Me sorprendió ver que el receptor GPS con el que estoy trabajando tiene un pin reservado para emitir una señal de 1 PPS (pulso por segundo). ¿Cual es el punto de esto? ¿No puede el microcontrolador generar fácilmente su propia señal de 1 PPS?
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Respuestas:
La salida de 1 PPS tiene una fluctuación mucho menor que cualquier cosa que un MCU pueda hacer. En algunas aplicaciones más exigentes, puede usar ese pulso para medir las cosas con mucha precisión. Con algunos GPS de grado científico, esta salida de 1 PPS puede ser más precisa que 1 nS.
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A largo plazo, la señal de 1 Hz es probablemente el tiempo más preciso, y también la frecuencia, referencia que jamás encontrará.
Está efectivamente obteniendo algo así como una referencia de tiempo de reloj de cesio por el costo de un módulo GPS. Una ganga Puede comprar unidades comerciales de "oscilador disciplinado" y hay diseños disponibles para bricolaje. Una DO no está bloqueada en frecuencia per se, pero se activa suavemente mediante señales de error entre una señal de 1 H generada por relojes locales y GPS.
Osciladores disciplinados
Hora estándar en cualquier lugar Dicen:
Osciladores de cristal de cuarzo horneados Cuando un horno de control de temperatura simple (OCXO) o doble (DOCXO) se enrolla alrededor del cristal y su circuito oscilante, la estabilidad de frecuencia puede mejorarse de dos a cuatro órdenes de magnitud en relación con la del TCXO. Dichos osciladores se utilizan en aplicaciones de laboratorio y grado de comunicaciones y, a menudo, tienen los medios para ajustar su frecuencia de salida a través del control electrónico de frecuencia. De esta manera, pueden ser "disciplinados" para que coincidan con la frecuencia de un receptor de referencia GPS o Loran-C.
Los DOCXO disciplinados con GPS son las fuentes de referencia primaria (PRS) de Stratum I para muchos de los sistemas de telecomunicaciones por cable del mundo. También se implementan ampliamente como referencias de tiempo y frecuencia GPS para las estaciones base que operan bajo el estándar IS-95 para los sistemas de telefonía móvil de acceso múltiple por división de código (CDMA) originados por Qualcomm. El gran volumen de estas aplicaciones de estación base ha afectado profundamente al mercado OCXO al reducir los precios y consolidar a los proveedores.
Súper simple hacer bricolaje
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Rastreador UTC
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La respuesta de @ DavidKessner está en línea con lo que voy a decir, pero quería dar más detalles, y esto es un poco más que un comentario.
Esta salida podría usarse, por ejemplo, para activar la MCU (desde un modo de reposo profundo) una vez por segundo (hasta dentro de un par de nano segundos) en una aplicación en la que le preocupaba que la MCU hiciera algo en un segundo en particular, con gran precisión .
Una MCU también podría usar esta señal para calcular su propia precisión de temporización y compensarla en el software. Por lo tanto, la MCU podría "medir" la duración del pulso y asumir que es un intervalo de 1s "perfecto". Al hacerlo, podría determinar efectivamente el tiempo de estiramiento o compresión que está experimentando, por ejemplo, debido a los efectos de la temperatura en su cristal o lo que sea, y aplicar ese factor de tiempo a cualquier medición que esté tomando.
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Después de haber diseñado OCXO resistente para entornos de cohetes hostiles y rastrear estaciones meteorológicas flotantes antes del GPS ... en realidad, después de que se lanzó el primer GPS (GOES 1), trae buenos recuerdos.
La importancia de la estabilidad depende de las interrupciones y la cantidad de errores que puede tolerar durante la interrupción o LOS (pérdida de señal), así como el tiempo de captura. Cuando multiplica f por N por el divisor PLL, también multiplica el error de fase. Por lo tanto, es esencial minimizar la deriva y el ruido de fase.
