北斗和gps雙模授時(shí)嵌入式時(shí)間同步設(shè)備和軟件設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用北斗和GPS雙模切換技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的設(shè)備以及其內(nèi)部處理器的軟件設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]時(shí)間同步設(shè)備是向測(cè)控系統(tǒng)提供基準(zhǔn)時(shí)間信息與頻率信息的設(shè)備，只有測(cè)控系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)了時(shí)間同步才可進(jìn)行其他一切活動(dòng)。其技術(shù)的核心是授時(shí)同步和時(shí)間碼的傳遞，隨著眾多授時(shí)方式的出現(xiàn)并快速發(fā)展，時(shí)間同步技術(shù)也終將不斷地前進(jìn)。
[0003]時(shí)間碼的傳遞則主要是對(duì)IRIG-B碼進(jìn)行設(shè)計(jì)與運(yùn)用，格式標(biāo)準(zhǔn)定制于美國(guó)靶場(chǎng)司令委員會(huì)下屬的革G場(chǎng)儀器組(Inter-Range Instrumentat1n Group，IRIG)。作為一種重要的用于時(shí)間同步的串行時(shí)間碼，IRIG-B碼分為直流碼(DC碼)和交流碼(AC碼)兩種格式，被廣泛的運(yùn)用于靶場(chǎng)測(cè)控中心、軍隊(duì)指揮中心及電力系統(tǒng)等。
[0004]國(guó)內(nèi)對(duì)于時(shí)間同步設(shè)備的研制經(jīng)歷了一個(gè)由國(guó)外引進(jìn)到國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的過(guò)程。早在二十世紀(jì)50年代，因?yàn)槲淦鞯膶?shí)驗(yàn)需要我國(guó)從蘇聯(lián)購(gòu)買了第一套時(shí)間同步設(shè)備，后來(lái)為了滿足各種實(shí)驗(yàn)的需求國(guó)內(nèi)也相繼開(kāi)發(fā)出了眾多類型的終端，但由于沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)一度出現(xiàn)了設(shè)備品種繁多、參數(shù)不同、體積龐大及設(shè)計(jì)原理復(fù)雜的局面，1984年我國(guó)研制出了以IRIG-B碼為格式碼的時(shí)間編碼鐘，因其同步精度、頻率及可靠性等各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到要求而在1986年將IRIG-B碼作為同步設(shè)備的首選碼。雖其后的一段時(shí)間內(nèi)因?yàn)閺S商對(duì)于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)掌握的不純熟而使得產(chǎn)品存在部分問(wèn)題，但后來(lái)國(guó)家頒布的同步標(biāo)準(zhǔn)使這一情況得到了改善。從90年代到現(xiàn)在的二十幾年里，中科院國(guó)家授時(shí)中心也相繼發(fā)布了基于IRIG-B碼的時(shí)間同步裝置，但在功能的實(shí)現(xiàn)上都較為單一，諸如基于GPS實(shí)現(xiàn)直流碼或者交流碼的產(chǎn)生等。雖然這些產(chǎn)品也為業(yè)內(nèi)提供了很好的標(biāo)準(zhǔn)，但是考慮到部分條件的限制，只有將GPS和我國(guó)自主研發(fā)的北斗組合起來(lái)進(jìn)行雙模授時(shí)才可更好地實(shí)現(xiàn)時(shí)間的同步。
