劉彪，李變，楊劍青，朱張林，王惜康

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頻率穩(wěn)定度實時評估系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉彪1,2，李變1,3，楊劍青1,2，朱張林1,2，王惜康1,2

（1. 中國科學(xué)院國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 中國科學(xué)院時間頻率基準(zhǔn)重點實驗室，西安 710600）

為了實時計算原子鐘的頻率穩(wěn)定度，設(shè)計了一種頻率穩(wěn)定度實時評估系統(tǒng)。利用現(xiàn)有理論基礎(chǔ)（穩(wěn)定度測量原理及其算法等）以及軟件技術(shù)開發(fā)了一種實時計算并以圖形顯示原子鐘穩(wěn)定度的測量分析軟件。該軟件使用VC++的多媒體定時器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時不間斷采集及計算，同時采用雙緩存繪圖技術(shù)顯示計算結(jié)果。測試結(jié)果表明該軟件工作穩(wěn)定，計算結(jié)果可靠、可信。

頻率穩(wěn)定度；雙緩存繪圖；Allan方差；雙對數(shù)坐標(biāo)系

0 引言

對于一臺高精度的原子鐘，如果不了解其頻率穩(wěn)定度特性[1-2]，就無法恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用它。目前大部分計算穩(wěn)定度的軟件都屬于事后分析計算軟件，不能實時地發(fā)現(xiàn)問題，實時地加以控制和解決，并且事后分析需要大量的人工操作。另外在原子時實時計算領(lǐng)域，原子時的計算需要對多臺鐘的數(shù)據(jù)通過一定的算法處理才能實現(xiàn)。由于各臺鐘的性能不同，因此在原子時的計算中，需要估算它們之間的權(quán)重比值，而它們之間的權(quán)重比值與穩(wěn)定度的評估結(jié)果有關(guān)，所以為了得到原子時的實時計算結(jié)果，也需要對原子鐘的頻率穩(wěn)定度進行實時評估。為此，我們研制了一種頻率穩(wěn)定度實時評估系統(tǒng)。

1 頻率穩(wěn)定度實時評估系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

圖1是頻率穩(wěn)定度實時評估系統(tǒng)的硬件構(gòu)成圖[1]。

圖1 頻率穩(wěn)定度實時評估系統(tǒng)的硬件構(gòu)成圖

2 軟件功能及其設(shè)計與實現(xiàn)

頻率穩(wěn)定度實時計算軟件主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)保存模塊以及圖形顯示模塊等5部分組成。下面主要對數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和圖形顯示模塊作簡要介紹。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是采用串口通信技術(shù)實現(xiàn)的。目前，在Windows下編程時，常用的串口通信主要有3種方法：1）用Windows API進行編程；2）用MSComm通信控件；3）用第三方提供的一些串口通訊類進行編寫[3-5]。

利用Windows API編寫串口程序，特別是編寫復(fù)雜的多線程串口程序時，對于程序員的能力要求較高。除了需要程序員熟練掌握和使用眾多的API函數(shù)，能編寫很多底層代碼之外，還必須熟悉線程的編程方法，因此，一般不建議普通程序員使用這種方式。

在只需對單個串口操作的情況下，利用MSComm控件會使編程快捷簡單。然而，由于做了大量的封裝，降低了編程的可控性和靈活性，因此在多線程多串口編程時，需要做許多復(fù)雜處理的情況下，最好不使用MSComm控件。

CerialPort類是一個采用Windows API技術(shù)開發(fā)的串口通信類。這個類基于多串口、多線程技術(shù)，只需要將這個類添加到編寫的程序框架中，就可以使用其成員函數(shù)開發(fā)程序。利用CSerialPort類進行串口編程時，既可以使編程效率高，程序可控性強，擴展性好，又比Windows API編程簡單。

比較以上3種串口通信方式，可以發(fā)現(xiàn)使用第三方的CSerialPort類，是實現(xiàn)Windows下的多線程串口編程的較好的選擇[3-5]。

通常，對于單個串口的操作主要包括：打開串口、設(shè)置串口參數(shù)、使用串口（寫串口、讀串口）和關(guān)閉串口等。當(dāng)使用CSerialPort類時，其串口通信模型框圖如圖2所示。

