CN101545965B - 一种gps同步的irig-b时间码发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种GPS同步的IRIG-B时间码发生器,包括依次相接的GPS接收机、单片机、直流B码产生电路和直流码到交流码转换电路。直流B码产生电路产生直流B码以及与秒脉冲信号同步的1kHZ方波信号P1K,直流码到交流码转换电路对方波信号P1K作低通滤波及移相校正处理,得到与方波信号P1K同频同相的1kHZ正弦载波,使用直流B码对正弦载波作幅值调制,得到交流B码。本发明采用硬件同步分频技术得到高精度的直流B码,采用滤波、相位校正及幅值调制技术产生高精度的交流B码,整个装置结构简单,易于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及工业自动化对时技术领域,特别是涉及GPS同步的一种IRIG-B时间码发生装置。
背景技术
目前,在发电厂、变电站和无线通讯基站等工业自动化现场各种自动化设备需要与UTC时间保持精确的时间同步。GPS授时主设备从卫星上获取UTC时间信息(包括1PPS脉冲信号和串口发出的时间数据)后,主要通过脉冲信号,RS-232/RS-485串行口,IRIG-B码和网络等方式给从设备授时。B码是一种授时精度高,使用方便和信息量大的编码方案,在工业现场获得了广泛的应用。
B码最早是由美国靶场司令部委员会下属的仪器组(IRIG,Inter-RangeInstrumentation Group)制定的串行格式时间码(以下简称B码)。其主要特点是帧速率为1帧/秒,携带的信息量大,经译码后可获得1,10,100/秒的脉冲信号和BCD编码的日期和时间信息以及控制功能信息。
B码分为IRIG-B(DC)直流码和IRIG-B(AC)交流码两种。直流B码帧格式如图1所示,它是每秒一帧的串行时间码,每个码元(位)宽度为10ms,故一个帧周期包括100个码元,每10个码元为一个字。
码元采用脉宽调制编码如图2所示。码元均以高电平开始也就是说″准时″时刻的参考点是其脉冲前沿。占空比为20%的码元(高电平2ms,低电平8ms)表示1位二进制数″0″;占空比为50%的码元(高电平5ms,低电平5ms)表示1位二进制数″1″;占空比为80%的码元(高电平8ms,低电平2ms)表示1个位置标识码。
位置识别码PR为帧的起始参考点,每10个码元的结尾出***一个位置识别码:P1,P2,P3,…,P9,P0。图1所示连续两个8ms宽脉冲表明秒的开始,PR码元的上升沿为一个整秒时刻的开始。如果从PR开始对码元进行编号,则分别为第0,1,2,…,99个码元。
B码采用BCD码方式对当前的:秒、分、时、一年中的第几天等信息编码。,所占信息位为秒7位、分7位、时6位、天10位,其位置在P0~P5之间。P6~P0包含其他控制信息。其中″秒″信息:第1,2,3,4,6,7,8码元;″分″信息:第10,11,12,13,15,16,17码元;″时″信息:第20,21,22,23,25,26,27码元;第5,14,24码元为索引标志,宽度为2ms。时、分、秒均用BCD码表示,低位在前,高位在后;个位在前,十位在后(详细编码方案可参见有关标准)。
直流B码码元的边沿对应的时刻是UTC时间的离散时间值,故其授时同步精度主要取决与时间码发生器产生的码元边沿(前后沿)的精度。采用直流B码对一个频率和相位相关1kHz的正弦载波进行幅度调制(调制比为3∶1)可得到见图3所示的交流B码。由于交流B码必须经过二次调制,其时间同步信息主要体现在正弦波的过零点处,故能获得的同步精度略低。但由于不含直流分量,交流B码更适合远距离传输授时。
直流B码的产生主要包括从GPS接收机串口输出数据的的解码,从中提取有用的UTC时间信息和直流B码的编码两部分工作。根据完成这两个任务的器件不同实现直流B码的编码主要有以下3种方案:
①全软件方案
采用CPU程序完成GPS信号的解码和B码的编码。这种方案简单廉价,但由于CPU的运行速度,多任务和中断响应速度等原因,只能满足同步精度要求不高的需求。
②全硬件方案
采用CPLD或FPGA全硬件方式完成GPS信号的解码和B码的编码。这种方案的优点是可获得很高的精度,但设计难度太大(例如:UTC时间闰秒时就很难实现解码和编码),成本高,缺乏灵活性,不能实用化。
③软硬结合的方案
采用CPU完成GPS信号的解码,采用CPLD或FPGA全硬件方式完成B码的编码。CPU只间接参与B码码元的产生,或硬件产生相对重要的码元前沿而CPU产生后沿。这种方案仍然可获得很高的精度,同时降低了设计的难度和成本高。
产生交流B码的难题在于如何获得一个与直流B码频率和相位完全同步(也即与GPS的1PPS信号同步)的1kHz正弦载波信号。频率或相位不同步的载波会引起调制后的波形畸变,直接导致同步精度下降,波形畸变严重时还会导致接收端无法正确解码。因此产生出高精度的交流B码比产生直流B码更加困难。目前关于交流B码产生方法的报道只有采用直接数字频率合成DDS技术这一种。这种方案的技术较为复杂,需要较大的逻辑资源,此外还需要DAC和LPF等模拟电路设计。
