如今，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)很多，有基于數(shù)字信號(hào)處理器DSP設(shè)計(jì)的，也有基于現(xiàn)場可編程門陣列FPGA設(shè)計(jì)的，這些采集系統(tǒng)盡管采集處理數(shù)據(jù)能力不差，但大多都采用傳統(tǒng)授時(shí)模式。

而異地同步測量是工程中經(jīng)常用到的方法，如果用傳統(tǒng)的授時(shí)模式，其時(shí)鐘頻率的產(chǎn)生是用晶體，而晶體會(huì)老化，易受外界環(huán)境變化及長期的精度漂移影響，造成授時(shí)精度下降，這樣異地同步測量的數(shù)據(jù)其實(shí)在理論上已經(jīng)不再同步、同時(shí)了。本系統(tǒng)采用GPS新型授時(shí)方法，結(jié)合DSP技術(shù)和USB通信技術(shù)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能較好地解決這個(gè)問題。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體硬件構(gòu)成與工作原理

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模擬量輸人、同步采樣控制、A／D轉(zhuǎn)換以及微處理器和接口組成，如圖1所示。

模擬量輸入部分設(shè)有多個(gè)通道(如16路)，可用來對若干路電壓和若干路電流同時(shí)測量。來自PT或CT副邊的電壓或電流，經(jīng)隔離變換、模擬低通濾波后，被建立在GPS時(shí)間基準(zhǔn)上的同步采樣系統(tǒng)所采樣，經(jīng)依次A／D轉(zhuǎn)換后按順序放入固定RAM區(qū)。DSP根據(jù)遞歸DFT算法，每來一個(gè)新的采樣點(diǎn)計(jì)算一次所有被測量的各相基波分量，然后利用GPS接收器串口提供的時(shí)間信息和數(shù)據(jù)窗第一個(gè)采樣點(diǎn)的順序編號(hào)，給計(jì)算結(jié)果置以便于識(shí)別的“時(shí)間標(biāo)簽”。計(jì)算得出的各相量連同其時(shí)間標(biāo)簽按照一定的數(shù)據(jù)格式，經(jīng)過DSP總線和USB2.0數(shù)據(jù)線送往PC上位機(jī)進(jìn)行處理和分析。

2 基于GPS授時(shí)的同步采樣控制單元

同步采樣是實(shí)現(xiàn)異地同步測量的關(guān)鍵技術(shù)，只有各測量點(diǎn)的采樣是同步進(jìn)行的，同一時(shí)刻計(jì)算出的相量具有統(tǒng)一的參考時(shí)問基準(zhǔn)，其相位關(guān)系才可直接進(jìn)行比較。本文討論了無線電廣播、LORANC、OMEGS、GOES、GLO-NASS、GPS這六種不同的授時(shí)方法。這些授時(shí)方法的誤差比較如表1所列。

通過比較不難看出，傳統(tǒng)的時(shí)鐘同步方法由于受技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等因素的影響，在精度和實(shí)用性上很難滿足異地同步測量的要求；只有GPS精密授時(shí)方法的優(yōu)越性能滿足要求。為此，本文所介紹的是一種基于GPS時(shí)間信號(hào)的最新時(shí)鐘同步方法。

2.1 GPS系統(tǒng)簡介

GPS(Global Positioing System，全球定位系統(tǒng))是美國研制的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分和用戶設(shè)備組成?？臻g部分主要由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成。在地球的任意處(有360°的視野)至少可以看到3顆衛(wèi)星(根據(jù)筆者實(shí)際用的情況看)。地面控制部分包括監(jiān)測站、主控站和注入站。用戶設(shè)備就是GPS接收機(jī)，本系統(tǒng)所選擇的接收機(jī)是GPS-OEM板(型號(hào)是GPS15L，在2.3小節(jié)會(huì)詳細(xì)討論)，它根據(jù)自己時(shí)鐘和接收到的導(dǎo)航電文計(jì)算出接收機(jī)(天線)所在的位置和GPS時(shí)間。