Fiquei surpreso ao ver que o receptor GPS com o qual estou trabalhando tem um pino reservado para emitir um sinal de 1 PPS (pulso por segundo). Qual é o objetivo disso? O microcontrolador não pode gerar facilmente seu próprio sinal de 1 PPS?
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Respostas:
A saída de 1 PPS tem um jitter muito menor do que qualquer coisa que um MCU possa fazer. Em algumas aplicações mais exigentes, você pode usar esse pulso para cronometrar as coisas com muita precisão. Com alguns GPSs de nível científico, essa saída de 1 PPS pode ter uma precisão melhor que 1 nS.
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A longo prazo, o sinal de 1 Hz é provavelmente o tempo mais preciso e também a referência de frequência que você encontrará.
Você está efetivamente obtendo algo como uma referência de hora do relógio de césio pelo custo de um módulo GPS. Uma barganha. Você pode comprar unidades comerciais de "oscilador disciplinado" e modelos para bricolage estão disponíveis. Um DO não é bloqueado com frequência por si só, mas é suavemente acionado por sinais de erro entre um sinal de 1 H gerado por relógios locais e GPS.
Osciladores disciplinados
Hora padrão em qualquer lugar Eles dizem -
Osciladores de cristal de quartzo com forno Quando um forno de controle de temperatura simples (OCXO) ou duplo (DOCXO) é enrolado em torno do cristal e de seus circuitos oscilantes, a estabilidade da frequência pode ser melhorada de duas a quatro ordens de magnitude em relação à do TCXO. Esses osciladores são usados em aplicações de laboratório e de comunicação e geralmente têm os meios para ajustar sua frequência de saída via controle eletrônico de frequência. Dessa forma, eles podem ser "disciplinados" para corresponder à frequência de um receptor de referência GPS ou Loran-C.
Os DOCXOs disciplinados em GPS são as fontes de referência primária (PRS) do Stratum I para muitos dos sistemas de telecomunicações com fio do mundo. Eles também são amplamente implementados como referências de tempo e frequência de GPS para as estações de base que operam sob o padrão IS-95 para os sistemas de telefonia celular CDMA (Code Division Multiple Access) originados pela Qualcomm. O grande volume desses aplicativos de base afetou profundamente o mercado da OCXO, reduzindo os preços e consolidando os fornecedores.
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A resposta de @ DavidKessner está alinhada com o que estou prestes a dizer, mas eu queria elaborar, e isso é um pouco mais do que um comentário.
Essa saída pode ser usada para, por exemplo, ativar o MCU (a partir de um modo de suspensão profunda) uma vez por segundo (em alguns nanossegundos) em um aplicativo em que você se importa com o MCU fazendo algo em um segundo específico, com grande precisão .
Um MCU também pode usar esse sinal para calcular sua própria precisão de tempo e compensá-lo em software. Portanto, o MCU poderia "medir" a duração do pulso e assumir que esse é um intervalo de 1s "perfeito". Ao fazer isso, ele poderia determinar efetivamente o tempo de alongamento ou compressão que está ocorrendo, por exemplo, devido aos efeitos da temperatura em seu cristal ou o que quer que seja, e aplicar esse fator de tempo a quaisquer medições que estiver sendo realizada.
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Tendo projetado o OCXO robusto para ambientes hostis com foguetes e rastreando estações meteorológicas flutuantes antes do GPS ... na verdade, depois que apenas o 1º GPS (GOES 1) foi lançado, ele traz boas lembranças.
A importância da estabilidade depende de interrupções e quanto erro você pode tolerar durante uma interrupção ou perda de sinal (LOS), bem como o tempo de captura. Ao multiplicar f por N pelo divisor PLL, você também multiplica o erro de fase. Portanto, é essencial ter o cuidado de minimizar o desvio e o ruído de fase.
