CN104808481A - 北斗和gps双模授时嵌入式时间同步设备和软件设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备和软件设计方法，以可编程逻辑器件、北斗接收机、GPS接收机和嵌入式微控制器为核心，还设有外部硬件电路集成串口、IRIG-B(DC)码输入隔离模块、IRIG-B(DC)码差分输出模块、IRIG-B(AC)码硬件输出模块及IRIG-B(AC)码输入解码模块，嵌入式微控制器连接嵌入式按键和液晶显示器，利用可编程逻辑器件与嵌入式微控制器进行IRIG-B码***设计，通过协议将GPS、北斗、直流码解码、交流码解码、守时五种方式的当前模式、当前时间信息以及模式的状态集成于一条码流中，传输给嵌入式微控制器进行串口处理后从液晶显示器显示出，满足了多种卫星授时、高精度时间同步码编码输出及输入解码以及实时时间信息显示与模式切换功能于一体的要求。

Description

北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备和软件设计方法

技术领域

本发明属于卫星授时技术领域，具体涉及一种采用北斗和GPS双模切换技术实现时间同步的设备以及其内部处理器的软件设计方法。

背景技术

时间同步设备是向测控***提供基准时间信息与频率信息的设备，只有测控***之间实现了时间同步才可进行其他一切活动。其技术的核心是授时同步和时间码的传递，随着众多授时方式的出现并快速发展，时间同步技术也终将不断地前进。

时间码的传递则主要是对IRIG-B码进行设计与运用，格式标准定制于美国靶场司令委员会下属的靶场仪器组(Inter-Range Instrumentation Group，IRIG)。作为一种重要的用于时间同步的串行时间码，IRIG-B码分为直流码(DC码)和交流码(AC码)两种格式，被广泛的运用于靶场测控中心、军队指挥中心及电力***等。

国内对于时间同步设备的研制经历了一个由国外引进到国内生产的过程。早在二十世纪50年代，因为武器的实验需要我国从苏联购买了第一套时间同步设备，后来为了满足各种实验的需求国内也相继开发出了众多类型的终端，但由于没有一个统一的标准一度出现了设备品种繁多、参数不同、体积庞大及设计原理复杂的局面，1984年我国研制出了以IRIG-B码为格式码的时间编码钟，因其同步精度、频率及可靠性等各项指标都达到要求而在1986年将IRIG-B码作为同步设备的首选码。虽其后的一段时间内因为厂商对于技术标准掌握的不纯熟而使得产品存在部分问题，但后来国家颁布的同步标准使这一情况得到了改善。从90年代到现在的二十几年里，中科院国家授时中心也相继发布了基于IRIG-B码的时间同步装置，但在功能的实现上都较为单一，诸如基于GPS实现直流码或者交流码的产生等。虽然这些产品也为业内提供了很好的标准，但是考虑到部分条件的限制，只有将GPS和我国自主研发的北斗组合起来进行双模授时才可更好地实现时间的同步。

目前现有的时间同步设备一般都是采用单一的授时方式，对于时间同步码也只是单一的编码或者解码并且对于实时时间信息没有一个显示功能。随着科学技术的发展，对于还停留在国家标准层面的时间同步码编码解码精度已经慢慢不能满足需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备和软件设计方法，该北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备和软件设计方法克服了上述诸如时间同步的授时方式及功能实现单一、时间精度不高等技术上的缺陷，满足了通过软件智能切换的多种卫星授时方式、高精度时间同步码编码输出、时间同步码输入解码以及实时时间信息显示与模式切换功能于一体的要求。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备，包括可编程逻辑器件以及分别与所述可编程逻辑器件连接的北斗接收机、GPS接收机和嵌入式微控制器，还设有分别与所述可编程逻辑器件连接的外部硬件电路集成串口、IRIG-B(DC)码输入隔离模块、IRIG-B(DC)码差分输出模块、IRIG-B(AC)码硬件输出模块以及IRIG-B(AC)码输入解码模块，其中，所述可编程逻辑器件采用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键输入接口和液晶显示输出接口，所述按键输入接口连接嵌入式按键，所述液晶显示输出接口连接嵌入式液晶显示器，上位机与所述外部硬件电路集成串口连接。

进一步地说，IRIG-B(AC)码硬件输出模块包括依次连接的DA转换芯片、低通滤波器、运算放大器和变压器。

进一步地说，IRIG-B(AC)码输入解码模块具有依次连接的隔离变压器、绝对值放大电路、过零比较电路。

进一步地说，IRIG-B(DC)码输入隔离模块具有隔离芯片和隔离电源。

进一步地说，所述可编程逻辑器件通过IO口与所述北斗接收机和所述GPS接收机连接。

进一步地说，所述可编程逻辑器件与所述IRIG-B(AC)码硬件输出模块通过IO口连接。

进一步地说，所述可编程逻辑器件与所述IRIG-B(AC)码输入解码模块之间预留有进行脉冲信号传输的IO口。

进一步地说，所述可编程逻辑器件与所述IRIG-B(DC)码输入隔离模块通过IO口连接。

上述的北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备的软件设计方法的核心思想是：利用可编程逻辑器件与嵌入式微控制器进行时间同步码IRIG-B码的***设计，通过协议的方式将GPS、北斗、直流码解码、交流码解码、守时五种方式的当前模式、当前时间信息以及模式的状态集成于一条码流中，传输给嵌入式微控制器进行串口处理操作，从而通过液晶显示器显示出来。

