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使用GPS模块输出的1PPS频标，来标定晶体频率 [复制链接]

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只看楼主 倒序阅读 0楼 发表于: 2008-05-09
前几天学习了一个新的红外线遥控器解码的程序，使用的方法与51下的中断独占方法完全不同，可以说尽量发挥了avr单片机的功能。程序的思想是，使用定时器的捕捉模式，来完成对红外解调信号的宽度测量。与51下传统的方法相比，优点是明显的，这个代码工作在中断模式，不会独占外部中断(51下的代码为了完成对外部信号宽度较为精确的测量，强制关闭了所有的中断响应)。

这个代码很快调通了，并且也很好用。这是我第1次使用avr定时器的外部信号捕捉功能。今天突发奇想：如果用来捕捉gps模块输出的1pps频标信号会有什么后果呢？后果就是可以精确地测量出，在1pps外部信号的周期内，mcu时钟走了多少步。这意味着，如果外部1pps信号是准确的（我查了一下我模块的ds，给出的指标是+-50ns），那么通过计算，就可以得出mcu时钟的准确频率值，而且精度可以达到hz级别。

也就是说，如果mcu的时钟，是由外部有源晶体、tcxo甚至ocxo提供的，那么这种想法就可以用来测量出外部时钟的准确频率(这似乎对留有调整孔的tcxo更有意义)。当然，限制就是此方法，只能对avr适用的时钟频率范围的晶体有效了（x－20mhz）。

于是在实验板上写了一个程序，来验证想法。

1、程序首先对gps进行解码，用来完成gps是否已定位的检测(后来的结果似乎表明，gps模块的定位与否，对它输出的1pps频标似乎没有影响，怀疑gps模块具备有1pps信号自校准功能。就是说定位后，它会根据gps卫星的信号，计算出本身的晶体偏差数值，并且完成对输出的1pps信号的修正。当然，这纯属猜想)。
2、打开定时器1的捕捉模式，并且开启了溢出中断。在捕捉中断中，程序完成对工作状态的判断（是否在测量状态），并且根据状态的不同，保存时间值到2个分别代表启动和停止的变量中。并且在测量完成时，置位一个数据有效标志。
3、溢出中断相当简单，只是完成溢出次数保存。
3、主程序中，挂接一个lcd驱动。然后检查测量标志是否有效，有效时，立即进行计算，并显示出来，结束后复位标志。

上述算法在我的实验板上经过了检验，测量14.745600mhz的时钟频率为14.745158mhz，粗算了一下，似乎相当于-30ppm的精度。这比较符合普通晶体的性能。
另外同时对avr的内部rc振荡器进行了测试，发现无论是稳定性，还是准确度，rc都是无法和晶体相比的（废话～）

btw：图片上显示的频率和我上面描述的频率(14.745158)相差较大的原因是，我描述的频率是3.3v电源供电情况下的，而图片是5v电源供电情况下拍的(为了使背光更亮些，容易看清楚)。