No meu OCXO, escolhi 10MHz para o OCXO, 100KHz para a telemetria de subportadora FM do foguete e 10KHz para a estação terrestre de mixagem para rastrear a posição do foguete. O alcance do deslocamento do veículo é simplesmente a diferença de fase, usando a diferença de frequência e fase da subportadora de telemetria e da estação terrestre no f escolhido com Δλ = c / f com Δposition = Δλ + contagens do ciclo. O erro de frequência representa a velocidade como na velocidade do radar. Portanto, com um relógio de 1 PPS (1 Hz), você pode suportar uma ampla faixa e intervalo de tempo sem ignorar o ciclo ou contar com uma diferença de fase precisa. Observe que um erro de fase de salto de fase pode ser N ciclos, o que significa ambiguidade do erro acumulado. Supondo que o erro de LOS seja importante.
A redundância é essencial para a confiabilidade se você tiver escolha e classificação de fontes dos relógios Stratum 1,2 e 3 em caso de interrupção. As redes síncronas de alta velocidade para telecomunicações dependem de relógios precisos, assim como rádios licenciados. As redes usam o registro de erros inteligente para referências de classificação das fontes de relógio do Stratum.
É claro que isso exige muita diligência no design do seu DO. Volumes de livros sobre padrões definem essas regras.
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Eu acho que você precisa ler a unidade que você possui (como algumas são diferentes), mas acho que ela deve ser usada como uma sincronização de tempo. Ou seja, você recebe uma mensagem dizendo que o próximo Pulse virá no timeInUTC.
"O GPSClock 200 possui uma saída RS-232 que fornece códigos de tempo NMEA e um sinal de saída PPS. Cerca de meio segundo antes, emite o tempo do próximo pulso PPS no formato GPRMC ou GPZDA. Dentro de um microssegundo do início do segundo UTC, aumenta a saída do PPS por cerca de 500 ms ".
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Enquanto um receptor GPS pode enviar um registro de data e hora completo a montante (via NMEA etc.), a quantidade de tempo que levaria para que o registro de data e hora chegasse ao host tornaria o registro de data e hora impreciso. Um sinal de 1PPS é o receptor GPS equivalente a "no tom em que o tempo será de doze trinta e três e 35 segundos ... [bip]". A suposição aqui é que o relógio do host pode permanecer preciso por 1 segundo e a cada segundo ele recebe uma correção via 1PPS.
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Eu gosto da resposta de "PV Subramanian" como sendo o ponto. Esse é precisamente o objetivo típico de 1 PPS. Forneça uma borda precisa de 1 segundo para aumentar um bloco de informações completo da "hora do dia" recebido por alguns meios menos precisos (linha serial assíncrona, normalmente).
Falando em osciladores, parece que no comércio de "padrões de tempo" e GPS, 10 MHz é uma escolha muito popular. E os osciladores locais nos receptores de GPS podem ser divididos em duas categorias: aqueles que resultam em uma proporção de 1: 10000000 precisamente entre a saída de 10 MHz e o PPS (fase síncrona) e aqueles em que a saída do PPS exibe ajustes passo a passo (pular / inserir) ticks da base de tempo de 10 MHz). Os osciladores de cristal "síncronos" são mais precisos e são necessários para alguns propósitos. Eles também exigem "controle do forno" (OCXO), que consome um pouco de energia extra. Não é bom para dispositivos alimentados por bateria, excelente para uso de cronometragem estacionária. Os osciladores "pulando" são bons o suficiente para o uso básico de posicionamento e são mais baratos, então é isso que você obtém nos módulos receptores GPS mais baratos.
Para o controle PLL de algum oscilador de cristal externo, as bordas de 1 PPS talvez estejam espaçadas um pouco, você precisaria de um tempo de integração bastante longo no loop servo PLL. Uma fonte de sinal de 10 MHz de boa qualidade permitirá obter um bom bloqueio muito mais rapidamente. Mas o problema é - "boa qualidade". Veja acima. Fora isso, o 1PPS certamente é bom o suficiente para disciplinar a base de tempo do sistema de alguns sistemas operacionais ou NTPd em execução no hardware do PC.
