XBee模块配合GPS钟在井间探测时间同步技术的设计

西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室 王添翼

1.引言

时间是物理学的基本单位之一，它也是物质存在的基本形式之一，既所谓四维时空坐标的第四维。由于两井之间的地下介质复杂，一口井发射电磁波信号和另一口接收信号在井间探测过程中，如果缺少时间这个参量，去分析地层特性，那么将变得非常困难，所以提高信号的时间同步的精度，对于分析地层特性来说，是十分有意义的。本文以应用为向导，研究基于GPS的低成本实时性的高精度时间同步系统在探测井间剩余油的应用。

在地球物理探测领域，通常采用同步技术有三种，GPS卫星导航定位系统是美国国防部的卫星导航定位系统。GPS不但可以用来精密定位，还可以用来精密定时，GPS提供的高精度系统信号，其精度可以达到10-12到10-13量级。这样的精度在许多的实际应用中都能达到要求。

2.GPS授时原理

GPS时间系统是由GPS系统定义和使用的时间系统。卫星定位系统以时间为基本观测量，由于卫星高速飞行，因此，要求时间系统必须十分精确，否则，就会带来很大的距离误差。GPS时间系统以原子频率标准作为时间基准[5]，以1980年1月6日0时作为起点。它不存在跳秒，它的时间与协调时秒以下的差异可以保持在100μS内，并定期公布误差，在星历文件中发布的卫星钟差就是相对GPS时间系统的钟差。GPS接收机每秒发生时刻输出脉冲信号，即秒脉冲PPS，并在稍后(约0.5s)，通过串行通信端口发送该秒时刻的国际标准时间(时、分、秒数值)和当前GPS接收机天线的地理定位信息[6]。利用GPS秒脉冲和绝对时标(串行通信数据信号)定时对传感器节点进行同步触发。GPS接收机稳定接收卫星信号后，秒脉冲信号的边沿时刻与标准时间的秒时刻定时误差小于40ns。若定义GPS接收机给出的秒脉冲时刻与标准时钟的偏差为定时偏差，定义GPS接收机输出的秒脉冲周期的起伏程度为定时稳定度，则GPS接收机产品的定时偏差指标和定时稳定度典型值通常40ns。换言之，GPS接收机的输出可作为时间基准应用于同步控制装置，一般均可以满足实验数据同步的要求。

3.系统构成与硬件软件实现

3.1 XBEE Pro性能特点

XBEE Pro模块设计满足IEEE 802 15.4标准，工作频率2.4GHz。作为一种新兴的中距离、低速率的无线模块，在这个领域里得到了广泛关注和应用。该模块体积小，功耗低，传输距离最大可达到1500m(室外)，接口简单，容易使用。

XBEE Pro模块的基本性能参数如下：发射功率1mW，接收灵敏度-92dBM，RF传输速率250Kbit/s；在3.3v电源下，发送的电流45mA，接收电流50mA。

XBee Pro模块可以通过UART接口直接与控制器的UART接口相连，硬件接口简单实用。图1给出了Microchip公司的微控制器PIC16F887与XBee Pro的连接方法。除了将控制器和XBee Pro的UART发送和接收互连之外，用控制器的PORTC的第0个引脚RC0控制XBee Pro的SLEEP_RQ信号，可以在需要时控制XBee Pro模块进入睡眠模式。由于没有使用硬件流程控制，为了防止缓冲器溢出，在进行模块参数配置时必须使UART接口的传输速率小于XBee Pro模块的数据传输速率。

图1 PIC16F887与XBee Pro的连接方法

3.2 GPS接收模块

GPS作为系统的一部分，它必须满足体积小、能耗低、可靠性高、授时精度高、数据更新频率快等基本工作要求。在本系统的设计中采用的GPS模块是Stsail公司生产的H-8123定位授时模块，H-8123在仅为25.0×28.0×7.5mm大小的模块上融合了高灵敏度、低功耗等特点。该模块采用16并行跟踪通道设计，接收来自L1波段的C/A码信息，跟踪灵敏度达-160dBm，将定位和授时范围扩展到传统GPS接收机不能覆盖的地方。数据最大更新频率为5Hz，热启动时间小于1s，冷启动时间小于32s，重新捕获时间小于1s，且动态性能达到515m/s，工作电压范围为3.5g～5.25V。该模块具有很高的授时精度，1PPS脉冲的上升沿表示同步准确时刻，其均方根误差为50ns，99%小于100ns，粒度为43ns，在GPS接收机取得有效导航解后，通过串口默认输出按照美国国家海洋电子协会的NEMA 0183 ASCⅡ码接口编码的数据[7]，其中包含1PPS同步脉冲的UTC时刻，如图2所示。

图2 1PPS与 UTC时刻关系图

图3 系统硬件组成图

3.3 系统组成原理

本系统使用由Stsail公司生产的H-8123定位授时模块，它采用U-blox公司生产的G6010主芯片，授时误差〈30μS，主控MCU采用PIC16f877，无线模块采用zigbee技术的XBEE模块。本系统工作原理：单片机实时接收GPS的时间信号，当有触发信号经过AD模块进入单片机，单片机进入中断程序，将时间信息和触发信号的幅值与周期进行二次编码，生成数据包，发射端由XBEE无线发射模块将此数据包进行透传，发送给接收端XBEE模块，接收端单片机接收到数据包后进行解码。通过串口上传给上位机程序予以显示。如图3所示。

3.4 软件实现

在MCU收到触发信号时，MCU将对触发信号进行分析，并将此时刻的GPS的时间信号提取出来，进行编码，通过无线模块发送与接收，并在上位机予以显示。具体程序流程图如图4所示。

图4 工作流程

4.实验结果

通过实验发现。在此机制上建立的时间同步实现方法。通过示波器观察，系统实验误差小于〈25μS。能够满足井间探测同步要求。

5.结论

本文在无线传感器通过GPS时间定位系统中，通过只在发射端嵌入一个GPS接收机，运用GPS的授时原理，利用GPS的秒脉冲和绝对时标，采用无线透传方式对接收传感器节点进行同步触发、时钟校准、同步采集并存储采集时刻的时间，从而在时钟校准的基础上，达到理想的同步采集误差15μS左右，采用这种设计不但可以克服通过电缆同步的地理障碍，而且，提高了实验的智能化，提高了测试的准确性。

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