CN111193514A

CN111193514A - 一种高同步精度irig-b编码器

Info

Publication number: CN111193514A
Application number: CN201911023125.5A
Authority: CN
Inventors: 石玉; 张鲁宁; 尉旭波
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2020-05-22

Abstract

本发明公开了一种高同步精度IRIG‑B编码器，属于电子通信技术领域，包括GPS模块，用于输出时间信息和时标信息；主控芯片，用于连接所述GPS模块，并接收所述时间信息和时标信息，利用所述时标信息产生定时信号，并利用所述定时信号对所述时间信息进行编码；同步电路，用于连接所述GPS模块和主控芯片，接收所述时标信息和编码后的时间信息，利用所述时标信息对编码后的时间信息进行输出同步，得到同步后的B码；本发明同步精度高，成本低，且实现简单。

Description

一种高同步精度IRIG-B编码器

技术领域

本发明涉及电子通信技术领域，具体涉及一种高同步精度IRIG-B编码器。

背景技术

IRIG(Inter Range Instrumentation)是美国靶场委员会所属的关于指定标准时间码格式的机构。IRIG-B(简称B码)是其中一个时间码标准，时统总站通过GPS或北斗获得准确时间信息后，编码为B码格式，以秒脉冲(PPS)作为触发信号，与各个设备分机进行通信对时，各分机设备完成B码解码，获取总站时间信息，同步时间基准，协同其它设备分机完成信息及信号的处理。各分机设备也需要通过B码，校正自身时间基准，并及时上传本分机信息信号处理的时间，以便于总站及时完成日志记录，统一协调各分机制定信息处理任务。

IRIG-B为脉宽编码，分为DC直流码和AC交流码两种类型。其中DC直流码时帧速率为1帧/s，每个码元宽度为10ms，一个时帧周期包含100个码元，这 100个码元分为80％、50％、20％三种不同占空比，分别代表P、1、0，三种码元。 P码元为位置索引，用于区分B码中秒、分、时、天、月、年的位置；1码元、0 码元用来组合表示时间信息。同步精度是指秒脉冲(PPS)的到达时间与B码编码完成到输出的时间间隔，时间间隔越短，同步精度越高。

大多数IRIG-B编码器都采用FPGA芯片控制，成本相对较高，获取GPS时间信息一般采用串口通信方式，FPGA芯片本身未集成串口通信功能，这部分需用 FPGA编程进行模拟，编码采用查表机制或调用IP核，涉及较多的状态机，无疑加重编码程序的工作量。

发明内容

本发明的目的在于：本发明提供了一种高同步精度IRIG-B编码器，解决了目前的编码器实现方式复杂且同步精度低的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种高同步精度IRIG-B编码器，包括

GPS模块，用于输出时间信息和时标信息；

主控芯片，用于连接所述GPS模块，并接收所述时间信息和时标信息，利用所述时标信息产生定时信号，并利用所述定时信号对所述时间信息进行编码；

同步电路，用于连接所述GPS模块和主控芯片，接收所述时标信息和编码后的时间信息，利用所述时标信息对编码后的时间信息进行输出同步，得到同步后的B码。

进一步的，所述主控芯片为单片机。

进一步的，所述单片机的串口通信引脚连接所述GPS模块的时间信息输出引脚，所述单片机的外部中断引脚连接所述GPS模块的时标信息输出引脚。

进一步的，所述同步电路包括同步芯片和***门电路，所述***门电路包括非门、与门和或门；

所述非门的输入端连接所述GPS模块的时标信息输出引脚，所述非门的输出端连接所述单片机的外部中断引脚；

所述与门的一个输入端连接所述GPS模块的时标信息输出引脚，另一个输入端连接单片机的输出引脚A，用于单片机输出控制信号至所述与门，所述与门的输出端连接所述或门的一个输入端；

所述或门的另一输入端连接所述单片机的输出引脚B，用于单片机输出控制信号至所述或门，所述或门的输出端连接所述同步芯片CP引脚；

所述同步芯片的输入端连接所述单片机的输出引脚C，用于单片机将所述编码后时间信息输出至所述同步芯片，所述同步芯片的输出端用于输出同步后的B 码。

进一步的，所述同步芯片为RS触发器。

进一步的，所述同步芯片的输出端还通过输出隔离器连接RS422接口，用于将同步后的B码输出至外接设备。

进一步的，所述GPS模块包括GPS驯服芯片和GPS，所述GPS驯服芯片的天线与所述GPS的天线连接，用于接收所述GPS卫星信号中的时间信息和时标信息，所述GPS驯服芯片的时间信号输出引脚连接所述主控芯片，所述GPS驯服芯片的时标信号输出引脚连接所述主控芯片和所述同步电路。