2010.5.19更新：加入源代码（仅供参考~）
复制代码
  1. /************************************************
  3. atmega128板使用gps模块1pps频标测量主时钟频率程序
  5.            版权所有 限群内交流 qq group:433**333
  7.                                          write by bg4uvr
  8. +++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
  10. 最后更新：
  11. 2008.05.08：
  12. 1、创意中。。。
  13. 2、调试成功
  14. *************************************************/
  15. //包含头文件
  16. #include <avr/io.h>
  17. #include <avr/interrupt.h>
  18. #include "5110.h"
  20. //gps数据存储数组
  21. uint8_t lon[10];      //经度
  22. uint8_t e_w;            //经度方向
  23. uint8_t lat[9];            //纬度
  24. uint8_t n_s;            //纬度方向
  25. uint8_t time[6];      //时间
  26. uint8_t date[8];      //日期
  27. uint8_t spd[5];            //速度
  28. uint8_t alt[6];            //高度
  29. uint8_t deg[5];            //方位角
  30. uint8_t station;      //定位状态
  31. uint8_t stalate[2];      //收星数
  32. //显示需要的变量
  33. uint8_t alt_cnt;            //高度位数
  34. volatile uint8_t buf;                  //1：整句接收完成，相应数据有效。0：缓存数据无效。
  36. //定时器需要的变量
  37. volatile uint16_t over_cnt;            //定时器溢出次数计数
  38. volatile uint16_t start_timer;      //捕捉开始值
  39. volatile uint16_t stop_timer;      //捕捉结束值
  40. volatile uint8_t mode;                  //测量状态存储。1正在测量，0未测量
  41. volatile uint8_t flag;                  //结果状态。1有效，0无效
  43. void sys_init(void);
  45. int main(void)
  46. {
  47.      uint8_t hour;                        //北京时间
  48.      uint32_t fre;                        //频率结果存储
  50.      sys_init();
  52.      mode=0;                                    //状态未测量
  53.      flag=0;                                    //测量结果无效
  55.      lcd_write_english_string(0,0,pstr("fre="));
  56.      lcd_write_english_string(0,2,pstr("satellites="));
  57.      lcd_write_english_string(6,5,pstr("bjt"));
  59.      while(1)
  60.      {
  61.            if(flag==1)                        //如果测量已完成
  62.            {
  63.                  flag=0;
  64.                  if(over_cnt==0)
  65.                  {
  66.                        fre=stop_timer-start_timer;
  67.                  }
  68.                  else
  69.                  {
  70.                        fre=(over_cnt*0x10000)-start_timer+stop_timer;
  71.                  }
  72.                  display_32hex(24,0,fre);      //显示频率
  73.                  lcd_write_char('h');
  74.                  lcd_write_char('z');
  75.            }      
  77.            if(buf&0x01)                  //显示定位卫星数
  78.            {
  79.                  lcd_set_xy(72,2);
  80.                  lcd_write_char(stalate[0]);
  81.                  lcd_write_char(stalate[1]);
  82.                  buf&=~0x01;
  83.            }
  84.            
  85.            //显示实时时钟
  86.            if(buf&0x02)
  87.            {
  88.                  hour=(time[0]-0x30)*10+time[1]-0x30+8;
  89.                  if(hour>=24)      hour-=24;
  90.                  lcd_set_xy(30,5);
  91.                  lcd_write_char(hour/10+0x30);
  92.                  lcd_write_char(hour%10+0x30);
  93.                  lcd_write_char(':');
  94.                  lcd_write_char(time[2]);
  95.                  lcd_write_char(time[3]);
  96.                  lcd_write_char(':');
  97.                  lcd_write_char(time[4]);
  98.                  lcd_write_char(time[5]);
  99.                  buf&=~2;
  100.            }
  101.      }
  102. }
  105. //usart 初始化
  106. void init_usart(void)      
  107. {
  108.   ucsr1c = (1<<ucsz11) | (1<<ucsz10);        //异步，8位数据，无奇偶校验，一个停止位，无倍速
  109.   ubrr1l= (f_cpu/9600/16-1)%256;              //ubrr= (f_cpu/(baudrate*16))-1;
  110.   ubrr1h= (f_cpu/9600/16-1)/256;
  111.   ucsr1b = (1<<rxcie)|(1<<rxen);                  //使能接收中断，使能接收，使能发送
  112. }
  114. //定时t1初始化
  115. void timer1_init(void)
  116. {
  117.      timsk |= _bv(ticie1);      //允许定时器1捕捉中断
  118.      timsk |= _bv(toie1);      //允许定时器1溢出中断
  119.      tccr1b = 0x81;                  //启动定时器 噪声抑制、下边沿触发、0分频
  120. }
  122. //定时器t1输入捕捉中断服务程序
  123. signal(sig_input_capture1)
  124. {
  125.      if(mode==0)
  126.      {
  127.            mode=1;                        //正在测量
  128.            flag=0;                        //结果无效
  129.            start_timer=icr1;
  130.            over_cnt=0;
  131.      }
  132.      else if(mode==1)
  133.      {
  134.            mode=0;                        //测量完成
  135.            stop_timer=icr1;
  136.            flag=1;                        //结果有效
  137.      }
  138. }
  140. //定时器1溢出中断
  141. signal(sig_overflow1)
  142. {
  143.      over_cnt++;      //溢出次数加1
  144. }
  146. //系统初始化
  147. void sys_init()
  148. {
  149.      lcd_init();                        //初始化lcd
  150.      init_usart();                  //初始化串口
  151.      timer1_init();                  //初始化定时器1
  152.      sei();                              //开启中断
  153. }
  156. //串口接收中断
  157. signal(sig_uart1_recv) //串口接收中断服务程序
  158. {
  159. /*
  160. 需要量：
  161. 日期、时间、经、纬度、高度、速度、方位角
  163. 需要解码语句：
  164. gga：高度
  165. gll：经、纬度
  166. rmc：日期、时间、方位角
  167. vtg：速度
  169. savepoint完成存点为date数据格式文件。
  170. 间隔计算函数，使用速度、方位角变化，来确定存点时间间隔。
  171. */
  172.      static uint8_t comma_cnt;      //逗号计数器
  173.      static uint8_t byte_cnt;      //位数计数器
  174.      static uint8_t cmd_type;      //命令类型
  175.      static uint8_t mode;            //0：结束模式，1：命令模式，2：数据模式
  176.            
  177.      uint8_t tmp;
  179.      tmp=udr1;
  180.      switch(tmp)
  181.      {
  182.            case '$':
  183.                  mode=1;                        //接收命令模式
  184.                  byte_cnt=0;                  //接收位数计数器清空
  185.                  break;
  186.            case ',':
  187.                  if(mode)                  //只有在有效模式才对逗号计数
  188.                  {
  189.                        comma_cnt++;            //逗号计数加1
  190.                        byte_cnt=0;
  191.                  }
  192.                  break;
  193.            default:
  194.                  if(mode==1)                        //命令接收模式
