert natürlich viel Sorgfalt bei der Gestaltung Ihres DO. Bände von Normenbüchern definieren diese Regeln.
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Ich denke, Sie müssen sich über das Gerät informieren, das Sie haben (da einige davon unterschiedlich sind), aber ich würde vermuten, dass es als Zeitsynchronisation verwendet werden soll. Dh Sie erhalten eine Meldung, dass der nächste Impuls bei timeInUTC eintrifft.
Die GPSClock 200 hat einen RS-232-Ausgang, der NMEA-Zeitcodes und ein PPS-Ausgangssignal liefert. Ungefähr eine halbe Sekunde zuvor gibt sie die Zeit des nächsten PPS-Impulses entweder im GPRMC oder GPZDA-Format aus. Innerhalb einer Mikrosekunde vom Anfang der UTC-Sekunde wird die PPS-Ausgabe für etwa 500 ms hochgesetzt. "
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Während ein GPS-Empfänger einen vollständigen Zeitstempel stromaufwärts senden kann (über NMEA usw.), würde die Zeitspanne, die der Zeitstempel benötigt, um zum Host zu gelangen, den Zeitstempel ungenau machen. Ein 1PPS-Signal ist das Äquivalent des GPS-Empfängers zu "Zum Zeitpunkt des Tons beträgt die Zeit 13:35 und 35 Sekunden ... [Piepton]". Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Uhr des Hosts 1 Sekunde lang genau bleibt und jede Sekunde eine Korrektur über das 1PPS erhält.
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Ich mag die Antwort von "PV Subramanian" als auf den Punkt. Dies ist genau der typische Zweck von 1 PPS. Stellen Sie eine genaue 1-Sekunden-Flanke bereit, um einen vollständigen "Tageszeit" -Informationsblock zu vergrößern, der mit weniger genauen Mitteln empfangen wird (normalerweise asynchrone serielle Leitung).
In Bezug auf Oszillatoren scheint es, dass im Handel mit "Zeitstandards" und GPS 10 MHz eine sehr beliebte Wahl sind. Und Lokaloszillatoren in GPS-Empfängern lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen: diejenigen, die ein genaues Verhältnis von 1: 10000000 zwischen dem 10-MHz-Ausgang und PPS (phasensynchron) ergeben, und diejenigen, bei denen der PPS-Ausgang schrittweise Anpassungen aufweist (Überspringen / Einfügen) Zecken der 10-MHz-Zeitbasis). Die "synchronen" Quarzoszillatoren sind genauer und werden für einige Zwecke benötigt. Sie benötigen auch eine "Ofensteuerung" (OCXO), die etwas zusätzlichen Strom verbraucht. Nicht gut für batteriebetriebene Geräte, hervorragend für die stationäre Zeitmessung. Die "Überspring" -Oszillatoren sind gut genug für die Grundpositionierung und billiger. Das erhalten Sie also in den billigsten GPS-Empfängermodulen.
Für die PLL-Steuerung eines externen Quarzoszillators sind die Flanken von 1 PPS möglicherweise ziemlich weit voneinander entfernt, so dass Sie eine ziemlich lange Integrationszeit in der PLL-Servoschleife benötigen würden. Mit einer 10-MHz-Signalquelle guter Qualität können Sie eine gute Verriegelung viel schneller erzielen. Aber der Haken ist - "gute Qualität". Siehe oben. Davon abgesehen ist 1PPS mit Sicherheit ausreichend, um die Systemzeitbasis einiger Betriebssysteme oder NTPDs, die auf PC-Hardware ausgeführt werden, zu disziplinieren.