进一步地说，是利用可编程逻辑器件的建模思路，在可编程逻辑器件内部设计串口发送与接收通用模块，串口发送与接收通用模块接收北斗接收机发送的$GNRMC码流与GPS接收机发送的$GPRMC码流并设计解析模块提取码流中的时间、秒脉冲、定位信息，从而对时间同步码的直流码进行软件编码设计以及对北斗/GPS时间信息与定位信息进行液晶显示使用，至于北斗和GPS模式的选择则通过上位机或者嵌入式按键进行选择控制，而IRIG-B(AC)码则由IRIG-B(DC)码通过交流码形成模块逻辑设计演变而来，对于IRIG-B码的解码部分则通过硬件隔离处理后，结合可编程逻辑器件内部的模块化软件设计进行时间信息的提取，最终将北斗、GPS、IRIG-B(DC)码解码、IRIG-B(AC)码解码及守时时间五种方式的当前模式、当前时间信息及模式的状态集成于一条码流中，通过协议传输的方式传输给嵌入式微控制器进行串口处理后，通过嵌入式液晶显示器显示出来。

进一步地说，其中，北斗/GPS双模授时部分的软件设计方法如下：

北斗接收机发送的$GNRMC码流与GPS接收机发送的$GPRMC码流中包含时间信息、定位信息和秒脉冲信息，利用可编程逻辑器件对相关信息进行提取后，建立模式切换模块，模式切换模块通过判断切换命令进行北斗或GPS的选择，从而输出秒脉冲信号1PPS和时间信息TOD；

对于模式切换，这里通过两种方式实现：一种是上位机切换，上位机利用串口发送一串命令，可编程逻辑器件通过串口接收模块接收后在串口命令解析模块中提取模式命令进而切换北斗或GPS模式下时间信息使用；另一种是嵌入式按键切换，通过嵌入式按键，于显示端进行北斗或GPS模式的选择，再将信息的改变通过自定义的协议流方式发送给可编程逻辑器件进行处理，进而实现模式切换；

***默认的卫星授时模式是使用GPS模式，在模式选择的过程中，当前状态下的北斗或GPS卫星接收无效的情况下，则会切换到自定义授时模式。

更进一步地说，对于模式切换，可编程逻辑控制器通过秒脉冲触发的方式每秒钟发送协议命令给嵌入式微控制器，嵌入式液晶显示器则实时显示当前的时间及模式，当嵌入式按键进行模式切换时则发送另外的协议命令给可编程逻辑器件从而进行模式的更替。

进一步地说，其中，IRIG-B码编码部分的软件设计方法如下：

IRIG-B码的编码逻辑设计主要由IRIG-B(DC)码的编码和IRIG-B(AC)码的编码两部分组成，IRIG-B(DC)码的编码逻辑设计是通过一个case语句将时间信息转换成直流信号，而IRIG-B(AC)码的编码逻辑则是通过设计将直流码变换成交流码的数字形式，便于后续的硬件处理。

更进一步地说，IRIG-B(DC)码编码逻辑设计方法如下：

IRIG-B码的码元宽度为10ms，所以在可编程逻辑器件内部进行逻辑电路设计时只需考虑代表0、1和位置识别码三个数据的时钟计数值以及双模授时提供的秒脉冲与DC码的起始标志之间的同步，前者的三个值都是通过计数寄存器进行宽度设定，而后者则通过检测到秒脉冲的高电平后启动寄存器计数方法来实现同步；

编码模块设计中最重要的便是状态机的使用，完整的编码形成过程由54个状态转移完成，状态机中分为三个启动信号c2、c5、c8，c2为低电平启动信号，c5为高电平启动信号，c8为位置识别码的启动信号，由于使用50MHz的时钟进行***的逻辑电路设计，所以每个码元需要500_000个时钟周期，当c2启动时计数器需计数100_000个时钟周期的高电平，400_000个时钟周期的低电平来表示直流码中的低电平“0”，高电平和位置识别码表示方法类推；状态机中状态0表示当秒脉冲高电平到来时启动c8，当计数器计数到19’d499_999即宽度已达10ms时关闭c8转向状态1，否则在状态0中循环等待并将三个启动信号都清0；状态1～4用来产生当前秒个位的BCD码输出，通过判断每位的高低电平来启动c2或者c8；状态5是一个索引标志位为低电平只需启动c2即可；状态6～8用来产生当前秒十位的BCD码输出，生成的方法和秒个位方法一致；状态10～18用来产生当前分钟信息的输出；状态20～26用来产生当前时信息的输出；状态30～38、40～41用来产生当前天数信息的输出；状态9、19、29、39和状态52用来进行P1～P9的产生；状态53为最后一个状态用来产生P0，最后要留下1ms时间转到状态0用来等待秒脉冲高电平的到来，从而使脉冲精度达到最高；其他的状态都是用来产生低电平信号的输出；状态机设定完毕后，为了保证前端数据的接收的完整性，在检测到秒脉冲的上升沿时即进行时间信息的更新，这可以起到每秒钟刷新时间的效果。