进一步的，还包括电源电路，用于对整个编码器进行供电，所述电源电路包括电源、电源转换电路和电平转换电路，所述电源转换电路的输入端连接所述电源，所述电源转换电路的输出端输出5V供电电压，所述电源转换电路的输出端还连接所述电平转换电路，所述电平转换电路输出3.3V供电电压。

综上所述，由于采用上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明同步精度高，同步精度为12ns左右；成本低，且实现简单。

本发明电路结构简单、易于实现，采用数字电路(主控芯片)加模拟电路相结合的实现方式，相比仅从模拟角度使用门电路搭建B码编码电路的方法，从一点程度上优化了电路结构，使整个电路易于实现、方便调试。

本发明稳定性好，整个B码编码电路加入隔离电路、具有隔离输入输出和一定程度的电路滤波功能，使整个B码编码电路具有较强的抗干扰能力，有效的保证B码输出的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的总体框架图；

图2为本发明中标准IRIG-B码帧结构图；

图3为本发明中IRIG-B码3种码元编码示意图；

图4为本发明中IRIG-B编码器程序流程图；

图5为本发明的B码编码器的仿真波形图；

图6为本发明的B码编码器的实际测试波形图；

图7为本发明的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

一种高同步精度IRIG-B编码器，包括

GPS模块，用于输出时间信息和时标信息；

进一步的，所述主控芯片为单片机。

进一步的，所述同步芯片为RS触发器。

进一步的，所述GPS模块包括GPS驯服芯片和GPS，所述GPS驯服芯片与所述GPS的天线连接，用于接收所述GPS卫星信号中的时间信息和时标信息，所述 GPS驯服芯片的时间信号输出引脚连接所述主控芯片，所述GPS驯服芯片的时标信号输出引脚连接所述主控芯片和所述同步电路。

实施例1

本实施例提供一种具体的高同步精度IRIG-B编码器(如图1所示)。

包括GPS模块，所述GPS模块包括GPS驯服芯片和GPS，所述GPS驯服芯片的天线与所述GPS的天线连接，用于接收所述GPS卫星信号中的时间信息和时标信息，所述GPS驯服芯片的时间信号输出引脚连接所述主控芯片，所述GPS驯服芯片的时标信号输出引脚连接所述主控芯片和所述同步电路，所述GPS驯服芯片为RES-SMT-360GPS接收芯片；该芯片自带较高稳定度的10MHz晶振，能够同时完成时标信号的驯服功能，保证时标信号的同步精度。

主控芯片，优选的采用单片机，单片机的型号为C8051F330；所述单片机的串口通信引脚(RXD引脚)连接所述GPS驯服芯片的时间信息输出引脚，所述单片机的外部中断引脚(引脚INTO)连接所述GPS驯服芯片的时标信息输出引脚；若采用一般的可编程逻辑器件，时间信息可直接通过芯片的双向IO口引脚输入即可，在程序上模拟串口通信，完成时间信息的接收。

同步电路，所述同步电路包括同步芯片和***门电路，所述同步芯片为RS 触发器，型号为：74LVC1G74；

所述***门电路包括非门、与门和或门，所述非门的输入端连接所述GPS驯服芯片的时标信息输出引脚，所述非门的输出端连接所述单片机的外部中断引脚 (引脚INTO)；

所述与门的一个输入端连接所述GPS驯服芯片的时标信息输出引脚，另一个输入端连接单片机的输出引脚A(P2.1)，用于单片机输出控制信号至所述与门，所述与门的输出端连接所述或门的一个输入端；