  195.                  {
  196.                        if(byte_cnt==3)                  //当接收的是第4位字符时
  197.                        {
  198.                              switch(tmp)                              //对字符进行判断，以得到当前语句类型
  199.                              {
  200.                                    case 'g':                        //gpgga 高度
  201.                                          cmd_type=1;                  //命令类型存储
  202.                                          alt_cnt=0;                  //调试位数计数清零
  203.                                          buf&=~1;                  //在接收某语句期间，此语句的输出空间标志为空，防止部分被改写的缓冲被读。
  204.                                          break;
  205.                                    case 'd':                        //gpzda 时间、日期
  206.                                          cmd_type=2;
  207.                                          buf&=~2;
  208.                                          break;
  209.                                    case 'l':                        //gpgll 经纬度，经纬度方向，定位状态
  210.                                          cmd_type=3;
  211.                                          buf&=~4;
  212.                                          break;
  213.                                    case 't':                        //gpvtg 运动方向、速度
  214.                                          cmd_type=4;
  215.                                          buf&=~8;
  216.                                          break;
  217.                                    default:                        //其他无效命令
  218.                                          cmd_type=0;
  219.                                          break;
  220.                              }
  221.                              if(cmd_type)                        //如果接收到的语句为需要接收的
  222.                              {
  223.                                    mode=2;                              //数据接收方式
  224.                                    comma_cnt=0;                  //清0逗号计数器
  225.                              }
  226.                              else                                    //如果接收的语句是不需要接收的
  227.                              {
  228.                                    mode=0;                              //进入无效接收模式
  229.                              }
  230.                        }                                          //命令判断结束                                                
  231.                  }                                                //命令接收模式结束
  233.                  else if(mode==2)                  //数据接收模式。处理数据。
  234.                  {
  235.                        switch (cmd_type)            //判断当前语句类型
  236.                        {
  237.                              case 1:                        //gpgga
  238.                                    switch(comma_cnt)
  239.                                    {
  240.                                          case 7:                        //收星数
  241.                                                if(byte_cnt<2)
  242.                                                {
  243.                                                      stalate[byte_cnt]=tmp;
  244.                                                }
  245.                                                break;
  246.                                          case 9:                                          //高度处理
  247.                                                if(byte_cnt<6){
  248.                                                      alt[byte_cnt]=tmp;
  249.                                                      alt_cnt++;                        //高度数据位数计数
  250.                                                }
  251.                                                break;
  252.                                          case 14:
  253.                                                mode=0;                                    //进入无效接收模式，直到有“$”字符被接收到
  254.                                                buf|=1;                                    //接收完某语句，标志其输出为有效
  255.                                                break;
  256.                                    }
  257.                                    break;
  258.                              case 2:                        //gpzda
  259.                                    switch(comma_cnt)
  260.                                    {
  261.                                          case 1:                                          //时间
  262.                                                if(byte_cnt<6)
  263.                                                {                        
  264.                                                      time[byte_cnt]=tmp;      
  265.                                                }
  266.                                                break;
  267.                                          case 2:                                          //日期
  268.                                                if(byte_cnt<2)
  269.                                                {
  270.                                                      date[byte_cnt+4]=tmp;
  271.                                                }
  272.                                                break;
  273.                                          case 3:                                          //月
  274.                                                if(byte_cnt<2)
  275.                                                {
  276.                                                      date[byte_cnt+2]=tmp;
  277.                                                }
  278.                                                break;
  279.                                          case 4:                                          //年
  280.                                                if(byte_cnt<4)
  281.                                                {
  282.                                                      date[byte_cnt]=tmp;
