一種gps同步的irig-b時間碼發生器的製作方法

2023-04-29 19:02:56

專利名稱：一種gps同步的irig-b時間碼發生器的製作方法
技術領域：
本發明涉及工業自動化對時技術領域，特別是涉及GPS同步的一種IRIG-B 時間碼發生裝置。
背景技術：
目前，在發電廠、變電站和無線通訊基站等工業自動化現場各種自動化設 備需要與UTC時間保持精確的時間同步。GPS授時主設備從衛星上獲取UTC時 間信息(包括1PPS脈衝信號和串口發出的時間數據)後，主要通過脈衝信號， RS-232/RS-485串行口， IRIG-B碼和網絡等方式給從設備授時。B碼是一種授
時精度高，使用方便和信息量大的編碼方案，在工業現場獲得了廣泛的應用。 B碼最早是由美國靶場司令部委員會下屬的儀器組(IRIG， Inter-Range
Ins t r腦n t a t i on Gr o叩)制定的串行格式時間碼(以下簡稱B碼)。其主要特點
是幀速率為l幀/秒，攜帶的信息量大，經解碼後可獲得l, 10, 100/秒的脈衝
信號和BCD編碼的日期和時間信息以及控制功能信息。
B碼分為IR工G-B(DC)直流碼和IRIG-B(AC)交流碼兩種。直流B碼幀格式如
圖l所示，它是每秒一幀的串行時間碼，每個碼元(位)寬度為10ms,故一個幀
周期包括100個碼元，每IO個碼元為一個字。
碼元釆用脈寬調製編碼如圖2所示。碼元均以高電平開始也就是說"準時"時刻的參考點是其脈衝前沿。佔空比為20%的碼元(高電平2ms,低電平8ms) 表示l位二進位數"0";佔空比為50%的碼元(高電平5nis，低電平5ms)表示l 位二進位數"l";佔空比為80%的碼元(高電平8ms，低電平2ms)表示l個位 置標識碼。
位置識別碼PR為幀的起始參考點，每10個碼元的結尾出插入一個位置識 別碼P1，P2,P3，…，P9,P0。圖1所示連續兩個8ms寬脈衝表明秒的開始，PR
碼元的上升沿為一個整秒時刻的開始。如果從PR開始對碼元進行編號，則分別 為第0， 1, 2,…，99個碼元。
B碼採用BCD碼方式對當前的秒、分、時、 一年中的第幾天等信息編碼。， 所佔信息位為秒7位、分7位、時6位、天10位，其位置在P0 P5之間。P6~ PO包含其他控制信息。其中"秒"信息第l， 2, 3, 4, 6， 7, 8碼元；"分"信 息第10, 11, 12， 13， 15, 16, 17碼元;"時"信息第20, 21, 22, 23, 25, 26, 27碼元；第5, 14， 24碼元為索引標誌，寬度為2ms。時、分、秒均 用BCD碼表示，低位在前，高位在後；個位在前，十位在後(詳細編碼方案可 參見有關標準)。
直流B碼碼元的邊沿對應的時刻是UTC時間的離散時間值，故其授時同步
精度主要取決與時間碼發生器產生的碼元邊沿(前後沿)的精度。採用直流B 碼對一個頻率和相位相關lkHz的正弦載波進行幅度調製(調製比為3: 1)可 得到見圖3所示的交流B碼。由於交流B碼必須經過二次調製，其時間同步信 息主要體現在正弦波的過零點處，故能獲得的同步精度略低。但由於不含直流 分量，交流B碼更適合遠距離傳輸授時。直流B碼的產生主要包括從GPS接收機串口輸出數據的的解碼，從中提取 有用的UTC時間信息和直流B碼的編碼,兩部分工作。根據完成這兩個任務的器 件不同實現直流B碼的編碼主要有以下3種方案
① 全軟體方案
釆用CPU程序完成GPS信號的解碼和B碼的編碼。這種方案簡單廉價，但 由於CPU的運行速度，多任務和中斷響應速度等原因，只能滿足同步精度要求 不高的需求。
② 全硬體方案
釆用CPLD或FPGA全硬體方式完成GPS信號的解碼和B碼的編碼。這種方 案的優點是可獲得很髙的精度，但設計難度太大(例如UTC時間閏秒時就很 難實現解碼和編碼)，成本高，缺乏靈活性，不能實用化。
③ 軟硬結合的方案
