采用IRIG-A碼輸出的超小型GPS時(shí)鐘設(shè)計(jì)

IRIG碼是一種通用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)傳輸碼，廣泛應(yīng)用于時(shí)統(tǒng)設(shè)備之間的時(shí)間通信。本時(shí)鐘設(shè)計(jì)采用微控制器，依據(jù)GPS時(shí)鐘信號(hào)對(duì)本地晶振進(jìn)行頻率測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整時(shí)間單元的匹配計(jì)數(shù)值和控制IRIG時(shí)間碼的輸出；同時(shí)微控制器內(nèi)部建立一張實(shí)時(shí)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(cè)量

引言

　　近年來(lái)，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(shí)也提供高精度的時(shí)間信號(hào)。在地震觀測(cè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集裝置對(duì)時(shí)間有著極高的要求，目前普遍采用的是GPS同步授時(shí)和本地時(shí)鐘守時(shí)相結(jié)合的辦法獲取時(shí)間信息。每臺(tái)裝置都有自己的GPS接收機(jī)用于同步授時(shí)。這意味著即使在一個(gè)幾百米范圍內(nèi)的區(qū)域，由于每臺(tái)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(shí)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(tái)數(shù)據(jù)采集器同時(shí)采用一臺(tái)GPS接收機(jī)同步授時(shí)，則可消除上述誤差，時(shí)間統(tǒng)一和可靠性能得到進(jìn)一步提高。IRIG碼是國(guó)際通用的一種標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間傳輸碼。它不僅包含秒符號(hào)信息，而且包含絕對(duì)時(shí)間信息，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于時(shí)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(shí)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(guó)靶場(chǎng)儀器組碼”，把接收的GPS時(shí)間編碼，傳送給分布在不同地方的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)各設(shè)備之間的時(shí)鐘同步。該碼廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、航天、遙測(cè)等時(shí)統(tǒng)設(shè)備中，實(shí)施精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)。

　　IRIG碼包含100個(gè)碼元，每個(gè)碼元又有3種碼型：二進(jìn)制0、1和位置標(biāo)識(shí)符。分成3字段編碼：第1字段為年時(shí)間（天、時(shí)、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(hào)表示的天時(shí)間。每24小時(shí)循環(huán)1次。

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

　　在本設(shè)計(jì)中采用了IRIGA串行時(shí)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(lái)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(shí)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(gè)數(shù)來(lái)表示碼元，參考碼元或位置標(biāo)示符用8個(gè)高幅和2個(gè)低幅表示，二進(jìn)制1用5個(gè)高幅和5個(gè)低幅表示，二進(jìn)制0用2個(gè)高幅和8個(gè)低幅表示。

2? IRIGA編碼設(shè)計(jì)

　　LPC2132 微控制器有1個(gè)8路10位A/D轉(zhuǎn)換器和1個(gè)10位D/A轉(zhuǎn)換器、2個(gè)32位定時(shí)器/計(jì)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(gè)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(guò)片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)最高為60 MHz的微控制器操作頻率。PLL的穩(wěn)定時(shí)間為100 μs。

　　在本設(shè)計(jì)中使用LPC2132和LEA4H GPS接收機(jī)組成一個(gè)時(shí)統(tǒng)設(shè)備的發(fā)送端。GPS接收機(jī)通過(guò)UART口，每秒鐘向微控制器發(fā)送1次數(shù)據(jù)，1PPS脈沖信號(hào)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(guò)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(duì)D/A轉(zhuǎn)換器輸出的波形進(jìn)行整形。微控制器維持一個(gè)本地時(shí)鐘計(jì)數(shù)，產(chǎn)生毫秒、秒、分、時(shí)、天的時(shí)間，同時(shí)把時(shí)間信息按IRIGA碼的格式編碼。GPS時(shí)鐘電路框圖如圖1所示。

圖1? GPS時(shí)鐘電路框圖

　　微控制器根據(jù)1PPS信號(hào)不斷檢測(cè)本地晶振的頻率，根據(jù)檢測(cè)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(shí)計(jì)數(shù)器T0一直對(duì)本地晶振頻率計(jì)數(shù)，捕獲寄存器CR0在1PPS信號(hào)觸發(fā)下裝入當(dāng)前的計(jì)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(shí)刻，匹配寄存器MR1用于設(shè)置時(shí)間單元信號(hào)。軟件編碼設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