  283.                                                }
  284.                                                break;
  285.                                          case 6:
  286.                                                mode=0;
  287.                                                buf|=2;
  288.                                                break;
  289.                                    }
  290.                                    break;
  291.                              case 3:                        //gpgll
  292.                                    switch(comma_cnt)
  293.                                    {
  294.                                          case 1:                        //纬度
  295.                                                if(byte_cnt<9)
  296.                                                {
  297.                                                      lat[byte_cnt]=tmp;
  298.                                                }
  299.                                                break;
  300.                                          case 2:                        //n or s
  301.                                                n_s=tmp;
  302.                                                break;
  303.                                          case 3:                        //经度
  304.                                                if(byte_cnt<10)
  305.                                                {
  306.                                                      lon[byte_cnt]=tmp;
  307.                                                }
  308.                                                break;
  309.                                          case 4:                        //e or w
  310.                                                e_w=tmp;
  311.                                                break;
  312.                                          case 6:                        //定位状态
  313.                                                station=tmp;      //a or v
  314.                                                break;
  315.                                          case 7:
  316.                                                mode=0;
  317.                                                buf|=4;
  318.                                                break;
  319.                                    }
  320.                                    break;
  321.                              case 4:                        //gpvtg
  322.                                    switch(comma_cnt)
  323.                                    {
  324.                                          case 1:                        //方位角
  325.                                                if(byte_cnt<5)
  326.                                                {
  327.                                                      deg[byte_cnt]=tmp;
  328.                                                }
  329.                                                break;
  330.                                          case 7:                        //速度 km/h
  331.                                                if(byte_cnt<5)
  332.                                                {
  333.                                                      spd[byte_cnt]=tmp;
  334.                                                }
  335.                                                break;
  336.                                          case 9:
  337.                                                mode=0;
  338.                                                buf|=8;
  339.                                                break;
  340.                                    }
  341.                                    break;
  342.                        }//类型判断结束
  343.                  }//数据接收模式结束
  344.                  byte_cnt++;            //接收数位加1
  345.                  break;
  346.      }//判断接收数据内容结束
  347. }//中断结束
  350. /*
  351. $gpgga,024518.00,3153.7225,n,12111.9951,e,1,04,1.48,-00009,m,007,m,,*4c
  352. $gpgll,3153.7225,n,12111.9951,e,024518.00,a,a*63
  353. $gpvtg,000.0,t,004.7,m,000.0,n,000.0,k,a*20                  //方向(真)，方向(磁)，速度(英),速度(公)
  354. $gpgsa,a,2,04,08,17,20,,,,,,,,,1.48,1.48,0.03*08
  355. $gpgsv,2,1,08,04,15,231,38,08,29,218,42,11,49,043,,19,09,082,*76
  356. $gpgsv,2,2,08,27,14,198,29,28,71,316,,17,32,300,36,20,45,124,43*70
  357. $gprmc,024518.00,a,3153.7225,n,12111.9951,e,000.0,000.0,280107,04.7,w,a*12
  358. $gpzda,024519.45,28,01,2007,,*62
  359. */
  361. /*
  362. //上电后未定位时输出的数据(已有星历)
  363. $gpzda,061523.30,21,02,2008,,*6d
  364. $gpgga,,,,,,0,01,,,,,,,*67
  365. $gpgll,,,,,,v,n*64
  366. $gpvtg,,,,,,,,,n*30
  367. $gpgsa,a,1,,,,,,,,,,,,,,,*1e
  368. $gpgsv,3,1,11,02,64,082,,04,30,108,,15,29,204,,10,64,330,*75
  369. $gpgsv,3,2,11,08,16,100,,01,58,287,,24,22,310,,25,08,050,*79
  370. $gpgsv,3,3,11,27,16,069,,26,36,197,34,29,29,311,,,,,*4e
  371. $gprmc,061523.37,v,,,,,,,,,,n*7a
  373. $gpzda,061524.30,21,02,2008,,*6a
  374. $gpgga,,,,,,0,01,,,,,,,*67
  375. $gpgll,,,,,,v,n*64
  376. $gpvtg,,,,,,,,,n*30
  377. $gpgsa,a,1,,,,,,,,,,,,,,,*1e
  378. $gpgsv,3,1,11,02,64,082,,04,30,108,,15,29,204,,10,64,330,*75
  379. $gpgsv,3,2,11,08,16,100,,01,58,287,,24,22,310,,25,08,050,*79
  380. $gpgsv,3,3,11,27,16,069,,26,36,197,34,29,29,311,,,,,*4e
  381. $gprmc,061524.37,v,,,,,,,,,,n*7d
  382. */
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只看该作者 1楼 发表于: 2008-05-09
楼主在做频率计啊
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离线BG4UVR
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11287
只看该作者 2楼 发表于: 2008-05-09
不是频率计，只是用来测量晶体准确频率的东西。
可以用这来校准低档频率计的基准，或者tcxo晶体的频率什么的
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离线BG7TBL
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2965
只看该作者 3楼 发表于: 2008-05-09
1pps脉冲宽度那么窄,好捕捉吗,还有mcu处理1pps脉冲有无延迟.
我觉得用硬件可靠点!!
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离线BG4UVR
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11287
只看该作者 4楼 发表于: 2008-05-09
'
1pps脉冲宽度那么窄,好捕捉吗,还有mcu处理1pps脉冲有无延迟.
我觉得用硬件可靠点!!
'

