ＧＰＳモジュール　AE-GYSFDMAXB　の、１ＰＰＳ出力を調査

２０１６．８．３０　回路ソースなど追加>

　経過時間や時刻を、複数のスタンドアローン装置間（電池駆動）で高精度に合わせるには、精度の高い水晶発信器でマイコンを動作させ、有線接続で同期を取って、後は水晶の精度での誤差で動作させ、あとからあらかじめ測定しておいた固体差で補正するという方法が手ごろなのですが、使い始めに同期を取るという作業が必要になるので、離れた場所ではそもそも同期を取るという作業を行えないので、なんらかの時刻合わせが必要になってきます。電波時計という方法もありますが、こちらは１ｍｓ以内なんて精度は無理なようです。

　そこで、ＧＰＳモジュールを使うと、これがいとも簡単に行えるようになることが、最近になって気付き、早速確認してみることにしました。使用したＧＰＳモジュールは、秋月電子通商から入手できる、AE-GYSFDMAXB です。ここで、１ＰＰＳ出力付きというスペックが重要で、この１秒に１回のパルスは、ＧＰＳモジュールが衛星を補足して位置計測をしている状態になると、各モジュール間で、高精度に（カタログ値では、±０．０１ ppm 。）同期がとれているのです。この精度は、１秒にたいして±１０ｎｓの誤差で、１００秒たっても差は１００倍にはならず、±１０ｎｓです。無論、±１０ｎｓは、電波状態が良い場合と思われ、鉄筋建造物の中ではもっと誤差が大きくなると思います。
　とりあえず、２台のＰＧＳモジュールを窓際で動作させ、１ＰＰＳ出力信号をオシロで観察すると以下のようになりました。１ＰＰＳの信号の差は、５ｎｓとなっていますが、観察していると、２０ｎｓほど前後にずれるようです。図の左は、ＧＰＳモジュールの購入先にあった、MiniGPS です。秋月電子通称

２台のＧＰＳモジュール、AE-GYSFDMAXB　を動作させ、差を記録

　２台のＧＰＳモジュールの１ＰＰＳ信号を正確な１００ＭＨｚでインターバルを計測します。正確な１００ＭＨｚのクロックは、ＦＰＧＡの評価基板のものではなく、温度補償機能付きの水晶発信器（ＴＣＸＯ）のクロックとします。１００ＭＨｚのものは入手できないので、１０ＭＨｚの発信器の信号をＦＰＧＡ内のクロックマネージャー、ＭＭＣＭを使って１００ＭＨｚとします。
　装置のブロック図は以下のようになります。ＦＰＧＡは、Artix7 を使った、Digilent のＡＲＴＹです。
こちらが→　回路のソース、 bit, bin ファイルです。
ここには、ファームウエアのソース、コンパイル用 makefile を含みます。フォルダは、gpstest3.srcs\new\15artycmb です。

　１ＰＰＳの信号の周期を１００ＭＨｚでカウントし、信号の立下りでラッチして同時にクリアします。このとき、ラッチしたカウント値のＬＳＢ８ビットを、８ビット個別に書けるメモリに記録して、あとからＣＰＵで読み出します。記録数は、４０９６なので、１時間以上の記録ができます。カウント値はほとんど変化しない値になるので、ＬＳＢ４ビットでも十分と思われます。実際記録すると、３２ビットのレジスタに、０ｘ０５Ｆ５Ｅ０ＣＣを中心として、±１以内にほとんど収まります。この値は、十進で、９９９９９９４８　となり、ＧＰＳモジュールが出す１ＰＰＳが正確な１秒だとすると、ＴＣＸＯの周波数は、９．９９９９９４８ＭＨｚと解釈できます。公称１０ＭＨｚに対して、５．２Ｈｚの誤差なので、０．５２ｐｐｍの誤差です。使っているＴＣＸＯは、秋月電子通商から入手した、セイコーエプソンの、TG-5021CE-10N　です。周波数温度特性は、±２．０ ppm （　−３０℃　〜　８５℃　）で、他にも変動幅がありますが、±０．２ｐｐｍほどですから、仕様を十分満足していると言えます。ちなみに、１００ＭＨｚのクロックを、ＦＰＧＡ評価基板内臓の水晶に変えると、カウント数は、０ｘ０５Ｆ５ＤＤ８Ｂとなり、９９．９９９１１５ＭＨｚなので、８．８５ｐｐｍの誤差でした。

　ＴＣＸＯを実測した、５．２ｐｐｍの誤差は、１日では、０．０４５秒で、１日で４５ｍｓという正確さです。無論これは、ＧＰＳモジュールが正確に±１０ｎｓで１秒を出力しているという前提です。
　以下は、２４分間ほど記録を取り、２台の１ＰＰＳのインターバルの１００ＭＨｚカウント値を、ＬＳＢ　８ビットだけＣＳＶで抜き出し、グラフにしたものです。２０４がほぼ中心値で、これは、０ｘ０５Ｆ５Ｅ０ＣＣの、０ｘＣＣになります。ほとんどが、２０３〜２０５に収まっているのが判ります。たまに、２０２という値になっています。


　上のグラフでは、判りにくいので、２台の１ＰＰＳのインターバルを、１００秒間の平均の値にし、さらに、ＬＳＢ　８ビットではなく、全体の数値をグラフにすると、以下のようになりました。ここで、系列１、２が、２台のＧＰＳモジュールの意味で、ほぼ同時に変化しているところから、変化そのものは、ＴＣＸＯの周波数の変動であり、ほぼ同時に変化していることで、ＧＰＳモジュールの１ＰＰＳが正確に一致していると判断できます。グラフの縦軸の、９９９９９９４８．００００は、１０ＭＨｚの信号を１０倍した周波数に換算しており、実際は、９．９９９９９４８ＭＨｚになります。このグラフでの最大、最小は、１００ＭＨｚに対して０．３Ｈｚ変動していることになりますが、この変動が、ＴＣＸＯの周囲温度によるものなのか、電源電圧によるものなのか、不明ですが、ＧＰＳモジュールの１ＰＰＳ信号を用いると、微小な変動も観察できるようです。