[0005]目前現(xiàn)有的時(shí)間同步設(shè)備一般都是采用單一的授時(shí)方式，對(duì)于時(shí)間同步碼也只是單一的編碼或者解碼并且對(duì)于實(shí)時(shí)時(shí)間信息沒(méi)有一個(gè)顯示功能。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于還停留在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)層面的時(shí)間同步碼編碼解碼精度已經(jīng)慢慢不能滿足需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種北斗和GPS雙模授時(shí)嵌入式時(shí)間同步設(shè)備和軟件設(shè)計(jì)方法，該北斗和GPS雙模授時(shí)嵌入式時(shí)間同步設(shè)備和軟件設(shè)計(jì)方法克服了上述諸如時(shí)間同步的授時(shí)方式及功能實(shí)現(xiàn)單一、時(shí)間精度不高等技術(shù)上的缺陷，滿足了通過(guò)軟件智能切換的多種衛(wèi)星授時(shí)方式、高精度時(shí)間同步碼編碼輸出、時(shí)間同步碼輸入解碼以及實(shí)時(shí)時(shí)間信息顯示與模式切換功能于一體的要求。
[0007]本發(fā)明為了解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:
[0008]一種北斗和GPS雙模授時(shí)嵌入式時(shí)間同步設(shè)備，包括可編程邏輯器件以及分別與所述可編程邏輯器件連接的北斗接收機(jī)、GPS接收機(jī)和嵌入式微控制器，還設(shè)有分別與所述可編程邏輯器件連接的外部硬件電路集成串口、IRIG-B(DC)碼輸入隔離模塊、IRIG-B(DC)碼差分輸出模塊、IRIG-B(AC)碼硬件輸出模塊以及IRIG-B(AC)碼輸入解碼模塊，其中，所述可編程邏輯器件采用EP2C8T144C8N，所述嵌入式微控制器采用STM32F103RBT6，所述嵌入式微控制器具有按鍵輸入接口和液晶顯示輸出接口，所述按鍵輸入接口連接嵌入式按鍵，所述液晶顯示輸出接口連接嵌入式液晶顯示器，上位機(jī)與所述外部硬件電路集成串口連接。
[0009]進(jìn)一步地說(shuō)，IRIG-B (AC)碼硬件輸出模塊包括依次連接的DA轉(zhuǎn)換芯片、低通濾波器、運(yùn)算放大器和變壓器。
[0010]進(jìn)一步地說(shuō)，IRIG-B(AC)碼輸入解碼模塊具有依次連接的隔離變壓器、絕對(duì)值放大電路、過(guò)零比較電路。
[0011]進(jìn)一步地說(shuō)，IRIG-B(DC)碼輸入隔離模塊具有隔離芯片和隔離電源。
[0012]進(jìn)一步地說(shuō)，所述可編程邏輯器件通過(guò)1 口與所述北斗接收機(jī)和所述GPS接收機(jī)連接。
[0013]進(jìn)一步地說(shuō)，所述可編程邏輯器件與所述IRIG-B(AC)碼硬件輸出模塊通過(guò)1 口連接。
[0014]進(jìn)一步地說(shuō)，所述可編程邏輯器件與所述IRIG-B(AC)碼輸入解碼模塊之間預(yù)留有進(jìn)行脈沖信號(hào)傳輸?shù)? 口。
[0015]進(jìn)一步地說(shuō)，所述可編程邏輯器件與所述IRIG-B(DC)碼輸入隔離模塊通過(guò)1 口連接。
[0016]上述的北斗和GPS雙模授時(shí)嵌入式時(shí)間同步設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)方法的核心思想是:利用可編程邏輯器件與嵌入式微控制器進(jìn)行時(shí)間同步碼IRIG-B碼的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)協(xié)議的方式將GPS、北斗、直流碼解碼、交流碼解碼、守時(shí)五種方式的當(dāng)前模式、當(dāng)前時(shí)間信息以及模式的狀態(tài)集成于一條碼流中，傳輸給嵌入式微控制器進(jìn)行串口處理操作，從而通過(guò)液晶顯示器顯示出來(lái)。