En mi OCXO elegí 10MHz para el OCXO, 100KHz para la telemetría de subportadora FM del cohete y 10KHz para la estación terrestre del mezclador para rastrear la posición del cohete. El rango para el recorrido del vehículo es simplemente la diferencia de fase usando la diferencia de frecuencia y fase de la subportadora de telemetría y la estación terrestre en la f elegida con Δλ = c / f con Δposition = Δλ + cuenta de ciclos. El error de frecuencia representa la velocidad como en la velocidad del radar. Por lo tanto, con un reloj de 1 PPS (1Hz) puede admitir un amplio rango e intervalo de tiempo sin saltos de ciclo o cuenta con una diferencia de fase precisa. Tenga en cuenta que un salto de ciclo en el error de fase podría ser N ciclos, lo que significa ambigüedad del error acumulado ... suponiendo que el error LOS sea importante.
La redundancia es clave para la confiabilidad si tiene la opción y la clasificación de las fuentes de los relojes Stratum 1,2 y 3 en caso de interrupción. Las redes de alta velocidad síncronas de telecomunicaciones dependen de relojes precisos al igual que las radios con licencia. Las redes utilizan el registro inteligente de errores para clasificar las referencias de las fuentes de reloj Stratum.
Por supuesto, eso requiere una gran diligencia en el diseño de su DO. Volúmenes de libros sobre estándares definen estas reglas.
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Creo que debe leer la unidad que tiene (ya que algunas son diferentes), pero supongo que debe usarse como sincronización de tiempo. Es decir, recibe un mensaje que dice que el próximo Pulse llegará en timeInUTC.
"El GPSClock 200 tiene una salida RS-232 que proporciona códigos de tiempo NMEA y una señal de salida PPS. Aproximadamente medio segundo antes, emite el tiempo del siguiente pulso PPS en formato GPRMC o GPZDA. Dentro de un microsegundo del comienzo del segundo UTC, eleva la salida de PPS durante unos 500 ms ".
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Si bien un receptor GPS puede enviar una marca de tiempo completa aguas arriba (a través de NMEA, etc.), la cantidad de tiempo que le tomaría a la marca de tiempo llegar al host haría que la marca de tiempo sea inexacta. Una señal de 1PPS es el equivalente del receptor GPS "en el tono, el tiempo será doce treinta y tres y 35 segundos ... [pitido]". La suposición aquí es que el reloj del host puede permanecer preciso durante 1 segundo, y cada segundo obtiene una corrección a través del 1PPS.
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Me gusta la respuesta de "PV Subramanian" como ir al grano. Este es precisamente el propósito típico de 1 PPS. Proporcione una ventaja precisa de 1 segundo, para aumentar un bloque de información de "hora del día" completo recibido por algunos medios menos precisos (línea serie asíncrona, típicamente).
Hablando de osciladores, parece que en el comercio de "estándares de tiempo" y GPS, 10 MHz es una opción muy popular. Y, los osciladores locales en los receptores GPS se pueden dividir aproximadamente en dos categorías: los que dan como resultado una relación precisa de 1: 10000000 entre la salida de 10MHz y PPS (fase sincrónica) y aquellos en los que la salida de PPS exhibe ajustes paso a paso (omisión / inserción tics de la base de tiempo de 10 MHz). Los osciladores de cristal "sincrónicos" son más precisos y son necesarios para algunos fines. También requieren "control del horno" (OCXO), que consume algo de energía adicional. No es bueno para dispositivos alimentados por batería, excelente para uso de cronometraje estacionario. Los osciladores "omitidos" son lo suficientemente buenos para el uso básico de posicionamiento y son más baratos, así que esto es lo que obtienes en los módulos receptores de GPS más baratos.
Para el control PLL de algunos osciladores de cristal externos, los bordes de 1 PPS quizás estén bastante separados, necesitaría un tiempo de integración bastante largo en el servo loop PLL. Una fuente de señal de 10 MHz de buena calidad le permitirá lograr un buen bloqueo mucho más rápido. Pero la trampa es - "buena calidad". Véase más arriba. Aparte de eso, 1PPS es lo suficientemente bueno como para disciplinar la base de tiempo del sistema de algunos SO o NTPd que se ejecutan en el hardware de la PC.