Wie bereits erwähnt, wird die 1PPS-Ausgabe eines GPS-Empfängers von einem lokalen Quarzoszillator abgeleitet, der im Empfänger tickt. Typischerweise war dies ein 10-MHz-Kristall. Dieser lokale Quarzoszillator ist wirklich ein VCO, der kleine Anpassungen in seiner tatsächlichen Taktrate zulässt. Dieser VCO-Eingang wird für die Regelung (negative Rückkopplung) verwendet, wobei das GPS-Signal einer Handvoll Satelliten (kombiniert) als Referenz dient. Der Funktionsblock in einem GPS-Empfänger, der die Dekodierung der "verschlüsselten Spaghetti" von Pseudozufalls-Bitströmen auf einem gemeinsam genutzten Träger mit unterschiedlichen Signalpegeln und Dopplerverschiebungen durchführt, wird als "Korrelator" bezeichnet. Es verwendet einige schwere Zahlen, um eine optimale "Lösung" für das "Problem" von Position und Zeit zu finden, basierend auf den empfangenen Funksignalen. Sie werden mit der lokalen Zeitbasis verglichen und es wird fortlaufend ein kleiner Fehler / eine kleine Abweichung zwischen dem Funkempfang und dem lokalen Kristall ausgewertet, die in den VCO-Eingang des Kristalls zurückgeführt wird. Aus zeitlicher Sicht ist der Korrelator des GPS-Empfängers nur eine äußerst komplexe PLL-Vergleichssache :-)
Andere haben Symmetricom und TimeTools erwähnt ... Meinberg Funkuhren hat eine schöne Tabelle der Oszillatoren, die alle denkbaren Präzisionsparameter enthalten: https://www.meinbergglobal.com/english/specs/gpsopt.htm Beachten Sie, dass die angegebenen Präzisionen zutreffen wahrscheinlich immer noch konservative / pessimistische Schätzungen.
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Alle vorhandenen Antworten beziehen sich auf Präzisionszeitsteuerungsanwendungen. Ich möchte nur darauf hinweisen, dass das 1-pps-Signal auch für die Navigation wichtig ist - insbesondere, wenn sich der Empfänger bewegt.
Der Empfänger benötigt einige Zeit, um die einzelnen Navigationslösungen zu berechnen, und zusätzliche Zeit, um diese Lösungen in eine oder mehrere Nachrichten zu formatieren und sie über eine Art Kommunikationsverbindung (normalerweise seriell) zu übertragen. Dies bedeutet, dass die Informationen zu dem Zeitpunkt, zu dem der Rest des Systems sie nutzen kann, möglicherweise um einige hundert Millisekunden "veraltet" sind.
Die meisten Hobbyanwendungen mit niedriger Genauigkeit ignorieren dieses Detail, aber bei einer Präzisionsanwendung, die sich mit 30 bis 100 Metern pro Sekunde bewegt, treten viele Meter Fehler auf, was sie zur Hauptquelle für Gesamtfehler macht.
Der Zweck der 1-pps-Ausgabe besteht darin, genau anzugeben, wann die in den Navigationsnachrichten angegebene Position gültig war, wodurch die Anwendungssoftware die Kommunikationsverzögerung ausgleichen kann. Dies ist besonders wichtig in hybriden GPS-Inertialsystemen, in denen MEMS-Sensoren verwendet werden, um interpolierte Navigationslösungen mit hohen Abtastraten (Hunderte von Hertz) bereitzustellen.
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Wir verwenden die von GPS-Empfängern generierte 1PPS-Ausgabe, um eine sehr genaue Zeit für NTP-Netzwerk-Zeitserver der Schicht 1 bereitzustellen. Das 1PPS wird zu Beginn jeder Sekunde generiert und ist bei vielen Empfängern auf wenige Nanosekunden UTC-Zeit genau. Einige GPS-Empfänger können die Zeit nicht so gut bereitstellen, da die zugehörige serielle Zeitausgabe auf jeder Seite der beabsichtigten Impulsausgabe "wandern" kann. Dies erzeugt effektiv periodisch einen Versatz von einer Sekunde.
Der 1PPS-Ausgang kann auch dazu verwendet werden, OCXO- oder TCXO-basierte Oszillatoren zu disziplinieren, um im Falle eines Verlusts von GPS-Signalen einen Holdover bereitzustellen. Über den folgenden Link erhalten Sie weitere Informationen zur Verwendung von GPS in Zeitreferenzen:
http://www.timetools.co.uk/2013/07/23/timetools-gps-ntp-servers/
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1 PPM-Signal wird zu Synchronisationszwecken verwendet. Angenommen, Sie haben zwei weit entfernte Geräte und möchten in beiden Geräten Taktimpulse erzeugen, die genau zur gleichen Zeit beginnen. Was können Sie tun? Hier wird dieses 1-PPM-Signal verwendet. Das GPS-Modul gibt weltweit Impulse mit einer Genauigkeit von 1 ns aus.
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