2.1? 晶振頻率測(cè)量

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

2.2? 時(shí)間信息生成

　　微控制器采用對(duì)本地時(shí)鐘的計(jì)數(shù)來(lái)分別產(chǎn)生毫秒、秒、分、時(shí)、天的時(shí)間信息，并設(shè)置了毫秒、秒、分、時(shí)、天的軟件計(jì)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(shí)刻的匹配值。當(dāng)匹配時(shí)，毫秒軟件計(jì)數(shù)器值加1。毫秒計(jì)數(shù)器計(jì)0~1000 ms的時(shí)間，并在秒時(shí)刻清零；秒、分、時(shí)、天計(jì)數(shù)器主要完成秒、分、時(shí)、天的計(jì)時(shí)。由于GPS接收機(jī)1 s發(fā)1次數(shù)據(jù)信息，所以對(duì)本地時(shí)鐘的同步精度是1 s，由于秒以下可能會(huì)產(chǎn)生誤差，所以微控制器還需進(jìn)行鐘差測(cè)量，把本地時(shí)鐘計(jì)時(shí)信息和GPS時(shí)間信息進(jìn)行比較。兩者之差大于1 s，直接修改本地時(shí)間信息。如果本地計(jì)時(shí)快，則把毫秒計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)節(jié)拍調(diào)慢一點(diǎn)，即MR1毫秒時(shí)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(jì)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(jì)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(shí)刻的計(jì)數(shù)值。實(shí)際上，只要所提取的時(shí)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(jì)數(shù)值。為了使輸出的碼元及時(shí)、準(zhǔn)確，可以提前向匹配寄存器寫入下一個(gè)跳變沿的計(jì)數(shù)值，即在CTX值匹配時(shí)預(yù)置CTY值，如圖3所示。TX時(shí)刻對(duì)應(yīng)的計(jì)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(gè)正弦波采樣16個(gè)點(diǎn)，各相鄰點(diǎn)之間的采樣時(shí)間間隔相等，其中第1個(gè)點(diǎn)和第17個(gè)點(diǎn)采樣時(shí)間間隔為1 ms。AC碼用高低幅正弦波個(gè)數(shù)表示（高幅和低幅正弦波采樣時(shí)間相同，相應(yīng)時(shí)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(chǔ)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(shí)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(shí)刻由匹配寄存器控制，查表時(shí)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(shí)匹配寄存器的匹配值還須根據(jù)所測(cè)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(jì)流程如圖5和圖6所示。

圖5? 基準(zhǔn)時(shí)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(hào)將不能用于晶振頻率的測(cè)量。晶體受溫度頻率特性及老化等各種因素的影響，會(huì)發(fā)生短期或長(zhǎng)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(guò)實(shí)時(shí)查表確定當(dāng)前的晶振頻率。在GPS同步時(shí)，微控制器利用1PPS信號(hào)不斷調(diào)整計(jì)數(shù)值CT1、CT2，同時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)刻對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值CTX和確定AC碼的查表時(shí)刻，以保證IRIGA碼輸出的連貫性和高準(zhǔn)確性。

結(jié)語(yǔ)

　　本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了IRIGA DC碼和AC碼的編碼輸出，兩種碼可根據(jù)實(shí)際需要選擇使用。DC碼和AC碼主要由軟件完成。在編程過(guò)程中，微控制器不斷檢測(cè)本地晶振的頻率。GPS同步時(shí)，用1PPS信號(hào)去計(jì)算頻率值，所得頻率值是十分準(zhǔn)確的，同時(shí)按溫度地址存表；GPS失步時(shí)，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(jì)的實(shí)際電路體積小、功耗低，在GPS同步時(shí)有很高的輸出精度，可達(dá)μs量級(jí)，而在GPS失步時(shí)輸出也有較高的精度；同時(shí)可以靈活選擇使用DC碼和AC碼輸出，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。