採用CPU完成GPS信號的解碼，釆用CPLD或FPGA全硬體方式完成B碼的 編碼。CPU只間接參與B碼碼元的產生，或硬體產生相對重要的碼元前沿而CPU
產生後沿。這種方案仍然可獲得很高的精度，同時降低了設計的難度和成本高。 產生交流B碼的難題在於如何獲得 一 個與直流B碼頻率和相位完全同步(也 即與GPS的1PPS信號同步)的lkHz正弦載波信號。頻率或相位不同步的載波 會引起調製後的波形畸變，直接導致同步精度下降，波形畸變嚴重時還會導致 接收端無法正確解碼。因此產生出高精度的交流B碼比產生直流B碼更加困難。 目前關於交流B碼產生方法的報導只有釆用直接數字頻率合成DDS技術這一種。 這種方案的技術較為複雜，需要較大的邏輯資源，此外還需要DAC和LPF等模 擬電路設計。

發明內容
本發明的目的在於提出 一種GPS同步的IRIG-B時間碼發生器，既能產生高 精度的直流B碼又能產生出高精度的交流B碼，裝置結構簡單，易於實現。
一種GPS同步的IRIG-B時間碼發生器，包括GPS接收機1、單片機2、直 流B碼產生電路3和晶振電路5, GPS接收機1的秒脈衝信號分別傳送給單片機 2和直流B碼產生電路3， GPS接收機1的時間報文數據傳送給單片機2，單片 機2依據時間報文數據生成碼元數據，並傳送給直流B碼產生電路3，直流B 碼產生電路3接收晶振電路5的晶振信號，依據碼元數據產生直流B碼以及與 秒脈衝信號同步的lkHZ方波信號P1K,其特徵在於，該發生器還包括直流碼到 交流碼轉換電路4，用於對方波信號P1K作低通濾波及移相校正處理，得到與 方波信號P1K同頻同相的1MZ正弦載波，使用直流B碼對正弦載波作幅值調製， 得到交流B碼。
所述直流碼到交流碼轉換電路4包括依次相接的移相器41、高階低通濾波 器42和程控放大器44，程控放大器44的增益來源於所述直流B碼。
所述直流碼到交流碼轉換電路4包括依次相接的高階低通濾波器42、移相 器41和程控放大器44，程控放大器44的增益來源於所述直流B碼。
本發明的技術效果體現在
U)本發明採用單片機解碼GPS串口輸出數據，釆用大規模可編程邏輯器件 全硬體方式產生B碼，保證了碼元和相關的lkHz方波同步信號前後沿的準確性 從而保證了產生的直流B碼同步精度。(2)本發明釆用高階開關電容(SCF)低通濾波器(LPF)和移相器，很簡便地獲 得頻率和相位嚴格同步的正弦載波，再釆用程控放大器二次調製產生出高精度 的交流B碼。
本發明得到的交流B碼精度高，整個裝置結構簡單，成本低，易於推廣應用。


圖1為直流B碼的數據幀波形圖2為直流B碼中3種不同脈寬調製的"0", "1"和"P"碼元波形圖3為GPS接收機的輸出信號與直流B碼和交流B碼的時序關係圖4為本發明的總體電路框圖5為本發明的直流B碼產生電路框圖6為本發明的直流碼到交流碼轉換電路框圖7為頻率和相位與1PPS信號同步的3種碼元波形圖8為1PPS信號與1Mz方波和lkHz正弦載波的波形圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實例詳細說明本發明。
IRIG-B碼產生器的總體電路框理如圖4所示，由GPS接收機l,單片機2， 直流B碼產生電路3，直流碼到交流碼轉換電路4和晶振電路5構成。GPS接收 機l串行輸出的畫EA-0183格式的定位定時信息(每秒l幀)接單片機2的串 口輸入RXD腳，由單片機2負責解碼得到UTC曰期，時間和閏秒等信息，並根 據這些信息完成當前IRIG-B數據幀的編碼，即在單片機2內部產生出相應的100x2位的碼元數據(每個碼元對應2比特)。
圖3所示GPS接收機1輸出的1PPS秒脈衝的上升沿(前沿)是與國際協調 時UTC時間整秒時刻同步的。將1PPS信號接到單片機2的中斷輸入INT腳，利 用這個邊沿使單片機中斷迅速將100x2位的碼元數據寫入直流B碼產生電路3， 並開始從串口接收下一幀定時定位信息。