更进一步地说，其中，IRIG-B(AC)码编码逻辑设计方法如下：

IRIG-B(AC)码的数字信号形成是由IRIG-B(DC)码输入到地址产生模块、正弦值ROM存储表模块以及DA转换模块后得到的。

进一步地说，其中，IRIG-B(DC)码解码逻辑设计方法如下：

此模块的设计核心是对码元的识别，将主时钟分频产生的10kHz脉冲作为直流码解码模块的全局时钟，DC码在传输过程中由于通道的干扰会发生部分形变，这就使得每一个码元的宽度可能会发生变化，所以在进行高电平个数判断时规定“P”的时钟个数为70～90，逻辑"0"的时钟个数为10～30，逻辑“1”的时钟个数为40～60，识别了码元的宽度即可进行相关信息的判断与提取，主要分为两个部分：秒脉冲的提取与时间信息的提取：

一.DC码秒脉冲的同步提取

对于秒脉冲的提取，采用下述三种方法中的至少一种：

1)精准计数法

采用三个状态对DC码的秒脉冲进行监测提取，状态S0表示当监测到一个8ms脉宽后跳转到状态S1否则不断循环查找；状态S1表示当再次监测到一个8ms脉宽后，跳转到状态S2，否者跳转到状态S0重新监测；状态S2表示此时已检查到两个8ms脉宽，当检测到PR后面一个码元的上升沿时，给予一个启动信号后跳转到状态S0进行继续监测，而这个启动信号则开启延时寄存器的延时计数，当延时990ms时给予一个宽度为1ms的高脉冲，而这个高脉冲即是所需的秒脉冲；

2)位标检测法

给予每一个识别码不同的标号，从P9的标号10到P0的标号0逐一递减，并利用状态机中的三个状态进行秒脉冲的提取，状态S0起到一个监测脉宽和对标号进行加法处理的作用，如果下一个状态位是PR，则此时标号应该为11，立刻赋为0且检查到一个8ms脉宽，则需开启一个启动开关，用来产生秒脉冲；状态S1则主要用于状态的监测，当检测到的脉宽是8ms时跳转到状态S2，否则返回到状态S0继续监测；状态S2的主要功能是给予当前PR状态的标号置1；

3)波形相‘与’法

此方法与精准计数法的不同点在于计数的时间，这里只需要计数到989.5ms即可，留下1.5ms作为一个伪秒脉冲1pps_1，最后将DC码与伪秒脉冲进行相“与”操作从而得到秒脉冲；

二.时间信息提取

对于码流中时间的提取这里通过记录、转换及BCD码三个模块进行整体设计，记录模块的主要作用是用来记录每两个位置识别标志P之间的标号、每个码元所对应的位数和代表此码元高电平宽度的时钟个数，转换模块的功能是利用前端所提取出来的码元计数宽度和位数来进行整体判断从而得出每位相应的二进制码，BCD码模块的功能是将前端提取的二进制码变换成对应的BCD码。

进一步地说，其中，IRIG-B(AC)码解码逻辑设计方法如下：

交流信号在信道中进行传输时会发生形变、衰减等现象，如需将交流信号中的信息提取出来，就必须先对其进行波形处理，对AC码进行硬件处理后，所产生的的脉冲信号及正弦信号都需要连接到嵌入式微控制器中进行幅值的提取，这就利用到了STM32F103RBT6的外部中断和AD转换功能，由于常规的AC码幅值在3～5V之间所以按照设计要求先调节滑动变阻器将电压的幅值控制在1.8～3V之间，再通过判断采集到的值是否大于1.4V这个中间值来产生直流脉冲，由于通过嵌入式微控制器生成的直流脉冲除了比标准的DC码延时250μs之外，所含的时间信息是一样的，所以在解码操作上只是秒脉冲的提取方法有差别，对于秒脉冲提取只能使用所述波形相“与”法。