一pps脉冲的宽度我没有测量，但这“1pps”的意思我觉得应该是指“1秒1次”的意思。avr定时器捕捉，误差肯定是有的，就是最大1个时钟周期。也正因为是这样，所以这种方法的精度也只是最大不大于1hz。从实际使用的结果看来，测量的结果应该还算是比较准确的。
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离线BA5RW
论坛版主
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48263
只看该作者 5楼 发表于: 2008-05-09
很好，学习了．
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离线BG4UVR
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11287
只看该作者 6楼 发表于: 2008-05-09
刚刚测量了bg4uat送我的taltron 20mhz的ocxo，结果见图。热稳定后，每分钟变化小于1hz…… 真爽，同时也验证了我算法的正确性。

btw：频率偏差了19hz，但目前还不能下定论说这个ocxo目前的频率准确度是1ppm。因为这个ocxo额定电压是3.3v的，而我测量时由于条件限制，是5v供电的。(3.3v下我的atmega128在20mhz时钟时无法工作，点不亮～)
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离线FMer
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2549
只看该作者 7楼 发表于: 2008-05-09
專程來頂貼!
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离线bd7bq
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1491
只看该作者 8楼 发表于: 2008-05-09
我几年前实验过用gps的10khz作为参考频率去锁一个12.8mhz的pll.但是当时无法对其精度做定量的测量.
搂主的东东不错,学习.
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离线BG4UVR
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11287
只看该作者 9楼 发表于: 2008-05-09
'
我几年前实验过用gps的10khz作为参考频率去锁一个12.8mhz的pll.但是当时无法对其精度做定量的测量.
搂主的东东不错,学习.
'