发明内容
本发明的目的在于提出一种GPS同步的IRIG-B时间码发生器,既能产生高精度的直流B码又能产生出高精度的交流B码,装置结构简单,易于实现。
一种GPS同步的IRIG-B时间码发生器,包括GPS接收机1、单片机2、直流B码产生电路3和晶振电路5,GPS接收机1的秒脉冲信号分别传送给单片机2和直流B码产生电路3,GPS接收机1的时间报文数据传送给单片机2,单片机2依据时间报文数据生成码元数据,并传送给直流B码产生电路3,直流B码产生电路3接收晶振电路5的晶振信号,依据码元数据产生直流B码以及与秒脉冲信号同步的1kHZ方波信号P1K,其特征在于,该发生器还包括直流码到交流码转换电路4,用于对方波信号P1K作低通滤波及移相校正处理,得到与方波信号P1K同频同相的1kHZ正弦载波,使用直流B码对正弦载波作幅值调制,得到交流B码。
所述直流码到交流码转换电路4包括依次相接的移相器41、高阶低通滤波器42和程控放大器44,程控放大器44的增益来源于所述直流B码。
所述直流码到交流码转换电路4包括依次相接的高阶低通滤波器42、移相器41和程控放大器44,程控放大器44的增益来源于所述直流B码。
本发明的技术效果体现在:
(1)本发明采用单片机解码GPS串口输出数据,采用大规模可编程逻辑器件全硬件方式产生B码,保证了码元和相关的1kHz方波同步信号前后沿的准确性从而保证了产生的直流B码同步精度。
(2)本发明采用高阶开关电容(SCF)低通滤波器(LPF)和移相器,很简便地获得频率和相位严格同步的正弦载波,再采用程控放大器二次调制产生出高精度的交流B码。
本发明得到的交流B码精度高,整个装置结构简单,成本低,易于推广应用。
附图说明
图1为直流B码的数据帧波形图;
图2为直流B码中3种不同脉宽调制的“0”,“1”和“P”码元波形图;
图3为GPS接收机的输出信号与直流B码和交流B码的时序关系图;
图4为本发明的总体电路框图;
图5为本发明的直流B码产生电路框图;
图6为本发明的直流码到交流码转换电路框图;
图7为频率和相位与1PPS信号同步的3种码元波形图;
图8为1PPS信号与1kHz方波和1kHz正弦载波的波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实例详细说明本发明。
IRIG-B码产生器的总体电路框理如图4所示,由GPS接收机1,单片机2,直流B码产生电路3,直流码到交流码转换电路4和晶振电路5构成。GPS接收机1串行输出的NMEA-0183格式的定位定时信息(每秒1帧)接单片机2的串口输入RXD脚,由单片机2负责解码得到UTC日期,时间和闰秒等信息,并根据这些信息完成当前IRIG-B数据帧的编码,即在单片机2内部产生出相应的100x2位的码元数据(每个码元对应2比特)。
图3所示GPS接收机1输出的1PPS秒脉冲的上升沿(前沿)是与国际协调时UTC时间整秒时刻同步的。将1PPS信号接到单片机2的中断输入INT脚,利用这个边沿使单片机中断迅速将100x2位的码元数据写入直流B码产生电路3,并开始从串口接收下一帧定时定位信息。
根据图3所示的时序关系,单片机2送出的100x2位码元数据必须在1PPS秒脉冲上升沿后10ms内到达直流B码产生电路3,而串口接收滞后较大,用来进行B码编码的日期时间是上一秒接收的经过加1秒调整后的日期时间数据。
图5是所述的直流B码产生电路3,采用容量足够大的大规模可编程逻辑器件(CPLD或FPGA)实现。它包括同步分频器31,码元波形选择器32,可编程码元数据查找表33和地址计数器34等几个部分。单片机2的数据总线DBUS,地址总线ABUS,写控制线WR和晶振电路5接入直流B码产生电路3。
所述的可编程码元数据查找表33的功能类似于一个100地址x2位双端口RAM,用来存储单片机2送来的100个码元数据,其中:二进制数据01B=“0”码元;10B=“1”码元和11B=“P”码元。图5中底色为阴影的码元数据固定由硬件逻辑直接产生,不需要写入。
所述的同步分频器31包括一个200倍同步分频计数器311,一个100倍同步分频计数器312和一个10倍同步分频计数器313。1PPS秒脉冲信号接这3个分频计数器的异步(边沿)清零端CLR,在其上升沿将它们清零。这3个分频计数器为同步时序逻辑电路,其时钟输入端CLK接晶振信号,对fo=20MHz进行同步计数分频。200倍同步分频计数器311的计数使能端“E”接高电平,进位输出端“C”接100倍同步分频计数器312的计数使能端“E”和10倍同步分频计数器313计数使能端“E1”,分频输出端“O”输出一个占空比为50%的100kHz方波信号P100K。100倍同步分频计数器312的进位输出端“C”接10倍同步分频计数器313计数使能端“E2”,分频输出端“O”输出一个占空比为50%的频率和相位与1PPS信号严格同步的1kHz方波信号P1K(如图8所示)。10倍同步分频计数器313分频输出端“O1”,“O2”和“O3”分别输出输出占空比为20%,50%和80%频率和相位与1PPS信号严格同步的100Hz方波信号P100_2ms,P100_5ms和P100_8ms(如图7所示)。