本发明的有益效果是：

1)授时模式的选择上集成北斗与GPS两种、模式切换上采用上位机串口处理与嵌入式按键处理两种方式协同工作；

2)设备功能上集成时间同步码编解码一体化；

3)利用嵌入式微控制器与可编程逻辑器件之间建立独特的协议通道，用于对北斗/GPS/直流码解码/交流码解码/自定义守时五种时间及状态进行显示；

4)在直流码解码模块逻辑设计中，提出新型的方式使得直流码精度远远高出现有标准(标准1us，编码精度80ns，解码精度60ns)；

5)在直流码解码硬件设计中，采用隔离方式使得可编程逻辑器件避免击穿问题；

6)在交流码编码模块设计中，使用较为先进的AD转换芯片进行电路设计，从而提升交流码输出的稳定性与精度；

7)在交流码解码模块设计中，使用较为先进的嵌入式微控制器进行电路设计，从而提升交流码解码效率。

附图说明

图1为本发明的北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备的原理框图；

图2为本发明的可编程逻辑器件内部软件建模设计框图；

图3为本发明的可编程逻辑器件内部逻辑设计框体；

图4为本发明的北斗/GPS模式选择切换流程图；

图5为本发明的IRIG-B(DC)码编码模块的RTL视图；

图6为本发明的IRIG-B(AC)码编码模块的RTL视图；

图7为本发明的DC码秒脉冲的同步提取方法图；

图8为本发明的DC码时间信息提取RTL视图；

图9为本发明的IRIG-B(AC)码解码总体设计框图；

图10为本发明的AC码的幅度采集流程图；

图11为本发明的IRIG-B(AC)码输入解码模块的硬件原理图；

图12为本发明的嵌入式液晶显示器模式设置图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的具体实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的优点及功效。本发明也可以其它不同的方式予以实施，即，在不悖离本发明所揭示的范畴下，能予不同的修饰与改变。

实施例：一种北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备，包括可编程逻辑器件1以及分别与所述可编程逻辑器件连接的北斗接收机2、GPS接收机3和嵌入式微控制器4，还设有分别与所述可编程逻辑器件连接的外部硬件电路集成串口5、IRIG-B(DC)码输入隔离模块6、IRIG-B(DC)码差分输出模块7、IRIG-B(AC)码硬件输出模块8以及IRIG-B(AC)码输入解码模块9，如图1所示。其中，所述可编程逻辑器件采用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键输入接口和液晶显示输出接口，所述按键输入接口连接嵌入式按键，所述液晶显示输出接口连接嵌入式液晶显示器，上位机与所述外部硬件电路集成串口连接。

IRIG-B(AC)码硬件输出模块包括依次连接的DA转换芯片、低通滤波器、运算放大器和变压器，可编程逻辑器件内部设计最终输出的是交流码的数字信号，通过DA转换芯片及后续处理输出模拟信号，DA转换芯片输出差分信号后，为了防止干扰将信号经过7阶低通滤波器进行滤波处理，由于经过滤波器后的信号还是差分信号，所以要将差分信号经过运算放大器变成单端信号。

IRIG-B(AC)码输入解码模块具有依次连接的隔离变压器、绝对值放大电路、过零比较电路。IRIG-B(AC)码于信道传输后发生变形衰减等现象，在进行解码时肯定需要对其进行硬件处理，隔离变压器是为了将输入的交流信号进行隔直通交处理，绝对值放大电路是用来产生两路等幅反相的交流信号，过零比较电路是为了生成解码所需的频率信号，IRIG-B(AC)码输入解码模块的硬件原理图如图11所示。

IRIG-B(DC)码输入隔离模块具有隔离芯片和隔离电源。

所述可编程逻辑器件通过IO口与所述北斗接收机和所述GPS接收机连接。

所述可编程逻辑器件与所述IRIG-B(AC)码硬件输出模块通过IO口连接。

所述可编程逻辑器件与所述IRIG-B(AC)码输入解码模块之间预留有进行脉冲信号传输的IO口。

所述可编程逻辑器件与所述IRIG-B(DC)码输入隔离模块通过IO口连接。

上述的北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备的软件设计方法，利用可编程逻辑器件的建模思路，在可编程逻辑器件内部设计串口发送与接收通用模块，串口发送与接收通用模块接收北斗接收机发送的$GNRMC码流与GPS接收机发送的$GPRMC码流并设计解析模块提取码流中的时间、秒脉冲、定位信息，从而对时间同步码的直流码进行软件编码设计以及对北斗/GPS时间信息与定位信息进行液晶显示使用，至于北斗和GPS模式的选择则通过上位机或者嵌入式按键进行选择控制，而IRIG-B(AC)码则由IRIG-B(DC)码通过交流码形成模块逻辑设计演变而来，可编程逻辑器件内部软件建模设计框图如图2所示。对于IRIG-B码的解码部分则通过硬件隔离处理后，结合可编程逻辑器件内部的模块化软件设计进行时间信息的提取，最终将北斗、GPS、IRIG-B(DC)码解码、IRIG-B(AC)码解码及守时时间五种方式的当前模式、当前时间信息及模式的状态集成于一条码流中，通过协议传输的方式传输给嵌入式微控制器进行串口处理后，通过嵌入式液晶显示器显示出来(默认状态为GPS接收状态)，如图12所示。

其中，北斗/GPS双模授时部分的软件设计方法如下：

北斗接收机发送的$GNRMC码流与GPS接收机发送的$GPRMC码流中包含时间信息、定位信息和秒脉冲信息，利用可编程逻辑器件对相关信息进行提取后，建立模式切换模块，模式切换模块通过判断切换命令进行北斗或GPS的选择，从而输出秒脉冲信号1PPS和时间信息TOD；

