基于IRIG-A碼輸出的超小型GPS時鐘設計

引言

　　近年來，gps（全球定位系統(tǒng)）得到了廣泛的應用。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合的辦法獲取時間信息。每臺裝置都有自己的gps接收機用于同步授時。這意味著即使在一個幾百米范圍內的區(qū)域，由于每臺裝置所處的位置不同以及各接收機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，幾臺數(shù)據(jù)采集器同時采用一臺gps接收機同步授時，則可消除上述誤差，時間統(tǒng)一和可靠性能得到進一步提高。irig碼是國際通用的一種標準時間傳輸碼。它不僅包含秒符號信息，而且包含絕對時間信息，已經(jīng)廣泛應用于時統(tǒng)裝置與用戶接收裝置之間的接口標準，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備，以實現(xiàn)各設備之間的時鐘同步。該碼廣泛應用于導彈、航天、遙測等時統(tǒng)設備中，實施精
度高，穩(wěn)定性強。

　　irig碼包含100個碼元，每個碼元又有3種碼型：二進制0、1和位置標識符。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表示二進制0，脈寬0.5 ms表示二進制1，脈寬0.8 ms表示位置標識符或參考碼元。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，參考碼元或位置標示符用8個高幅和2個低幅表示，二進制1用5個高幅和5個低幅表示，二進制0用2個高幅和8個低幅表示。

2 iriga編碼設計

　　lpc2132 微控制器有1個8路10位a/d轉換器和1個10位d/a轉換器、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。片內晶體振蕩電路支持頻率為1~30 mhz。通過片內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。

　　在本設計中使用lpc2132和lea4h gps接收機組成一個時統(tǒng)設備的發(fā)送端。gps接收機通過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轉換器輸出的波形進行整形。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。

　　32位計數(shù)器t0一直連續(xù)計數(shù)。當1pps信號到來時，產(chǎn)生中斷，捕獲寄存器cr0裝入t0當前的計數(shù)值ct1并保存下矗壞畢亂桓?pps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)晶振當前頻率值設置毫秒時刻的匹配值。當匹配時，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行鐘差測量，把本地時鐘計時信息和gps時間信息進行比較。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)拍調慢一點，即mr1毫秒時刻的匹配值設置偏大；反之，則把節(jié)拍調快一點，直至誤差最小化。

　　匹配寄存器mr0控制dc碼波形的翻轉。由于知道了32位計數(shù)器t0與1pps的關系，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值匹配時預置cty值，如圖3所示。tx時刻對應的計數(shù)值ctx：

　　ac碼的每個正弦波采樣16個點，各相鄰點之間的采樣時間間隔相等，其中第1個點和第17個點采樣時間間隔為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，相應時刻幅值是前者為后者的3倍），并把正弦波采樣點存表。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轉換器，如圖4所示。在d/a轉換器輸出端，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)所測的頻率不斷調整。

　　結語

　　本設計實現(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確度的頻率值。根據(jù)本地晶振頻率就可以準確控制irig碼的輸出。該設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，具有較高的應用價值。