[0017]進(jìn)一步地說(shuō)，是利用可編程邏輯器件的建模思路，在可編程邏輯器件內(nèi)部設(shè)計(jì)串口發(fā)送與接收通用模塊，串口發(fā)送與接收通用模塊接收北斗接收機(jī)發(fā)送的$GNRMC碼流與GPS接收機(jī)發(fā)送的$GPRMC碼流并設(shè)計(jì)解析模塊提取碼流中的時(shí)間、秒脈沖、定位信息，從而對(duì)時(shí)間同步碼的直流碼進(jìn)行軟件編碼設(shè)計(jì)以及對(duì)北斗/GPS時(shí)間信息與定位信息進(jìn)行液晶顯示使用，至于北斗和GPS模式的選擇則通過(guò)上位機(jī)或者嵌入式按鍵進(jìn)行選擇控制，而IRIG-B(AC)碼則由IRIG-B(DC)碼通過(guò)交流碼形成模塊邏輯設(shè)計(jì)演變而來(lái)，對(duì)于IRIG-B碼的解碼部分則通過(guò)硬件隔離處理后，結(jié)合可編程邏輯器件內(nèi)部的模塊化軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行時(shí)間信息的提取，最終將北斗、GPS、IRIG-B (DC)碼解碼、IRIG-B(AC)碼解碼及守時(shí)時(shí)間五種方式的當(dāng)前模式、當(dāng)前時(shí)間信息及模式的狀態(tài)集成于一條碼流中，通過(guò)協(xié)議傳輸?shù)姆绞絺鬏斀o嵌入式微控制器進(jìn)行串口處理后，通過(guò)嵌入式液晶顯示器顯示出來(lái)。
[0018]進(jìn)一步地說(shuō)，其中，北斗/GPS雙模授時(shí)部分的軟件設(shè)計(jì)方法如下:
[0019]北斗接收機(jī)發(fā)送的$GNRMC碼流與GPS接收機(jī)發(fā)送的$GPRMC碼流中包含時(shí)間信息、定位信息和秒脈沖信息，利用可編程邏輯器件對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行提取后，建立模式切換模塊，模式切換模塊通過(guò)判斷切換命令進(jìn)行北斗或GPS的選擇，從而輸出秒脈沖信號(hào)IPPS和時(shí)間信息TOD ；
[0020]對(duì)于模式切換，這里通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn):一種是上位機(jī)切換，上位機(jī)利用串口發(fā)送一串命令，可編程邏輯器件通過(guò)串口接收模塊接收后在串口命令解析模塊中提取模式命令進(jìn)而切換北斗或GPS模式下時(shí)間信息使用；另一種是嵌入式按鍵切換，通過(guò)嵌入式按鍵，于顯示端進(jìn)行北斗或GPS模式的選擇，再將信息的改變通過(guò)自定義的協(xié)議流方式發(fā)送給可編程邏輯器件進(jìn)行處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模式切換；
[0021]系統(tǒng)默認(rèn)的衛(wèi)星授時(shí)模式是使用GPS模式，在模式選擇的過(guò)程中，當(dāng)前狀態(tài)下的北斗或GPS衛(wèi)星接收無(wú)效的情況下，則會(huì)切換到自定義授時(shí)模式。
[0022]更進(jìn)一步地說(shuō)，對(duì)于模式切換，可編程邏輯控制器通過(guò)秒脈沖觸發(fā)的方式每秒鐘發(fā)送協(xié)議命令給嵌入式微控制器，嵌入式液晶顯示器則實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的時(shí)間及模式，當(dāng)嵌入式按鍵進(jìn)行模式切換時(shí)則發(fā)送另外的協(xié)議命令給可編程邏輯器件從而進(jìn)行模式的更替。
[0023]進(jìn)一步地說(shuō)，其中，IRIG-B碼編碼部分的軟件設(shè)計(jì)方法如下:
[0024]IRIG-B碼的編碼邏輯設(shè)計(jì)主要由IRIG-B (DC)碼的編碼和IRIG-B (AC)碼的編碼兩部分組成，IRIG-B(DC)碼的編碼邏輯設(shè)計(jì)是通過(guò)一個(gè)case語(yǔ)句將時(shí)間信息轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，而IRIG-B(AC)碼的編碼邏輯則是通過(guò)設(shè)計(jì)將直流碼變換成交流碼的數(shù)字形式，便于后續(xù)的硬件處理。
[0025]更進(jìn)一步地說(shuō)，IRIG-B(DC)碼編碼邏輯設(shè)計(jì)方法如下:
[0026]IRIG-B碼的碼元寬度為10ms，所以在可編程邏輯器件內(nèi)部進(jìn)行邏輯電路設(shè)計(jì)時(shí)只需考慮代表0、1和位置識(shí)別碼三個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)鐘計(jì)數(shù)值以及雙模授時(shí)提供的秒脈沖與DC碼的起始標(biāo)志之間的同步，前者的三個(gè)值都是通過(guò)計(jì)數(shù)寄存器進(jìn)行寬度設(shè)定，而后者則通過(guò)檢測(cè)到秒脈沖的高電平后啟動(dòng)寄存器計(jì)數(shù)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)同步；
[0027]編碼模塊設(shè)計(jì)中最重要的便是狀態(tài)機(jī)的使用，完整的編碼形成過(guò)程由54個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移完成，狀態(tài)機(jī)中分為三個(gè)啟動(dòng)信號(hào)c2、c5、c8，c2為低電平啟動(dòng)信號(hào)，c5為高電平啟動(dòng)信號(hào)，c8為位置識(shí)別碼的啟動(dòng)信號(hào)，由于使用50MHz的時(shí)鐘進(jìn)行系統(tǒng)的邏輯電路設(shè)計(jì)，所以每個(gè)碼元需要500_000個(gè)時(shí)鐘周期，當(dāng)c2啟動(dòng)時(shí)計(jì)數(shù)器需計(jì)數(shù)100_000個(gè)時(shí)鐘周期的高電平，400_000個(gè)時(shí)鐘周期的低電平來(lái)表示直流碼中的低電平“0”，高電平和位置識(shí)別碼表示方法類推；狀態(tài)機(jī)中狀態(tài)O表示當(dāng)秒脈沖高電平到來(lái)時(shí)啟動(dòng)c8，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到19’d499_999即寬度已達(dá)1ms時(shí)關(guān)閉c8轉(zhuǎn)向狀態(tài)1，否則在狀態(tài)O中循環(huán)等待并將三個(gè)啟動(dòng)信號(hào)都清O ;狀態(tài)I?4用來(lái)產(chǎn)生當(dāng)前秒個(gè)位的BCD碼輸出，通過(guò)判斷每位的高低電平來(lái)啟動(dòng)c2或者c8 ;狀態(tài)5是一個(gè)索引標(biāo)志位為低電平只需啟動(dòng)c2即可；狀態(tài)6?8用來(lái)產(chǎn)生當(dāng)前秒十位的B⑶碼輸出，生成的方法和秒個(gè)位方法一致；狀態(tài)10?18用來(lái)產(chǎn)生當(dāng)前分鐘信息的輸出；狀態(tài)20?26用來(lái)產(chǎn)生當(dāng)前時(shí)信息的輸出；狀態(tài)30?38、40?41用來(lái)產(chǎn)生當(dāng)前天數(shù)信息的輸出；狀態(tài)9、19、29、39和狀態(tài)52用來(lái)進(jìn)行Pl?P9的產(chǎn)生；狀態(tài)53為最后一個(gè)狀態(tài)用來(lái)產(chǎn)生PO，最后要留下Ims時(shí)間轉(zhuǎn)到狀態(tài)O用來(lái)等待秒脈沖高電平的到來(lái)，從而使脈沖精度達(dá)到最高；其他的狀態(tài)都是用來(lái)產(chǎn)生低電平信號(hào)的輸出；狀態(tài)機(jī)設(shè)定完畢后，為了保證前端數(shù)據(jù)的接收的完整性，在檢測(cè)到秒脈沖的上升沿時(shí)即進(jìn)行時(shí)間信息的更新，這可以起到每秒鐘刷新時(shí)間的效果。
[0028]更進(jìn)一步地說(shuō)，其中，IRIG-B(AC)碼編碼邏輯設(shè)計(jì)方法如下:
[0029]IRIG-B(AC)碼的數(shù)字信號(hào)形成是由IRIG-B(DC)碼輸入到地址產(chǎn)生模塊、正弦值ROM存儲(chǔ)表模塊以及DA轉(zhuǎn)換模塊后得到的。
[0030]進(jìn)一步地說(shuō)，其中，IRIG-B(DC)碼解碼邏輯設(shè)計(jì)方法如下:
[0031]此模塊的設(shè)計(jì)