对于模式切换，这里通过两种方式实现：一种是上位机切换，上位机利用串口发送一串命令，可编程逻辑器件通过串口接收模块接收后在串口命令解析模块中提取模式命令进而切换北斗或GPS模式下时间信息使用；另一种是嵌入式按键切换，通过嵌入式按键，于显示端进行北斗或GPS模式的选择，再将信息的改变通过自定义的协议流方式发送给可编程逻辑器件进行处理，进而实现模式切换，两种切换方式的优先级是上位机切换为主、嵌入式按键切换为辅。

***默认的卫星授时模式是使用GPS模式，在模式选择的过程中，当前状态下的北斗或GPS卫星接收无效的情况下，则会切换到自定义授时模式，其流程图设计如图4所示。

对于模式切换，可编程逻辑控制器通过秒脉冲触发的方式每秒钟发送协议命令给嵌入式微控制器，嵌入式液晶显示器则实时显示当前的时间及模式，当嵌入式按键进行模式切换时则发送另外的协议命令给可编程逻辑器件从而进行模式的更替，其逻辑设计如图12所示。

其中，IRIG-B码编码部分的软件设计方法如下：

IRIG-B码的编码逻辑设计主要由IRIG-B(DC)码的编码和IRIG-B(AC)码的编码两部分组成，IRIG-B(DC)码的编码逻辑设计是通过一个case语句将时间信息转换成直流信号，而IRIG-B(AC)码的编码逻辑则是通过设计将直流码变换成交流码的数字形式，便于后续的硬件处理。

IRIG-B(DC)码编码逻辑设计方法如下：

IRIG-B码的码元宽度为10ms，所以在可编程逻辑器件内部进行逻辑电路设计时只需考虑代表0、1和位置识别码三个数据的时钟计数值以及双模授时提供的秒脉冲与DC码的起始标志之间的同步，前者的三个值都是通过计数寄存器进行宽度设定，而后者则通过检测到秒脉冲的高电平后启动寄存器计数方法来实现同步；

编码模块设计中最重要的便是状态机的使用，完整的编码形成过程由54个状态转移完成，状态机中分为三个启动信号c2、c5、c8，c2为低电平启动信号，c5为高电平启动信号，c8为位置识别码的启动信号，由于使用50MHz的时钟进行***的逻辑电路设计，所以每个码元需要500_000个时钟周期，当c2启动时计数器需计数100_000个时钟周期的高电平，400_000个时钟周期的低电平来表示直流码中的低电平“0”，高电平和位置识别码表示方法类推；状态机中状态0表示当秒脉冲高电平到来时启动c8，当计数器计数到19’d499_999即宽度已达10ms时关闭c8转向状态1，否则在状态0中循环等待并将三个启动信号都清0；状态1～4用来产生当前秒个位的BCD码输出，通过判断每位的高低电平来启动c2或者c8；状态5是一个索引标志位为低电平只需启动c2即可；状态6～8用来产生当前秒十位的BCD码输出，生成的方法和秒个位方法一致；状态10～18用来产生当前分钟信息的输出；状态20～26用来产生当前时信息的输出；状态30～38、40～41用来产生当前天数信息的输出；状态9、19、29、39和状态52用来进行P1～P9的产生；状态53为最后一个状态用来产生P0，最后要留下1ms时间转到状态0用来等待秒脉冲高电平的到来，从而使脉冲精度达到最高；其他的状态都是用来产生低电平信号的输出；状态机设定完毕后，为了保证前端数据的接收的完整性，在检测到秒脉冲的上升沿时即进行时间信息的更新，这可以起到每秒钟刷新时间的效果，IRIG-B(DC)码编码模块的RTL视图如图5所示。

IRIG-B(AC)码编码逻辑设计方法如下：IRIG-B(AC)码的数字信号形成是由IRIG-B(DC)码输入到地址产生模块、正弦值ROM存储表模块以及DA转换模块后得到的，三个模块在可编程逻辑器件中设计产生的RTL视图如图6所示，地址产生模块U1用于产生输出正弦波的地址，考虑到正弦波的精度问题这里使用1000个点进行采集，因此1kHz的正弦波频率使得AC码编码模块中的时钟频率为1MHz，当检测到DC码的高电平时地址从1024开始每个时钟加1一直加到2023，当检测到DC码的低电平时地址从0开始每个时钟加1一直加到999，以此来完成地址产生模块的设计；正弦值ROM存储表模块U2则是利用Altera公司Quartus II 9.0中定制的rom构造.mif文件从而进行两种幅值不同但频率都为1kHz的正弦波值存储；DA转换模块U3主要是将数字信号转换成适合DA转换芯片格式的数据。

IRIG-B(DC)码解码逻辑设计方法如下：此模块的设计核心是对码元的识别，将主时钟分频产生的10kHz脉冲作为直流码解码模块的全局时钟，DC码在传输过程中由于通道的干扰会发生部分形变，这就使得每一个码元的宽度可能会发生变化，所以在进行高电平个数判断时规定“P”的时钟个数为70～90，逻辑"0"的时钟个数为10～30，逻辑“1”的时钟个数为40～60，识别了码元的宽度即可进行相关信息的判断与提取，主要分为两个部分：秒脉冲的提取与时间信息的提取：