看了你的话，我终于明白那些gps做的输出10mhz标准频率的是怎么做的了，学习了
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离线bellstudio
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2820
只看该作者 10楼 发表于: 2008-05-10
强！学习了不少东西
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离线bg4kc
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2638
只看该作者 11楼 发表于: 2008-05-11
直接用gps的信号作基准，不能用来检验恒温晶体，
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离线BG4UVR
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11287
只看该作者 12楼 发表于: 2008-05-11
'
直接用gps的信号作基准，不能用来检验恒温晶体，
'

我看了一我的ocxo的参数，日稳定度是小于+-5ppb，而gps的1pps信号，误差是+-50ns，相当于+-50ppb吧，显然无法达到ocxo的精度。

但本例只是做为精确到hz的测量，在20mhz时，+-50ppb的误差相当于+-1hz。换句话说，这个例子在测量20mhz晶体的频率时，除去单片机执行机构的不确定性的误差，算法本身的误差，相当于hz位正负1 ，基本可以满足普通定量测量的需要了。
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离线bd1es
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2096
只看该作者 13楼 发表于: 2008-05-19
刚注意到，这个实验真棒。

avr机器的速度较高，内存也大，这样干脆楼主再加点儿简单的滤波吧，或者是滑动平均之类的机制。这样对减小gps的秒信号漂移有好处，:)。
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离线BG4UVR
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11287
只看该作者 14楼 发表于: 2008-05-19
初步想了一下，如果想加大分辨率，简单的方法，可以采用加长测量时间的方法。比如计算11次1pps信号的总长间隔的时间内，对晶振荡器进行计数，这样可以得到0.1hz的准确分辨率。不过我想对于我们业余应用中，几m到10几m的晶体来说，似乎也没有太大必要达到这种精度了，呵呵
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离线bd7bq
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1491
只看该作者 15楼 发表于: 2008-05-23
贴个图给参考.
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离线Titan
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2908
只看该作者 16楼 发表于: 2009-05-07
我搜到这个， http://www.jrmiller.demon.co.uk/projects/ministd/frqstd.htm
这个谁做过啊，刚好这个恒温晶体和这个gps模块我都有，嘿嘿
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离线BH7NAO
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18519
只看该作者 17楼 发表于: 2009-07-12
进来记号 学习一下 火腿强人就是多！
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离线wang_xm
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16
只看该作者 18楼 发表于: 2009-08-22
这样的测量精度有问题,有原理上的错误.
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离线BG4UVR
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11287
只看该作者 19楼 发表于: 2009-08-25
[quote=wang_xm]这样的测量精度有问题,有原理上的错误.[/quote]

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