２台のＧＰＳモジュールの１ＰＰＳ信号のインターバルを記録する回路

　正確さは、ＧＰＳの精度には劣りますが、何らかのできるだけ正確な測定用クロックとして、温度補償された、水晶発信器を用いますが、秋月電子通商で入手できたものは、セイコーエプソンの、TG-5021CE-10N　です。ただこの発信器の出力は、ＣＭＯＳレベルではなく、Ｐ−Ｐで最低０．９Ｖというものなので、そのままＦＰＧＡの端子に入力しても使えそうにないので、東芝のワンゲートＣＭＯＳ、ＬＭＯＳで、波形整形します。以下がその回路です。


　ＴＣＸＯの周波数が、１０ＭＨｚなので、そのままでは、１００ｎｓの確度でしか測れないので、Artix7 ＦＰＧＡ内のクロックマネージャ、ＭＭＣＭで１０倍にして、１００ＭＨｚでＬｏｗ，Ｈｉｇｈをサンプリングします。Artix7 なら、２００ＭＨｚ〜２５０ＭＨｚでもカウントでき、さらに、クロックの立ち上がりと立下りでサンプリングしたものを合成すれば、実質的には、４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚでの測定ができますが、とりあえず、１００ＭＨｚで行います。ＧＰＳの１ＰＰＳ信号を１００ＭＨｚでサンプリングしても、結局、１００ＭＨｚでのカウント値の変動は、１００ＭＨｚの正確さがどれほどなのかを測定することになります。つまり、ＴＣＸＯの方がＧＰＳの１ＰＰＳによって逆測定されるということです。
　このことは、ＧＰＳモジュールをドライヤーであたためてもカウント値はほとんど変化しないが、ＴＣＸＯを温めると、見る見る内に、カウント数が変化することで、確認できます。

以下は、２台のＧＰＳモジュールが衛星を補足して位置計測をして、記録を残しているＲＡＭを、ＣＳＶでダンプしたスクリーンショットです。

　上の図の例は、記録したＲＡＭの先頭を、０ｘＣ００２０００として、０ｘ２０バイト（２台のカウンタ値のＬＳＢ８ビットが１６ポイント）をＣＳＶでダンプさせたものです。一番上の　Custom MicroBlaze ARTY 2016.8.28-1　は、ＦＰＧＡ内に作成した、ＳｏＣの起動プロンプトです。
CBM-Bug>dgC002000,c002020　の、dg は、ＣＳＶでダンプする命令で、引数は、始まりアドレス、終りあドレスの２個で、 ',' で区切っています。ＣＳＶのデータの最初の数値は、先頭からの通し番号で、次が１台目、その次が２台目の、１ＰＰＳのインターバルを、１００ＭＨｚでカウントした値のＬＳＢ８ビットのみを１０進で表しています。

　ＦＰＧＡ内　マイクロブレーズＳｏＣのファームウエアでの命令で、他に以下のものがあります。

ファームウエアの操作

機能	命令	備考
１ＰＰＳインターバルカウンタのクリア	slfff0007c,0	２台のＧＰＳからの１ＰＰＳのカウンタを同時にクリア
ＳｏＣのメモリダンプ	dc002000,c00207f	２台の１ＰＰＳのログデータをヘキサダンプ、１２８バイト

　ＦＰＧＡ内　マイクロブレーズＳｏＣのレジスタには、以下のものがあります

ＳｏＣのレジスタ

アドレス	ビット幅	Ｒ／Ｗ	機能
０ｘＦＦＦ０００５Ｃ	３２（１ロングワード）	ＲＯ	ＣＰＵの１００ＭＨｚで１台目の１ＰＰＳのインターバルをカウントした値
０ｘＦＦＦ０００６０	３２（１ロングワード）	ＲＯ	ＣＰＵの１００ＭＨｚで２台目の１ＰＰＳのインターバルをカウントした値
０ｘＦＦＦ０００６４	３２（１ロングワード）	ＲＯ	上記２個の値の差
０ｘＦＦＦ０００６８	３２（１ロングワード）	ＲＯ	ＴＣＸＯの１００ＭＨｚで１台目の１ＰＰＳのインターバルをカウントした値
０ｘＦＦＦ０００６Ｃ	３２（１ロングワード）	ＲＯ	ＴＣＸＯの１００ＭＨｚで２台目の１ＰＰＳのインターバルをカウントした値
０ｘＦＦＦ０００７０	３２（１ロングワード）	ＲＯ	上記２個の値の差
０ｘＦＦＦ０００７４	１６ビットの内、ＬＳＢ１２ビット	ＲＯ	１台目の記録用ＲＡＭの現在の値
０ｘＦＦＦ０００７４	１６ビットの内、Ｄ１２の位置	ＲＯ	１台目の記録用ＲＡＭアドレスが上限に達したとき１
０ｘＦＦＦ０００７６	１６ビットの内、ＬＳＢ１２ビット	ＲＯ	２台目の記録用ＲＡＭの現在の値
０ｘＦＦＦ０００７６	１６ビットの内、Ｄ１２の位置	ＲＯ	２台目の記録用ＲＡＭアドレスが上限に達したとき１

準備中


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