基于IRIG-A碼輸出的超小型GPS時鐘設(shè)計

摘要 IRIG碼是一種通用的國際標(biāo)準(zhǔn)傳輸碼，廣泛應(yīng)用于時統(tǒng)設(shè)備之間的時間通信。本時鐘設(shè)計采用微控制器，依據(jù)GPS時鐘信號對本地晶振進(jìn)行頻率測量，根據(jù)測量結(jié)果實時調(diào)整時間單元的匹配計數(shù)值和控制IRIG時間碼的輸出；同時微控制器內(nèi)部建立一張實時的溫度頻率表，以供在GPS失步的情況下使用。該系統(tǒng)具有體積小、自適應(yīng)處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞 IRIG-A碼 GPS LPC2132 頻率測量

引言

　　近年來，GPS（全球定位系統(tǒng)）得到了廣泛的應(yīng)用。GPS不僅提供定位信息，同時也提供高精度的時間信號。在地震觀測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集裝置對時間有著極高的要求，目前普遍采用的是GPS同步授時和本地時鐘守時相結(jié)合的辦法獲取時間信息。每臺裝置都有自己的GPS接收機(jī)用于同步授時。這意味著即使在一個幾百米范圍內(nèi)的區(qū)域，由于每臺裝置所處的位置不同以及各接收機(jī)性能不可能完全一致，彼此之間的時間信息也仍然存在一定的誤差。如果在小區(qū)域范圍內(nèi)，幾臺數(shù)據(jù)采集器同時采用一臺GPS接收機(jī)同步授時，則可消除上述誤差，時間統(tǒng)一和可靠性能得到進(jìn)一步提高。IRIG碼是國際通用的一種標(biāo)準(zhǔn)時間傳輸碼。它不僅包含秒符號信息，而且包含絕對時間信息，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于時統(tǒng)裝置與用戶接收裝置之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，提高了發(fā)收端時間的一致性、可靠性。

1  IRIG碼格式規(guī)范

　　IRIG（Inter Range Instrumentation Group）碼，稱為“美國靶場儀器組碼”，把接收的GPS時間編碼，傳送給分布在不同地方的設(shè)備，以實現(xiàn)各設(shè)備之間的時鐘同步。該碼廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、航天、遙測等時統(tǒng)設(shè)備中，實施精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)。

　　IRIG碼包含100個碼元，每個碼元又有3種碼型：二進(jìn)制0、1和位置標(biāo)識符。分成3字段編碼：第1字段為年時間（天、時、分、秒），第2字段為控制功能函數(shù)字段，第3字段為直接用二進(jìn)制秒符號表示的天時間。每24小時循環(huán)1次。

　　IRIG串行碼主要有A、B、D、E、G、H六種時間格式，主要差別是時間編碼精度、碼元速率和二進(jìn)制時間信息的位數(shù)不同。實際常用的是A和B碼。A碼時幀周期為0.1 s，B碼時幀周期為1 s。

　　在本設(shè)計中采用了IRIGA串行時間碼編碼。IRIG碼分為直流（DC）碼和交流（AC）碼。DC碼和AC碼碼元周期均為1 ms。DC碼用脈寬來表示碼元，脈寬0.2 ms表示二進(jìn)制0，脈寬0.5 ms表示二進(jìn)制1，脈寬0.8 ms表示位置標(biāo)識符或參考碼元。AC碼用周期為0.1 ms的高幅和低幅正弦波的個數(shù)來表示碼元，參考碼元或位置標(biāo)示符用8個高幅和2個低幅表示，二進(jìn)制1用5個高幅和5個低幅表示，二進(jìn)制0用2個高幅和8個低幅表示。