根據圖3所示的時序關係，單片機2送出的100x2位碼元數據必須在1PPS 秒脈衝上升沿後10ms內到達直流B碼產生電路3，而串口接收滯後較大，用來 進行B碼編碼的曰期時間是上一秒接收的經過加1秒調整後的日期時間數據。
圖5是所述的直流B碼產生電路3,釆用容量足夠大的大規模可編程邏輯 器件(CPLD或FPGA)實現。它包括同步分頻器31,碼元波形選擇器32,可編 程碼元數據查找表33和地址計數器34等幾個部分。單片機2的數據總線DBUS， 地址總線ABUS,寫控制線WR和晶振電路5接入直流B碼產生電路3。
所述的可編程碼元數據查找表33的功能類似於一個100地址x2位雙埠 RAM,用來存儲單片機2送來的IOO個碼元數據，其中二進位數據018= "0" 碼元；10B= 'T'碼元和IIB- "P"碼元。圖5中底色為陰影的碼元數據固定由
硬體邏輯直接產生，不需要寫入。
所述的同步分頻器31包括一個200倍同步分頻計數器311, —個100倍同 步分頻計數器312和一個10倍同步分頻計數器313。 1PPS秒脈衝信號接這3 個分頻計數器的異步(邊沿)清零端CLR,在其上升沿將它們清零。這3個分 頻計數器為同步時序邏輯電路，其時鐘輸入端CLK接晶振信號，對fo=20MHz 進行同步計數分頻。200倍同步分頻計數器311的計數使能端"E"接高電平， 進位輸出端"C"接IOO倍同步分頻計數器312的計數使能端"E"和IO倍同步分頻計數器313計數使能端"El",分頻輸出端"0"輸出一個佔空比為50%的 100kHz方波信號P100K。 IOO倍同步分頻計數器312的進位輸出端"C"接10 倍同步分頻計數器313計數使能端"E2",分頻輸出端"0"輸出一個佔空比為 50%的頻率和相位與1PPS信號嚴格同步的lkHz方波信號P1K (如圖8所示)。 IO倍同步分頻計數器313分頻輸出端"01", "02"和"03"分別輸出輸出佔空 比為20%, 50%和80%頻率和相位與1PPS信號嚴格同步的100Hz方波信號 P100-2ms， P100—5ms和P100—8ms (如圖7所示)。
所述的地址計數器34是一個100進位的遞增計數器，其7位計數輸出作為 地址接入到可編程碼元數據查找表33查找碼元數據；P100_8ms信號接時鐘輸 入信號CLK端，每個脈衝計數加一；1PPS信號接清零端CLR，在其上升沿將計 數器清零。
所述的碼元波形選擇器32實際上是一個四選一多路選擇器。選擇器輸入端 分別接入高電平'T，(當A2A產00時),P100一2ms("0"的碼元波形)(當A^-Ol 時)，PlOO一5ms (T的碼元波形)(當A^IO時)和P100-8ms ( "P"的碼元 波形)(當A,A產ll時)。選擇器地址輸入端A^接可編程碼元數據查找表33輸 出的碼元數據。由於碼元完全由硬體產生，單片機2並不直接參與碼元波形的 發生，因此選擇器輸出的直流B碼同步精度很高。
如圖6所示，所述的直流碼到交流碼轉換路4包括移相器41,高階SCF低 通濾波器42，平滑濾波器43和程控放大器44。所述的移相器41包括非門411， 選擇開關412，電位器413，電容414和隔直電容415。
根據信號的頻譜理論知P1K方波信號包含有直流分量，lkHz基波分量，3 次(3kHz)諧波，5次(5kHz)諧波，......等頻譜成分。如能將其它分量濾出，只保留lkHz基波分量就能得到同頻不同相(濾波器會產生相移)的lkHz正弦載 波。再通過移相器校正就能得到既同頻又同相的lkHz正弦載波。
