基于IRIG-A碼輸出的超小型GPS時(shí)鐘設(shè)計(jì)

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(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。

　　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并保存下矗壞畢亂桓?pps信號(hào)到來時(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。

　　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：

　　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。

　　結(jié)語

　　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。