2  IRIGA編碼設(shè)計

　　LPC2132 微控制器有1個8路10位A/D轉(zhuǎn)換器和1個10位D/A轉(zhuǎn)換器、2個32位定時器/計數(shù)器（帶4路捕獲和4路比較通道）、PWM單元（6路輸出）和看門狗、9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引腳。片內(nèi)晶體振蕩電路支持頻率為1~30 MHz。通過片內(nèi)PLL可實現(xiàn)最高為60 MHz的微控制器操作頻率。PLL的穩(wěn)定時間為100 μs。

　　在本設(shè)計中使用LPC2132和LEA4H GPS接收機(jī)組成一個時統(tǒng)設(shè)備的發(fā)送端。GPS接收機(jī)通過UART口，每秒鐘向微控制器發(fā)送1次數(shù)據(jù)，1PPS脈沖信號接入微控制器的外部中斷EINT0。溫度傳感器TCN75采集周圍的環(huán)境溫度，并通過I2C總線把溫度數(shù)據(jù)傳送給微控制器。二階低通濾波電路對D/A轉(zhuǎn)換器輸出的波形進(jìn)行整形。微控制器維持一個本地時鐘計數(shù)，產(chǎn)生毫秒、秒、分、時、天的時間，同時把時間信息按IRIGA碼的格式編碼。GPS時鐘電路框圖如圖1所示。

圖1  GPS時鐘電路框圖

　　微控制器根據(jù)1PPS信號不斷檢測本地晶振的頻率，根據(jù)檢測結(jié)果控制匹配寄存器的匹配值。微控制器內(nèi)部32位定時計數(shù)器T0一直對本地晶振頻率計數(shù)，捕獲寄存器CR0在1PPS信號觸發(fā)下裝入當(dāng)前的計數(shù)值；匹配寄存器MR0用于設(shè)置IRIG DC碼波形的跳變沿和IRIG AC碼采樣點(diǎn)時刻，匹配寄存器MR1用于設(shè)置時間單元信號。軟件編碼設(shè)計框圖如圖2所示。

2.1  晶振頻率測量

　　32位計數(shù)器T0一直連續(xù)計數(shù)。當(dāng)1PPS信號到來時，產(chǎn)生中斷，捕獲寄存器CR0裝入T0當(dāng)前的計數(shù)值CT1并保存下來；當(dāng)下一個1PPS信號到來時，CR0裝入T0的計數(shù)值CT2，本地晶振頻率為（CT2-CT1）或（CT1+232-CT2）。T0計數(shù)溢出時的情況。

2.2  時間信息生成

　　微控制器采用對本地時鐘的計數(shù)來分別產(chǎn)生毫秒、秒、分、時、天的時間信息，并設(shè)置了毫秒、秒、分、時、天的軟件計數(shù)器。匹配寄存器MR1根據(jù)晶振當(dāng)前頻率值設(shè)置毫秒時刻的匹配值。當(dāng)匹配時，毫秒軟件計數(shù)器值加1。毫秒計數(shù)器計0~1000 ms的時間，并在秒時刻清零；秒、分、時、天計數(shù)器主要完成秒、分、時、天的計時。由于GPS接收機(jī)1 s發(fā)1次數(shù)據(jù)信息，所以對本地時鐘的同步精度是1 s，由于秒以下可能會產(chǎn)生誤差，所以微控制器還需進(jìn)行鐘差測量，把本地時鐘計時信息和GPS時間信息進(jìn)行比較。兩者之差大于1 s，直接修改本地時間信息。如果本地計時快，則把毫秒計數(shù)器計數(shù)節(jié)拍調(diào)慢一點(diǎn)，即MR1毫秒時刻的匹配值設(shè)置偏大；反之，則把節(jié)拍調(diào)快一點(diǎn)，直至誤差最小化。
       