電位器413和電容414構成1階RC低通濾波移相器。具有0~90的移相作 用，改變電位器阻值可調節移相度數。P1K方波信號和經過非門411倒相後的 方波信號同時接入選擇開關412，可以手動選擇180度移相。移相後的信號經 過隔直電容415時濾除了直流分量，進入一個截止頻率為lkHz的高階(通常為 8階)開關電容(SCF)低通濾波器(LPF)42。該濾波器時鐘輸入為100kHz方波信 號P100K，確定了其截止(-3dB)頻率為lkHz,故可將基波以上的所有分量濾 除淨只輸出lkHz正弦載波。類似於DAC的輸出，開關電容濾波器的輸出信號中 也存在開關噪聲，經平滑濾波器43濾除高頻噪聲後進入程控放大器(PGA) 44。 調節電位器"3和選擇開關412的位置進行相位校正的原則是保證lkHz正 弦載波在程控放大器44的輸入端已實現圖8所示的與lkHz方波信號和]PPS 信號的同頻同相。TTL電平的直流B碼加在程控放大器44的增益控制輸入端。 增益控制端輸入"1"電平和"0"電平時，設計放大器的增益比為3: 1,故程 控放大器44可以輸出圖3所示的交流B碼。
本實例也可先對P1K方波信號作濾波處理，再作移相補償，只要得到與P1K 方波信號同頻同相的lkHz正弦載波即可。
所述的GPS接收機1可採用任何一款精度優於lns授時型接收機。
所述的單片機2可釆用任何一款滿足資源要求的單片機(MCU),數位訊號 處理機(DSP )或ARM。
所述的直流B碼產生電路3可釆用'任何一款邏輯資源足夠大的複雜可變成 邏輯元件(CPLD)或現場可編程門陣列(FPGA)晶片實現。所述的高階SCF低通濾波器42可釆用MAXIM公司生產的MAX291 (巴特沃斯)或MAX292 (貝塞爾)八階低通濾波器。所述的平滑濾波器43可釆用 一階或二階RC有源/無源低通濾波器實現。 所述的程控放大器44可釆用AD公司生產的AD526增益可控放大器或選用單獨的運放構建實現。
權利要求
1、一種GPS同步的IRIG-B時間碼發生器，包括GPS接收機(1)、單片機(2)、直流B碼產生電路(3)和晶振電路(5)，GPS接收機(1)的秒脈衝信號分別傳送給單片機(2)和直流B碼產生電路(3)，GPS接收機(1)的時間報文數據傳送給單片機(2)，單片機(2)依據時間報文數據生成碼元數據，並傳送給直流B碼產生電路(3)，直流B碼產生電路(3)接收晶振電路(5)的晶振信號，依據碼元數據產生直流B碼以及與秒脈衝信號同步的1kHZ方波信號P1K，其特徵在於，該發生器還包括直流碼到交流碼轉換電路(4)，用於對方波信號P1K作低通濾波及移相校正處理，得到與方波信號P1K同頻同相的1kHZ正弦載波，並使用直流B碼對正弦載波作幅值調製，得到交流B碼。
2、 根據權利要求1所述的一種GPS同步的IRIG-B時間碼發生器，其特徵 在於，所述直流碼到交流碼轉換電路4包括依次相接的移相器(41)、高階低通 濾波器(42 )和程控放大器(44 ),程控放大器(44 )的增益控制來源於所述直 流B碼。
3、 根據權利要求1所述的一種GPS同步的工RIG-B時間碼發生器，其特徵 在於，所述直流碼到交流碼轉換電路4包括依次相接的高階低通濾波器(42)、 移相器(41)和程控放大器(44)，程控放大器44的增益控制來源於所述直流 B碼。
全文摘要
本發明提出了一種GPS同步的IRIG-B時間碼發生器，包括依次相接的GPS接收機、單片機、直流B碼產生電路和直流碼到交流碼轉換電路。直流B碼產生電路產生直流B碼以及與秒脈衝信號同步的1kHz方波信號P1K，直流碼到交流碼轉換電路對方波信號P1K作低通濾波及移相校正處理，得到與方波信號P1K同頻同相的1kHz正弦載波，使用直流B碼對正弦載波作幅值調製，得到交流B碼。本發明採用硬體同步分頻技術得到高精度的直流B碼，採用濾波、相位校正及幅值調製技術產生高精度的交流B碼，整個裝置結構簡單，易於推廣應用。
文檔編號G01S5/02GK101545965SQ20091006055
公開日2009年9月30日 申請日期2009年1月16日 優先權日2009年1月16日
發明者波 金, 豐 魏, 力 魏 申請人:華中科技大學;湖北天瑞電子有限公司