摘要：介绍了基于GPS的时钟同步PC卡的研制及其应用。基于GPS技术，利用W77E58单片机、ISA总线、PC机BIOS时钟中断和程序常驻内存技术，成功地解决了在不影响原系统正常运行的情况下，利用GPS时间来同步不同系统时钟这一技术难题。
　　
　　0引言
　　
　　我国自20世纪80年代中、后期引进分布式控制系统（DCS）技术并在火电厂的单元机组控制中应用以来，经过数十年的发展，目前DCS已在火电厂的单元机组控制中得到广泛应用，极大地提高了火电厂的自动化水平。汽轮机数字式电液调节系统（DEH）是汽轮发电机组实时控制系统，是汽轮机启动、停止、正常运行和事故工况下的调节控制器。
　　
　　目前，许多正在火电厂中应用的DCS，DEH等实时控制系统大多是多年前开发的，其应用系统的时钟大多是基于各自的系统时钟，因此，不同系统的时钟是不同步的。这对于需要进行同步数据采集、利用事故追忆系统（SOE）来进行测量以及分析事故原因的火电厂自动化系统来说是不能容忍的。为了减少时间误差，经常采用的方法是人工对时，这种方法既费力又不能从根本上消除时间误差。采用卫星定位系统（GPS）技术是解决时钟同步问题的*手段。
　　
　　1利用GPS实施时钟同步的方法
　　
　　利用GPS实施时钟同步的方法主要有两种：一种是在开发应用系统时，事先已根据系统要求，将GPS与应用系统的电路设计有机地结合起来，例如基于GPS的时间同步数据采集系统等[1]；另一种是设计时由于条件所限，没有采用GPS技术，而是直接利用各自操作系统的内部时钟，因此系统的各部分时钟是不同步的。
　　
　　对于后一种情形，可采用GPS技术来同步系统的各部分时钟。方法有两种：①采用纯软件方法，即利用PC机的串行口对原系统编写接收GPS时间信息的“补丁”程序来实施同步。当然，用DOS或Windows的多任务进程方法不难实现“i。需要指出的是，这种方法不仅要占用PC机系统的一个串行口，而且不适用于实时控制系统，因为完整地接收GPS导航信息需近1s时间。②采用软硬件结合方法，既不占用PC机系统的串行口资源，也丝毫不影响原系统的正常运行。这正是本文的设计思想。
　　
　　2基于GPS的时钟同步PC卡的研制
　　
　　基于GPS的时钟同步PC卡硬件电路原理如图1所示。图中虚线左边为CPU（W77E58单片机）接收GPS时间的电路，右边为改写PC机实时钟和系统时钟的电路。
　　
　　为了避免PC机在读／写双口RAM中的GPS时间时对PC机原有应用系统程序的运行造成影响，同时又不影响该PC卡对系统时间的实时更新，PC机侧的GPS时间接收与改写时钟程序应常驻内存[2]。采用ROM-BIOS中的时钟中断程序（1AH）来实时改写PC时钟是该PC卡设计的关键技术。常驻内存的时钟中断程序固化在卡上的ROM（27C128）中。
　　
　　PC卡对外有两种接口：一种是已解码的GPS时间接口，每秒向串口发1帧（18B）已解码的GPS时间，采用RS-485接口；另一种是未解码的GPS时间，采用RS-232接口。
　　
　　3GPS同步时钟的应用
　　
　　某火电厂12号300MW机组的DEH为新华电站公司产品，其结构如图2所示。该机组的DCS为贝利公司研制的INFI-90系统，其结构如图3所示。该机组SOE的时间取自INFI-90系统的环路时间。　　
　　3．1目前存在的问题
　　
　　以上DEH，DCS和SOE的时间分别取自各自的操作系统或环路，因而各系统的时钟是不同步的，zui大时间误差曾达几十分钟，这给故障情况下分析事故原因带来了很大的困难。为了减小时间误差，目前采用的方法是：每隔一定时间由系统工程师将标准时间输入各自操作系统，每天的同步误差在几秒以上。
　　
　　3．2改造的基本思路与技术方案
　　
　　本次系统改造只涉及INFI-90系统，对原有DEH不做任何改造，但同时要求解决各系统的时钟同步问题。问题的关键是如何在不对DEH做任何改造的情况下利用GPS来同步其时钟。
　　
　　通过对DEH的分析得知，其系统时间来自工程师站的DOS时钟。采用ROM-BIOS中的时钟中断程序来实时地改写PC时钟是本PC卡设计的关键技术。该程序固化在PC卡中，系统启动后即常驻内存。
　　
　　INFI-90系统在改造时，多功能处理器（MFP）可利用RS-485接口接受PC卡送来的GPS时间。SOE时间来自INFI-90系统的环路时间，INFI-90系统与GPS时间同步后，SOE时间自然也就与GPS时间同步。
　　
　　3．3软硬件接口
　　
　　GPS的PC卡插在DEH工程师站的工控机ISA槽上，如图2所示。因BIOS的实时钟中断为18．2次／s，PC卡上已固化的BIOS时钟中断驻留程序每55ms将DEH的实时钟与系统时钟更新一次。对时工作是PC卡自动完成的，与DEH无关。
　　
　　图3所示的INFI-90系统利用RS-485串行口，以9．6kbit／s的速率，每秒从GPS的PC卡的RS-485接口读取已解码的GPS时间信息（由同步字、年、月、日、时、分、秒及校验字等18个字节构成），实时更新本系统的时钟。
　　
　　SOE则通过接受INFI-90系统环形网络上采用接力棒的存储转发式通信协议发送的GPS时间来同步，详细的信息格式参见文献[3].
　　
　　3．4改造后时钟同步的效果
　　
　　改造后的DEH，DCS和SOE实现了与GPS的数据通信，使DEH时钟与DCS，SOE及其他控制系统保持同步，以利于事故状态下历史数据在时间上的统一，有利于事故分析。利用GPS的PC卡在不影响原系统（DEH）正常工作的基础上，达到了使以上3个系统时钟同步的目的，各系统间的时间误差在几十微秒以内。
　　
　　4结语
　　
　　本文介绍了基于GPS的时钟同步PC卡的设计及其在火电厂自动化系统改造中的应用。基于GPS技术，采用BIOS时钟中断和程序常驻内存技术，成功地解决了在不影响原系统正常运行的情况下，利用GPS时钟来同步不同系统时间这一技术难题。
　　
　　实践证明，本文提出的GPS的PC卡电路设计是正确的，火电厂自动化系统时钟同步改造的设计思想和技术方案是成功的。该GPS的PC卡在电力系统时钟同步应用中具有良好的应用前景。