所述的地址计数器34是一个100进制的递增计数器,其7位计数输出作为地址接入到可编程码元数据查找表33查找码元数据;P100_8ms信号接时钟输入信号CLK端,每个脉冲计数加一;1PPS信号接清零端CLR,在其上升沿将计数器清零。
所述的码元波形选择器32实际上是一个四选一多路选择器。选择器输入端分别接入:高电平“1”(当A2A1=00时),P100_2ms(“0”的码元波形)(当A2A1=01时),P100_5ms(“1”的码元波形)(当A2A1=10时)和P100_8ms(“P”的码元波形)(当A2A1=11时)。选择器地址输入端A2A1接可编程码元数据查找表33输出的码元数据。由于码元完全由硬件产生,单片机2并不直接参与码元波形的发生,因此选择器输出的直流B码同步精度很高。
如图6所示,所述的直流码到交流码转换路4包括移相器41,高阶SCF低通滤波器42,平滑滤波器43和程控放大器44。所述的移相器41包括非门411,选择开关412,电位器413,电容414和隔直电容415。
根据信号的频谱理论知P1K方波信号包含有直流分量,1kHz基波分量,3次(3kHz)谐波,5次(5kHz)谐波,……等频谱成分。如能将其它分量滤出,只保留1kHz基波分量就能得到同频不同相(滤波器会产生相移)的1kHz正弦载波。再通过移相器校正就能得到既同频又同相的1kHz正弦载波。
电位器413和电容414构成1阶RC低通滤波移相器。具有0~90的移相作用,改变电位器阻值可调节移相度数。P1K方波信号和经过非门411倒相后的方波信号同时接入选择开关412,可以手动选择180度移相。移相后的信号经过隔直电容415时滤除了直流分量,进入一个截止频率为1kHz的高阶(通常为8阶)开关电容(SCF)低通滤波器(LPF)42。该滤波器时钟输入为100kHz方波信号P100K,确定了其截止(-3dB)频率为1kHz,故可将基波以上的所有分量滤除净只输出1kHz正弦载波。类似于DAC的输出,开关电容滤波器的输出信号中也存在开关噪声,经平滑滤波器43滤除高频噪声后进入程控放大器(PGA)44。
调节电位器413和选择开关412的位置进行相位校正的原则是保证1kHz正弦载波在程控放大器44的输入端已实现图8所示的与1kHz方波信号和1PPS信号的同频同相。TTL电平的直流B码加在程控放大器44的增益控制输入端。增益控制端输入“1”电平和“0”电平时,设计放大器的增益比为3∶1,故程控放大器44可以输出图3所示的交流B码。
本实例也可先对P1K方波信号作滤波处理,再作移相补偿,只要得到与P1K方波信号同频同相的1kHz正弦载波即可。
所述的GPS接收机1可采用任何一款精度优于1us授时型接收机。
所述的单片机2可采用任何一款满足资源要求的单片机(MCU),数字信号处理机(DSP)或ARM。
所述的直流B码产生电路3可采用任何一款逻辑资源足够大的复杂可变成逻辑元件(CPLD)或现场可编程门阵列(FPGA)芯片实现。
所述的高阶SCF低通滤波器42可采用MAXIM公司生产的MAX291(巴特沃斯)或MAX292(贝塞尔)八阶低通滤波器。
所述的平滑滤波器43可采用一阶或二阶RC有源/无源低通滤波器实现。
所述的程控放大器44可采用AD公司生产的AD526增益可控放大器或选用单独的运放构建实现。
Claims (3)
1.一种GPS同步的IRIG-B时间码发生器,包括GPS接收机(1)、单片机(2)、直流B码产生电路(3)和晶振电路(5),GPS接收机(1)的秒脉冲信号分别传送给单片机(2)和直流B码产生电路(3),GPS接收机(1)的时间报文数据传送给单片机(2),单片机(2)依据时间报文数据生成码元数据,并传送给直流B码产生电路(3),直流B码产生电路(3)接收晶振电路(5)的晶振信号,依据码元数据产生直流B码以及与秒脉冲信号同步的1kHZ方波信号P1K,其特征在于,该发生器还包括直流码到交流码转换电路(4),用于对方波信号P1K作低通滤波及移相校正处理,得到与方波信号P1K同频同相的1kHZ正弦载波,并使用直流B码对正弦载波作幅值调制,得到交流B码。
2. 根据权利要求1所述的一种GPS同步的IRIG-B时间码发生器,其特征在于,所述直流码到交流码转换电路(4)包括依次相接的移相器(41)、高阶低通滤波器(42)、平滑滤波器(43)和程控放大器(44),程控放大器(44)的增益控制来源于所述直流B码。
3.根据权利要求1所述的一种GPS同步的IRIG-B时间码发生器,其特征在于,所述直流码到交流码转换电路(4)包括依次相接的高阶低通滤波器(42)、移相器(41)、平滑滤波器(43)和程控放大器(44),程控放大器(44)的增益控制来源于所述直流B码。