一.DC码秒脉冲的同步提取

对于秒脉冲的提取，采用下述三种方法中的至少一种：

1)精准计数法

采用三个状态对DC码的秒脉冲进行监测提取，状态S0表示当监测到一个8ms脉宽后跳转到状态S1否则不断循环查找；状态S1表示当再次监测到一个8ms脉宽后，跳转到状态S2，否者跳转到状态S0重新监测；状态S2表示此时已检查到两个8ms脉宽，当检测到PR后面一个码元的上升沿时，给予一个启动信号后跳转到状态S0进行继续监测，而这个启动信号则开启延时寄存器的延时计数，当延时990ms时给予一个宽度为1ms的高脉冲，而这个高脉冲即是所需的秒脉冲，理论思想如图9所示；

2)位标检测法

给予每一个识别码不同的标号，从P9的标号10到P0的标号0逐一递减，并利用状态机中的三个状态进行秒脉冲的提取，状态S0起到一个监测脉宽和对标号进行加法处理的作用，如果下一个状态位是PR，则此时标号应该为11，立刻赋为0且检查到一个8ms脉宽，则需开启一个启动开关，用来产生秒脉冲；状态S1则主要用于状态的监测，当检测到的脉宽是8ms时跳转到状态S2，否则返回到状态S0继续监测；状态S2的主要功能是给予当前PR状态的标号置1，其理论思想如图9所示；

3)波形相‘与’法

此方法与精准计数法的不同点在于计数的时间，这里只需要计数到989.5ms即可，留下1.5ms作为一个伪秒脉冲1pps_1，最后将DC码与伪秒脉冲进行相“与”操作从而得到秒脉冲，其理论思想如图9所示；

二.时间信息提取

对于码流中时间的提取这里通过记录、转换及BCD码三个模块进行整体设计，所产生的RTL视图如图8所示，记录模块U2的主要作用是用来记录每两个位置识别标志P之间的标号(biaoh)、每个码元所对应的位数(wei)和代表此码元高电平宽度的时钟个数(temp)，clk为10kHz的时钟信号，bcode是直流码的输入信号，pps是前端解调出来的秒脉冲信号；转换模块U3的功能是利用前端所提取出来的码元计数宽度和位数来进行整体判断从而得出每位相应的二进制码；BCD码模块U4的功能是将前端提取的二进制码变换成对应的BCD码，标号被代表每一段的时间区域，加上已经提取出的data信息，故通过标号可以进行时间信息的读取。

IRIG-B(AC)码解码逻辑设计方法如下：交流信号在信道中进行传输时会发生形变、衰减等现象，如需将交流信号中的信息提取出来，就必须先对其进行波形处理，对AC码进行硬件处理后，所产生的的脉冲信号及正弦信号都需要连接到嵌入式微控制器中进行幅值的提取，这就利用到了STM32F103RBT6的外部中断和AD转换功能，由于常规的AC码幅值在3～5V之间所以按照设计要求先调节滑动变阻器将电压的幅值控制在1.8～3V之间，再通过判断采集到的值是否大于1.4V这个中间值来产生直流脉冲，IRIG-B(AC)码解码总体设计框图如图9所示，AC码的幅度采集流程图如图10所示，由于通过嵌入式微控制器生成的直流脉冲除了比标准的DC码延时250μs之外，所含的时间信息是一样的，所以在解码操作上只是秒脉冲的提取方法有差别，对于秒脉冲提取只能使用所述波形相“与”法。

Claims (17)

1.一种北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备，其特征在于：包括可编程逻辑器件(1)以及分别与所述可编程逻辑器件连接的北斗接收机(2)、GPS接收机(3)和嵌入式微控制器(4)，还设有分别与所述可编程逻辑器件连接的外部硬件电路集成串口(5)、IRIG-B(DC)码输入隔离模块(6)、IRIG-B(DC)码差分输出模块(7)、IRIG-B(AC)码硬件输出模块(8)以及IRIG-B(AC)码输入解码模块(9)，其中，所述可编程逻辑器件采用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键输入接口和液晶显示输出接口，所述按键输入接口连接嵌入式按键，所述液晶显示输出接口连接嵌入式液晶显示器，上位机与所述外部硬件电路集成串口连接。

2.如权利要求1所述的北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备，其特征在于：IRIG-B(AC)码硬件输出模块包括依次连接的DA转换芯片、低通滤波器、运算放大器和变压器。

3.如权利要求1所述的北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备，其特征在于：IRIG-B(AC)码输入解码模块具有依次连接的隔离变压器、绝对值放大电路、过零比较电路。

4.如权利要求1所述的北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备，其特征在于：IRIG-B(DC)码输入隔离模块具有隔离芯片和隔离电源。

5.如权利要求1所述的北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备，其特征在于：所述可编程逻辑器件通过IO口与所述北斗接收机和所述GPS接收机连接。

6.如权利要求1所述的北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备，其特征在于：所述可编程逻辑器件与所述IRIG-B(AC)码硬件输出模块通过IO口连接。