Como já foi dito, a saída de 1PPS de um receptor GPS é derivada de um oscilador de cristal local, funcionando dentro do receptor. Normalmente, isso costumava ser um cristal de 10 MHz. Este oscilador de cristal local é realmente um VCO, permitindo pequenos ajustes em sua taxa de clock real. Essa entrada do VCO é usada para controle de malha fechada (estilo de feedback negativo), onde o sinal GPS de vários satélites (combinados) serve como referência. O bloco de função em um receptor GPS, que faz a decodificação do "espaguete mexido" de fluxos de bits pseudoaleatórios em uma operadora compartilhada, com níveis de sinal variados e mudanças no doppler, esse bloco é chamado de "correlacionador". Ele usa um número pesado de trituração para encontrar uma "solução" ideal para o "problema" de posição e tempo, com base nos sinais de rádio recebidos, comparando-os com a base de tempo local - e avalia continuamente um pequeno erro / desvio entre a recepção de rádio e o cristal local, que retorna à entrada de VCO do cristal ... portanto, controle em circuito fechado. Da perspectiva do tempo, o correlator do receptor GPS é apenas uma coisa extremamente complexa de comparador de PLL :-)
Outros mencionaram Symmetricom e TimeTools ... O Meinberg Funkuhren possui uma boa tabela dos osciladores que eles oferecem, contendo todos os parâmetros de precisão possíveis: https://www.meinbergglobal.com/english/specs/gpsopt.htm Observe que as precisões citadas são provavelmente ainda estimativas conservadoras / pessimistas.
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Todas as respostas existentes falam sobre aplicativos de sincronização de precisão; Eu só quero salientar que o sinal de 1 pps também é importante para a navegação - principalmente quando o receptor está em movimento.
Leva um tempo para o receptor calcular cada solução de navegação e um tempo adicional para formatar essa solução em uma ou mais mensagens e transmiti-las por algum tipo de link de comunicação (geralmente em série). Isso significa que, no momento em que o restante do sistema pode usar as informações, ele já está "desatualizado" em talvez centenas de milissegundos.
A maioria dos aplicativos amadores de baixa precisão ignora esse detalhe, mas em um aplicativo de precisão que pode estar viajando de 30 a 100 metros / segundo, isso introduz muitos metros de erro, tornando-o a fonte dominante de erro total.
O objetivo da saída de 1 pps é indicar exatamente quando a posição indicada na (s) mensagem (s) de navegação foi válida, o que permite ao software aplicativo compensar o atraso na comunicação. Isso é particularmente importante em sistemas híbridos de GPS inercial, nos quais os sensores MEMS são usados para fornecer soluções de navegação interpoladas a altas taxas de amostragem (centenas de Hertz).
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Usamos a saída 1PPS gerada pelos receptores GPS para fornecer um tempo muito preciso para os servidores de horário de rede NTP do estrato 1. O 1PPS é gerado no início de cada segundo e, no caso de muitos receptores, é preciso dentro de alguns nanossegundos da hora UTC. Alguns receptores de GPS não são tão bons em fornecer tempo, pois a saída de tempo serial associada pode 'vagar' em cada lado da saída de pulso pretendida. Isso efetivamente gera periodicamente um deslocamento de um segundo.
A saída de 1PPS também pode ser usada para disciplinar os osciladores baseados em OCXO ou TCXO para fornecer manutenção em caso de perda de sinais de GPS. O link abaixo fornece mais algumas informações sobre o uso de GPS em referências de tempo:
http://www.timetools.co.uk/2013/07/23/timetools-gps-ntp-servers/
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1 sinal PPM é usado para fins de sincronização. Suponha que você tenha dois dispositivos localizados à distância e que deseja gerar pulsos de clock nos dois dispositivos que iniciem exatamente ao mesmo tempo, o que você pode fazer? É aqui que este sinal de 1 PPM é usado. O módulo GPS fornece pulsos com uma precisão de 1ns em todo o mundo.
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