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Families Citing this family (8)
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---|---|---|---|---|
CN103997331B (zh) * | 2014-06-11 | 2017-03-22 | 四川九洲电器集团有限责任公司 | 基于fpga的高精度dc码编码方法及*** |
CN104102124B (zh) * | 2014-06-30 | 2017-04-19 | 中国西电电气股份有限公司 | 一种基于fpga的irig‑b码解码器及其解码方法 |
CN110161931A (zh) * | 2019-06-08 | 2019-08-23 | 西安电子科技大学 | 基于gps授时的fpga编码解码***及方法 |
CN111193514A (zh) * | 2019-10-25 | 2020-05-22 | 电子科技大学 | 一种高同步精度irig-b编码器 |
CN111049500B (zh) * | 2019-12-31 | 2024-02-09 | 西安中科微精光子科技股份有限公司 | 一种用于分解振镜和伺服位置的滤波器 |
CN113341687B (zh) * | 2021-06-24 | 2022-12-09 | 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 | 一种高精度自校irig-b(ac)码调制装置及方法 |
CN115118387B (zh) * | 2022-06-22 | 2024-03-26 | 北京燕山电子设备厂 | Irig-b码的解码方法、解码器、设备及存储介质 |
CN115333714A (zh) * | 2022-10-11 | 2022-11-11 | 国网信息通信产业集团有限公司 | 一种基于irig-b码的电力授时***及授时方法 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1894915A (zh) * | 2003-08-20 | 2007-01-10 | 施魏策尔工程实验公司 | 使用编码的时间信号同步采样和日历钟的*** |
CN101251755A (zh) * | 2008-03-18 | 2008-08-27 | 四方电气(集团)有限公司 | 单片机***接收irig-b码对时信号的实现方法 |
CN201369712Y (zh) * | 2009-01-16 | 2009-12-23 | 湖北天瑞电子有限公司 | 一种gps同步的irig-b时间码发生器 |
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Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1894915A (zh) * | 2003-08-20 | 2007-01-10 | 施魏策尔工程实验公司 | 使用编码的时间信号同步采样和日历钟的*** |
CN101251755A (zh) * | 2008-03-18 | 2008-08-27 | 四方电气(集团)有限公司 | 单片机***接收irig-b码对时信号的实现方法 |
CN201369712Y (zh) * | 2009-01-16 | 2009-12-23 | 湖北天瑞电子有限公司 | 一种gps同步的irig-b时间码发生器 |
Non-Patent Citations (5)
Title |
---|
史玉琴等.基于EPLD的IRIG2B编/解码器的分析与设计.《现代电子技术》.2007,(第14期),79-81. * |
姚军等.利用GPS实现高精度IRIG-B码的设计.《遥测遥控》.1997,(第2期),33-37. * |
张辉.新一代的IRIG-B码时统终端的设计.《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)信息科技辑》.2006,(第10期),I136-108. * |
李军华.高精度IRIG-B的数字方法实现.《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》.2007,(第5期),I135-256. * |
雷震等.IRIG-B格式时间码在GPS同步时钟卡中的应用.《现代电子技术》.2004,(第5期),75-76、79. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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CN101545965A (zh) | 2009-09-30 |
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