                圖2  軟件編碼設(shè)計框圖

2.3  DC碼編碼輸出

　　匹配寄存器MR0控制DC碼波形的翻轉(zhuǎn)。由于知道了32位計數(shù)器T0與1PPS的關(guān)系，因此可根據(jù)輸出碼元的脈寬確定跳變沿時刻的計數(shù)值。實際上，只要所提取的時間信息轉(zhuǎn)換成為IRIGA的格式，就可以按式（1）確定1幀碼元脈寬的跳變沿的計數(shù)值。為了使輸出的碼元及時、準(zhǔn)確，可以提前向匹配寄存器寫入下一個跳變沿的計數(shù)值，即在CTX值匹配時預(yù)置CTY值，如圖3所示。TX時刻對應(yīng)的計數(shù)值CTX：

 式中TX單位為μs。
             

圖3  IRIGA碼產(chǎn)生的示意圖

2.4  AC碼編碼輸出

　　AC碼的每個正弦波采樣16個點(diǎn)，各相鄰點(diǎn)之間的采樣時間間隔相等，其中第1個點(diǎn)和第17個點(diǎn)采樣時間間隔為1 ms。AC碼用高低幅正弦波個數(shù)表示（高幅和低幅正弦波采樣時間相同，相應(yīng)時刻幅值是前者為后者的3倍），并把正弦波采樣點(diǎn)存表。表1存放高幅正弦波數(shù)據(jù)，表2存放低幅正弦波數(shù)據(jù)。在內(nèi)部存儲器中，表1和表2的入口地址不同，局部地址完全相同，尋址時只要跳到相應(yīng)的入口地址，后面的查表方式就完全一致。查表時刻由匹配寄存器控制，查表時把數(shù)據(jù)送入D/A轉(zhuǎn)換器，如圖4所示。在D/A轉(zhuǎn)換器輸出端，接隔直電容和低通濾波器整形輸出，同時匹配寄存器的匹配值還須根據(jù)所測的頻率不斷調(diào)整。

圖4  IRIG-A AC碼產(chǎn)生示意圖

　　軟件設(shè)計流程如圖5和圖6所示。
                     

圖5  基準(zhǔn)時間產(chǎn)生流程

圖6  IRIG-A 直流和交流碼產(chǎn)生程序流程

　　如果GPS失步，則1PPS信號將不能用于晶振頻率的測量。晶體受溫度頻率特性及老化等各種因素的影響，會發(fā)生短期或長期的頻率漂移。為了使輸出的IRIGA碼仍具有較高的準(zhǔn)確度，解決的辦法是在內(nèi)部建立一張溫度頻率表，通過實時查表確定當(dāng)前的晶振頻率。在GPS同步時，微控制器利用1PPS信號不斷調(diào)整計數(shù)值CT1、CT2，同時利用溫度傳感器采集當(dāng)前工作溫度T，可按0.5°的溫度步差列一張[T；CT2CT1]溫度頻率表。只要GPS同步，這張溫度頻率表就在不斷更新，以確保該表是實時可用的；一旦GPS失步，微控制器查表，就可查得當(dāng)前的頻率值f，按式（1）確定TX時刻對應(yīng)的計數(shù)值CTX和確定AC碼的查表時刻，以保證IRIGA碼輸出的連貫性和高準(zhǔn)確性。

結(jié)語

　　本設(shè)計實現(xiàn)了IRIGA DC碼和AC碼的編碼輸出，兩種碼可根據(jù)實際需要選擇使用。DC碼和AC碼主要由軟件完成。在編程過程中，微控制器不斷檢測本地晶振的頻率。GPS同步時，用1PPS信號去計算頻率值，所得頻率值是十分準(zhǔn)確的，同時按溫度地址存表；GPS失步時，微控制器查溫度頻率表，同樣也能得到具有一定準(zhǔn)確度的頻率值。根據(jù)本地晶振頻率就可以準(zhǔn)確控制IRIG碼的輸出。該設(shè)計的實際電路體積小、功耗低，在GPS同步時有很高的輸出精度，可達(dá)μs量級，而在GPS失步時輸出也有較高的精度；同時可以靈活選擇使用DC碼和AC碼輸出，具有較高的應(yīng)用價值。

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