7.如权利要求1所述的北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备，其特征在于：所述可编程逻辑器件与所述IRIG-B(AC)码输入解码模块之间预留有进行脉冲信号传输的IO口。

8.如权利要求1所述的北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备，其特征在于：所述可编程逻辑器件与所述IRIG-B(DC)码输入隔离模块通过IO口连接。

9.一种如权利要求1所述的北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备的软件设计方法，其特征在于：利用可编程逻辑器件与嵌入式微控制器进行时间同步码IRIG-B码的***设计，通过协议的方式将GPS、北斗、直流码解码、交流码解码、守时五种方式的当前模式、当前时间信息以及模式的状态集成于一条码流中，传输给嵌入式微控制器进行串口处理操作，从而通过液晶显示器显示出来。

10.如权利要求9所述的北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备的软件设计方法，其特征在于：利用可编程逻辑器件的建模思路，在可编程逻辑器件内部设计串口发送与接收通用模块，串口发送与接收通用模块接收北斗接收机发送的$GNRMC码流与GPS接收机发送的$GPRMC码流并设计解析模块提取码流中的时间、秒脉冲、定位信息，从而对时间同步码的直流码进行软件编码设计以及对北斗/GPS时间信息与定位信息进行液晶显示使用，至于北斗和GPS模式的选择则通过上位机或者嵌入式按键进行选择控制，而IRIG-B(AC)码则由IRIG-B(DC)码通过交流码形成模块逻辑设计演变而来，对于IRIG-B码的解码部分则通过硬件隔离处理后，结合可编程逻辑器件内部的模块化软件设计进行时间信息的提取，最终将北斗、GPS、IRIG-B(DC)码解码、IRIG-B(AC)码解码及守时时间五种方式的当前模式、当前时间信息及模式的状态集成于一条码流中，通过协议传输的方式传输给嵌入式微控制器进行串口处理后，通过嵌入式液晶显示器显示出来。

11.如权利要求10所述的北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备的软件设计方法，其特征在于：北斗/GPS双模授时部分的软件设计方法：

北斗接收机发送的$GNRMC码流与GPS接收机发送的$GPRMC码流中包含时间信息、定位信息和秒脉冲信息，利用可编程逻辑器件对相关信息进行提取后，建立模式切换模块，模式切换模块通过判断切换命令进行北斗或GPS的选择，从而输出秒脉冲信号1PPS和时间信息TOD；

对于模式切换，这里通过两种方式实现：一种是上位机切换，上位机利用串口发送一串命令，可编程逻辑器件通过串口接收模块接收后在串口命令解析模块中提取模式命令进而切换北斗或GPS模式下时间信息使用；另一种是嵌入式按键切换，通过嵌入式按键，于显示端进行北斗或GPS模式的选择，再将信息的改变通过自定义的协议流方式发送给可编程逻辑器件进行处理，进而实现模式切换；

***默认的卫星授时模式是使用GPS模式，在模式选择的过程中，当前状态下的北斗或GPS卫星接收无效的情况下，则会切换到自定义授时模式。

12.如权利要求11所述的北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备的软件设计方法，其特征在于：对于模式切换，可编程逻辑控制器通过秒脉冲触发的方式每秒钟发送协议命令给嵌入式微控制器，嵌入式液晶显示器则实时显示当前的时间及模式，当嵌入式按键进行模式切换时则发送另外的协议命令给可编程逻辑器件从而进行模式的更替。

13.如权利要求10所述的北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备的软件设计方法，其特征在于：IRIG-B码编码部分的软件设计方法：

IRIG-B码的编码逻辑设计主要由IRIG-B(DC)码的编码和IRIG-B(AC)码的编码两部分组成，IRIG-B(DC)码的编码逻辑设计是通过一个case语句将时间信息转换成直流信号，而IRIG-B(AC)码的编码逻辑则是通过设计将直流码变换成交流码的数字形式，便于后续的硬件处理。

14.如权利要求13所述的北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备的软件设计方法，其特征在于：IRIG-B(DC)码编码逻辑设计方法：

IRIG-B码的码元宽度为10ms，所以在可编程逻辑器件内部进行逻辑电路设计时只需考虑代表0、1和位置识别码三个数据的时钟计数值以及双模授时提供的秒脉冲与DC码的起始标志之间的同步，前者的三个值都是通过计数寄存器进行宽度设定，而后者则通过检测到秒脉冲的高电平后启动寄存器计数方法来实现同步；