圖2 CSerialPort類串口通信模型框圖

CSerialPort類工作流程是：對接收數(shù)據(jù)而言，首先設(shè)置好串口參數(shù)，再開啟串口監(jiān)測線程，串口監(jiān)測線程監(jiān)測到串口接收到的數(shù)據(jù)、流控制事件或其他串口事件后，就以消息方式通知主程序，激發(fā)消息處理函數(shù)。對發(fā)送數(shù)據(jù)而言，可直接向串口發(fā)送。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

按觀測域的不同，頻率穩(wěn)定度分為時域頻率穩(wěn)定度和頻域頻率穩(wěn)定度。所謂時域頻率穩(wěn)定度，就是對受噪聲影響的輸出頻率用一個時間函數(shù)來描述，從時域的角度來分析噪聲對輸出頻率的影響。對于頻率穩(wěn)定度的時域表征，除了常用的阿倫方差（AVAR），還有修正阿倫方差（MVAR）、哈達瑪方差（HVAR）等[6-12]。在該數(shù)據(jù)處理模塊中，采用了多種方差對穩(wěn)定度進行評估。在運行軟件后，可以對方差類型進行選擇，根據(jù)不同的鐘，去選擇不同的算法對鐘進行分析。

2.3 圖形顯示模塊

對于圖形顯示模塊，下面主要介紹雙對數(shù)坐標(biāo)系的繪制和雙緩存繪圖技術(shù)。

2.3.1 雙對數(shù)坐標(biāo)系的繪制

該雙對數(shù)坐標(biāo)系可以以任意數(shù)據(jù)為起點、任意數(shù)據(jù)為終點，并能對坐標(biāo)進行縮放。在這里我們定義1×10（=…，-2，-1，0，1，2，3，…）的相應(yīng)數(shù)據(jù)點為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。在對數(shù)坐標(biāo)系中，任意3個數(shù)據(jù)值1，2，3和在屏幕上的對數(shù)坐標(biāo)系中的對應(yīng)點的坐標(biāo)1，2，3是一一對應(yīng)的（如圖3所示）。它

圖3 數(shù)據(jù)和屏幕上點的坐標(biāo)對應(yīng)關(guān)系圖

們之間的關(guān)系可表達為

在繪圖時，首先要找出起始數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)最小值）和終止數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)最大值），然后確定起始標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和終止標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，畫出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)線，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)線畫出其他數(shù)據(jù)線。起始標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)就是第一個大于起始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，終止標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)就是最后一個小于終止數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

根據(jù)我們計算結(jié)果的數(shù)據(jù)，有2種繪圖情況：

1）起始數(shù)據(jù)≤起始標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)<終止標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)≤終止數(shù)據(jù)，如圖4所示。在這種情況下，在確定坐標(biāo)系范圍后，先畫出起始標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)線和終止標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)線。對于起始數(shù)據(jù)和起始標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間的部分，由起始標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)（設(shè)起始標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)為1×10）向起始數(shù)據(jù)方向遞減地畫出表示9×10-1，8×10-1，7×10-1，…的虛線；對于終止標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和終止數(shù)據(jù)之間的部分，由終止標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)（設(shè)終止標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)為1×10）向終止數(shù)據(jù)方向遞增地畫出表示2×10+1，3×10+1，4×10+1，…的虛線；對于起始標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和終止標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間的部分，首先確定二者之間的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)畫出其間的虛線。

圖4 繪圖情況1

2）起始數(shù)據(jù)<起始標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)=終止標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)<終止數(shù)據(jù)，如圖5所示。這種情況是第1種情況的特例，由于起始標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)=終止標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，相比于第1種情況，減少了畫出起始標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)與終止標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間部分的虛線的過程。

圖5 繪圖情況2

當(dāng)坐標(biāo)系確定后，根據(jù)式（1），可以確定任意數(shù)據(jù)點在屏幕上對數(shù)坐標(biāo)系中的位置。縱坐標(biāo)的處理同上。