Como otros han dicho, la salida de 1PPS de un receptor GPS se deriva de un oscilador de cristal local, marcando el interior del receptor. Por lo general, esto solía ser un cristal de 10 MHz. Este oscilador de cristal local es realmente un VCO, lo que permite pequeños ajustes en su frecuencia de reloj real. Esta entrada VCO se utiliza para el control de bucle cerrado (estilo de retroalimentación negativa), donde la señal GPS de un puñado de satélites (combinados) sirve como referencia. El bloque de función en un receptor GPS, que hace la decodificación de los "espaguetis codificados" de flujos de bits pseudoaleatorios en una portadora compartida, con niveles de señal variados y cambios doppler, este bloque se llama "correlacionador". Utiliza algunos cálculos numéricos intensos para encontrar una "solución" óptima para el "problema" de posición y tiempo, en función de las señales de radio recibidas, comparándolos con la base de tiempo local, y evalúa continuamente un pequeño error / desviación entre la recepción de radio y el cristal local, que retroalimenta a la entrada VCO del cristal ... por lo tanto, control de bucle cerrado. Desde la perspectiva del tiempo, el correlacionador del receptor GPS es simplemente una cosa de comparación PLL extremadamente compleja :-)
Otros han mencionado Symmetricom y TimeTools ... Meinberg Funkuhren tiene una buena tabla de los osciladores que ofrecen, que contiene todos los parámetros de precisión imaginables: https://www.meinbergglobal.com/english/specs/gpsopt.htm Tenga en cuenta que las precisiones citadas son Probablemente todavía estimaciones conservadoras / pesimistas.
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Todas las respuestas existentes hablan sobre aplicaciones de temporización de precisión; Solo quiero señalar que la señal de 1 pps también es importante para la navegación, especialmente cuando el receptor está en movimiento.
El receptor tarda un tiempo en calcular cada solución de navegación y un tiempo adicional para formatear esa solución en uno o más mensajes y transmitirlos a través de algún tipo de enlace de comunicación (generalmente en serie). Esto significa que para cuando el resto del sistema pueda hacer uso de la información, ya está "desactualizada" en varios cientos de milisegundos.
La mayoría de las aplicaciones de aficionados de baja precisión ignoran este detalle, pero en una aplicación de precisión que podría estar viajando a una velocidad de 30 a 100 metros / segundo, esto introduce muchos metros de error, lo que la convierte en la fuente dominante de error total.
El propósito de la salida de 1 pps es indicar exactamente cuándo la posición indicada en los mensajes de navegación era válida, lo que permite que el software de la aplicación compense el retraso de la comunicación. Esto es particularmente importante en los sistemas híbridos GPS inerciales, en los que los sensores MEMS se utilizan para proporcionar soluciones de navegación interpoladas a altas frecuencias de muestreo (cientos de hercios).
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Utilizamos la salida 1PPS generada por los receptores GPS para proporcionar una hora muy precisa para los servidores de tiempo de red NTP del estrato 1. El 1PPS se genera al comienzo de cada segundo y, en el caso de muchos receptores, tiene una precisión de unos pocos nanosegundos del tiempo UTC. Algunos receptores de GPS no son tan buenos para proporcionar tiempo, ya que la salida de tiempo en serie asociada puede 'vagar' a cada lado de la salida de pulso prevista. Esto efectivamente genera periódicamente un desplazamiento de un segundo.
La salida de 1PPS también se puede usar para disciplinar a los osciladores basados en OCXO o TCXO para proporcionar retención en caso de pérdida de señales GPS. El siguiente enlace proporciona más información sobre el uso del GPS en referencias de tiempo:
http://www.timetools.co.uk/2013/07/23/timetools-gps-ntp-servers/
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1 señal PPM se utiliza para fines de sincronización. Supongamos que tiene dos dispositivos ubicados a una distancia lejana y desea generar pulsos de reloj en ambos dispositivos que se inician exactamente al mismo tiempo, ¿qué puede hacer? Aquí es donde se usa esta señal de 1 PPM. El módulo GPS da pulsos con una precisión de 1ns en todo el mundo.
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