编码模块设计中最重要的便是状态机的使用，完整的编码形成过程由54个状态转移完成，状态机中分为三个启动信号c2、c5、c8，c2为低电平启动信号，c5为高电平启动信号，c8为位置识别码的启动信号，由于使用50MHz的时钟进行***的逻辑电路设计，所以每个码元需要500_000个时钟周期，当c2启动时计数器需计数100_000个时钟周期的高电平，400_000个时钟周期的低电平来表示直流码中的低电平“0”，高电平和位置识别码表示方法类推；状态机中状态0表示当秒脉冲高电平到来时启动c8，当计数器计数到19’d499_999即宽度已达10ms时关闭c8转向状态1，否则在状态0中循环等待并将三个启动信号都清0；状态1～4用来产生当前秒个位的BCD码输出，通过判断每位的高低电平来启动c2或者c8；状态5是一个索引标志位为低电平只需启动c2即可；状态6～8用来产生当前秒十位的BCD码输出，生成的方法和秒个位方法一致；状态10～18用来产生当前分钟信息的输出；状态20～26用来产生当前时信息的输出；状态30～38、40～41用来产生当前天数信息的输出；状态9、19、29、39和状态52用来进行P1～P9的产生；状态53为最后一个状态用来产生P0，最后要留下1ms时间转到状态0用来等待秒脉冲高电平的到来，从而使脉冲精度达到最高；其他的状态都是用来产生低电平信号的输出；状态机设定完毕后，为了保证前端数据的接收的完整性，在检测到秒脉冲的上升沿时即进行时间信息的更新，这可以起到每秒钟刷新时间的效果。

15.如权利要求13所述的北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备的软件设计方法，其特征在于：IRIG-B(AC)码编码逻辑设计方法：

IRIG-B(AC)码的数字信号形成是由IRIG-B(DC)码输入到地址产生模块、正弦值ROM存储表模块以及DA转换模块后得到的。

16.如权利要求10所述的北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备的软件设计方法，其特征在于：IRIG-B(DC)码解码逻辑设计方法：

此模块的设计核心是对码元的识别，将主时钟分频产生的10kHz脉冲作为直流码解码模块的全局时钟，DC码在传输过程中由于通道的干扰会发生部分形变，这就使得每一个码元的宽度可能会发生变化，所以在进行高电平个数判断时规定“P”的时钟个数为70～90，逻辑"0"的时钟个数为10～30，逻辑“1”的时钟个数为40～60，识别了码元的宽度即可进行相关信息的判断与提取，主要分为两个部分：秒脉冲的提取与时间信息的提取：

一.DC码秒脉冲的同步提取

对于秒脉冲的提取，采用下述三种方法中的至少一种：

1)精准计数法

采用三个状态对DC码的秒脉冲进行监测提取，状态S0表示当监测到一个8ms脉宽后跳转到状态S1否则不断循环查找；状态S1表示当再次监测到一个8ms脉宽后，跳转到状态S2，否者跳转到状态S0重新监测；状态S2表示此时已检查到两个8ms脉宽，当检测到PR后面一个码元的上升沿时，给予一个启动信号后跳转到状态S0进行继续监测，而这个启动信号则开启延时寄存器的延时计数，当延时990ms时给予一个宽度为1ms的高脉冲，而这个高脉冲即是所需的秒脉冲；

2)位标检测法

给予每一个识别码不同的标号，从P9的标号10到P0的标号0逐一递减，并利用状态机中的三个状态进行秒脉冲的提取，状态S0起到一个监测脉宽和对标号进行加法处理的作用，如果下一个状态位是PR，则此时标号应该为11，立刻赋为0且检查到一个8ms脉宽，则需开启一个启动开关，用来产生秒脉冲；状态S1则主要用于状态的监测，当检测到的脉宽是8ms时跳转到状态S2，否则返回到状态S0继续监测；状态S2的主要功能是给予当前PR状态的标号置1；

3)波形相‘与’法

此方法与精准计数法的不同点在于计数的时间，这里只需要计数到989.5ms即可，留下1.5ms作为一个伪秒脉冲1pps_1，最后将DC码与伪秒脉冲进行相“与”操作从而得到秒脉冲；

二.时间信息提取

对于码流中时间的提取这里通过记录、转换及BCD码三个模块进行整体设计，记录模块的主要作用是用来记录每两个位置识别标志P之间的标号、每个码元所对应的位数和代表此码元高电平宽度的时钟个数，转换模块的功能是利用前端所提取出来的码元计数宽度和位数来进行整体判断从而得出每位相应的二进制码；BCD码模块的功能是将前端提取的二进制码变换成对应的BCD码。

17.如权利要求16所述的北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备的软件设计方法，其特征在于：IRIG-B(AC)码解码逻辑设计方法：

交流信号在信道中进行传输时会发生形变、衰减等现象，如需将交流信号中的信息提取出来，就必须先对其进行波形处理，对AC码进行硬件处理后，所产生的的脉冲信号及正弦信号都需要连接到嵌入式微控制器中进行幅值的提取，这就利用到了STM32F103RBT6的外部中断和AD转换功能，由于常规的AC码幅值在3～5V之间所以按照设计要求先调节滑动变阻器将电压的幅值控制在1.8～3V之间，再通过判断采集到的值是否大于1.4V这个中间值来产生直流脉冲，由于通过嵌入式微控制器生成的直流脉冲除了比标准的DC码延时250μs之外，所含的时间信息是一样的，所以在解码操作上只是秒脉冲的提取方法有差别，对于秒脉冲提取只能使用所述波形相“与”法。