2.3.2 雙緩存繪圖

在GDI的繪圖系統(tǒng)中，每一次調(diào)用區(qū)域繪圖操作，圖形顯示系統(tǒng)就會在屏幕中對指定的區(qū)域進行刷新操作。如果頻繁地進行區(qū)域繪制操作的話，就會出現(xiàn)屏幕閃爍。產(chǎn)生閃屏的原因是每次在進行DC繪圖時都要把相關(guān)的顯示數(shù)據(jù)發(fā)送到顯卡，經(jīng)顯卡處理后在顯示器上顯示。我們可以通過減少數(shù)據(jù)與顯卡之間的交互次數(shù)來提高繪圖效率。雙緩存繪圖技術(shù)有利于改善閃屏情況，因為在雙緩存繪圖技術(shù)中，首先把更新操作中的所有繪制數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存，然后調(diào)用函數(shù)BitBlt一次性地把所有數(shù)據(jù)發(fā)送到顯卡上[13]。

2.4 軟件自動實時性的實現(xiàn)

軟件的自動實時性，主要是通過采用VC++中的多媒體定時器技術(shù)來實現(xiàn)的。VC++定時器的定時精度可以達到毫秒級，因此在本軟件中可以達到實時采集并計算的要求[14]。具體過程如下：用戶打開軟件后，首先對參數(shù)進行設(shè)置，設(shè)置的參數(shù)包括數(shù)據(jù)的采樣間隔（多長時間采集一個數(shù)據(jù)）和系統(tǒng)的計算間隔（系統(tǒng)多長時間進行一次數(shù)據(jù)的保存、計算并顯示），這2個參數(shù)的單位都是秒。然后對下拉列表框中的方差類型進行選擇，點擊自動計算按鈕，軟件就開始對發(fā)送到串口的數(shù)據(jù)進行定時的采集，當(dāng)軟件運行的時間到達我們所設(shè)置的時間間隔時，軟件就會把顯示在對話框中的數(shù)據(jù)保存到名為FHASEData00.txt，F(xiàn)HASEData01.txt，F(xiàn)HASEData02.txt…的文件中，在這里我們設(shè)置了延遲時間參數(shù)為100ms，經(jīng)過延遲時間，我們對保存在FHASEData00.txt，F(xiàn)HASEData01.txt，F(xiàn)HASEData02.txt…的文件中的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，把計算結(jié)果保存到一個名為FASEDATA.txt的文件中，再調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊中的時域頻率穩(wěn)定度算法對數(shù)據(jù)進行處理，把計算結(jié)果保存到一個名為SATADATA.txt的文件中，最后我們調(diào)用圖形顯示模塊中的算法對圖形進行顯示。這就是軟件的單次運行流程，如圖6所示。定時器的設(shè)置，會讓軟件重復(fù)執(zhí)行該流程，達到定時刷新的效果?？傊?，系統(tǒng)會不間斷地對數(shù)據(jù)進行采集、保存、運算并顯示。

圖6 軟件單次運行流程圖

3 軟件測試及其結(jié)果

該軟件可以實時自動地采集、保存和計算，并將結(jié)果以圖形化的方式直觀地展現(xiàn)給用戶。我們對該軟件進行以下2個方面的測試：1）軟件的算法的準(zhǔn)確性；2）軟件的實時性、自動性。

stable32[11]是業(yè)內(nèi)比較權(quán)威的穩(wěn)定度分析軟件，我們用本系統(tǒng)的計算結(jié)果與stable32的計算結(jié)果作對比，驗證本文軟件的準(zhǔn)確性。

1）對軟件的算法的準(zhǔn)確性進行驗證。

我們對2013年1月6日09:29:25到2013年1月7日09:30:52商品銣鐘（型號FS725）相對于主鐘銫鐘（實驗室編號Cs2145）的鐘差數(shù)據(jù)進行分析，其中數(shù)據(jù)采樣間隔為3s，由于銣鐘存在頻率漂移，用Hadamard方差分析，可以消除線性漂移頻率漂移對頻率穩(wěn)定度的影響，因此我們采用Hadamard方差進行分析，圖7為計算所得穩(wěn)定度曲線。

圖7 評估系統(tǒng)與stable32對銣鐘FS725的分析結(jié)果對比

對于Cs鐘，由于不存在頻率漂移，一般采用Allan系列方差進行分析，下面我們對銫鐘（實驗室編號Cs98）相對于鐘房主鐘的1d（2013年10月6日10:15:25至10月7日10:15:25）的鐘差數(shù)據(jù)進行分析，采樣間隔為1s。圖8為用Allan方差表征的穩(wěn)定度曲線。

圖8 評估系統(tǒng)與stable32對Cs98的分析結(jié)果對比（用1d的鐘差數(shù)據(jù)）

下面我們對銫鐘（Cs98）相對于鐘房主鐘的一個月（2011年2月）的鐘差數(shù)據(jù)進行分析，采樣間隔為3600s，圖9為計算得的Allan方差所表征的穩(wěn)定度曲線。

圖9 評估系統(tǒng)與stable32對CS98分析結(jié)果對比（用一個月的鐘差數(shù)據(jù)）

由圖7至圖9可知評估系統(tǒng)得到的穩(wěn)定度結(jié)果與stable32的計算結(jié)果一致。

2）對軟件的實時性、自動性進行驗證。

在測量時，首先運行軟件，在界面上進行參數(shù)設(shè)置，參數(shù)的設(shè)置界面如圖10所示。參數(shù)設(shè)置包括串口參數(shù)設(shè)置、計算間隔設(shè)置、采樣間隔設(shè)置以及方差類型（如AVAR、MVAR、HVAR等）的選擇，然后點擊按鈕進行自動計算，數(shù)據(jù)采集模塊就會對鐘差數(shù)據(jù)進行采集，并根據(jù)設(shè)定的計算間隔進行鐘差數(shù)據(jù)的保存并計算，計算結(jié)果也會隨之自動保存并生成穩(wěn)定度曲線圖。

圖10 軟件參數(shù)設(shè)置界面圖

下面我們選擇商品銣鐘（FS725）相對于主鐘（銫鐘Cs2145）的鐘差數(shù)據(jù)進行分析，其數(shù)據(jù)采樣間隔為3s，計算間隔為120s（可以自行設(shè)置），由于銣鐘存在頻率漂移，用Hadamard方差分析，可以消除線性漂移頻率漂移對頻率穩(wěn)定度的影響，因此我們采用Hadamard方差進行分析。圖11是該系統(tǒng)運行1d過程中自動形成的頻率穩(wěn)定度的部分截圖。

以上測試表明本軟件計算結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，并且彌補了stable32不能實時地對原子鐘穩(wěn)定度進行評估的不足，完全滿足了自動控制的要求，只需人工設(shè)置參數(shù)，就可以自動對原子鐘的穩(wěn)定度進行評估。本軟件還可以圖形顯示鐘差數(shù)據(jù)，自動地判別鐘的噪聲類型，這方面內(nèi)容暫不在此詳述。

4 結(jié)語

本文從實時性的要求出發(fā)，設(shè)計并實現(xiàn)了一種頻率穩(wěn)定度實時評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對原子鐘的穩(wěn)定度進行實時的評估和圖形顯示。通過測試表明：該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，但仍然存在局限性，例如不能實時地對多臺原子鐘頻率穩(wěn)定度進行評估。計劃在以后的工作中予以進一步完善。

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Design and implementation of frequency stability real-time evaluation system

LIU Biao1,2, LI Bian1,3, YANG Jian-qing1,2, ZHU Zhang-lin1,2, WANG Xi-kang1,2

(1.National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standard, Chinese Academy of Sciences, Xi′an710600, China)

A frequency stability real-time evaluation system was designed for estimating the stability of atomic clock in real time. On the basis of the existing theory (measurement principle and algorithm of stability) and the software technology, a measuring-analyzing software was developed for estimating and displaying graphically the frequency stability of atomic clocks in real-time. In the software, theVC++multimedia timer is used forcontinuousacquisitionandcalculation of real-time data, and the double buffer memory drawing technique is adopted for displaying the calculationresults. The testresults show that thesoftwareis stable in operation and the calculation is reliable and credible.

frequency stability; double buffer memory drawing; AVAR; double logarithm coordinate system

TM935.12

A

1674-0637(2014)03-0137-08

10.13875/j.issn.1674-0637.2014-03-0137-08

2013-09-10

國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目（11103025）；中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃西部博士資助項目（中國科學(xué)院人教[2011]180號）

劉彪，男，碩士，主要從事原子鐘性能分析。