所述或门的另一输入端连接所述单片机的输出引脚B(P2.0)，用于单片机输出控制信号至所述或门，所述或门的输出端连接所述同步芯片CP引脚(引脚CLK)；

GPS与非门和与门之间设置有隔离电路进行隔离。

所述同步芯片的输入端连接所述单片机的输出引脚C，具体为单片机的引脚 P1连接所述同步芯片的D1引脚，所述单片机的引脚P2.2连接所述同步芯片的 CLR引脚；

所述同步芯片的输出端(引脚Q1)还通过输出隔离器连接RS422接口，用于将同步后的B码输出至外接设备；所述输出隔离器的型号为LTV-247。

还包括电源电路，用于对整个编码器进行供电，所述电源电路包括电源、电源转换电路和电平转换电路，所述电源为外部+12V电压，所述电源转换电路的型号为：ADUM7150-5，所述电源转换电路的输入端连接所述电源，所述电源转换电路的输出端输出5V供电电压，为需要5V供电的芯片进行供电；所述电源转换电路的输出端还连接所述电平转换电路，所述电平转换电路的型号为TPS79333，所述电平转换电路将+5V电压转换为+3.3V供电电压，为需要3.3V供电的芯片进行供电(例如单片机、GPS驯服电路)；该电平转换电路具有一定的隔离作用，能够降低+5V电源的纹波。

实施例2

本实施例用于对本发明的工作流程进行说明。

步骤1：GPS模块将时标信息和时间信息传输至主控芯片，主控芯片接收到的时间信息为一个22字节的数据帧，主控芯片每秒接收一次该数据帧；该数据帧包含当前的时、分、秒、月、年时间信息，这些信息分别位于该数据帧的第 11字节～第20字节；其中对于“年”的时间，包含闰年和平年，接收到的时间信息中，其中第8个字节用于闰平年的判断，该字节为“1”时，表示当前是闰年，为“0”为平年，通过读取该字节，直接了解平闰年信息，以便明确二月份的天数，计算当前日期是该年份的多少天；而时标信息为秒脉冲1PPS。

步骤2：主控芯片接收到所述时间信息后对所述时间信息进行编码，GPS模块每秒按照TSSIP协议发送一帧时间信息，主控芯片通过串口收取时间信息后，需要遵循TSSIP协议帧数据格式，解析协议内容，获取当前的UTC时间。

对所述UTC时间信息进行编码，其中B码对应的码元具体为：

码元的“准时”参考点是其脉冲前沿时帧参考标志，由一个位置识別标志和相邻参考码元组成，宽度为8ms；每10个码元有一个位置识别标志：P1、P2、 P3、P4…P9或P0，宽度均为8ms；PR为帧参考点，宽度为8ms；二进制“1”和“0”的高电平脉宽分别为5ms和2ms。一个时间帧从参考标志开始，连续两个8ms宽脉冲表明秒的开始；在B码时间格式中含有年、天、时、分，秒等信息，时序为秒-分-时-天-年；所占信息位分別为7位、7位、6位、10位、8位，其位置在P0-P6之间，P6-P8之间包含其他控制信息，P8-P0之间是1天中包含的秒数信息。所占信息位为17位，用二进制表示，低位在前，高位在后。年、天、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。

所述B码码元由三种不同占空比类型的脉冲信号组成，三种码元的持续时间 (周期)都是10ms，不同的是各自高电平持续的时间不同。占空比20％，代表二进制0的脉冲，标号为0，高电平出现时间为2ms，低电平为8ms；占空比50％，代表二进制1的脉冲，标号为1，高电平出现时间为5ms，低电平为5ms；占空比80％，代表位置索引P的脉冲，标号为2，高电平出现时间为,8ms，低电平为 2ms；如图2所示，表示的时间信息为：18年18天18时18分42秒。

把每个码元的10ms分成10个1ms，编号为0～9。同时，高电平用数字1 来表示，低电平用0表示。以20％占空比脉冲为例，高电平时间为2ms，低电平为8ms，那么标号应该为1 10 0 0 0 0 0 0 0，即2个1、8个0。占空比为 50％和80％的以此类推，将一个10ms的脉冲，以10个1ms的编号形式呈现出来了。

利用单片机的ROM资源开辟一个3行10列的二维数据表，如图3所示，行地址对应3个码元，即行地址0对应码元“0”；行地址1对应码元“1”。行地址2对应码元“P"，列地址按照1ms单位将每个码元的10ms进行编码。如图4所示，表示已经排好三种码元位置的B码，输出B码时，第一个码元，标号为2，需要生成占空比为80％的脉冲，对照第一个图，行地址为2，它的列地址标号为1111111000，依次向下进行，第二个码元标号为0，对应第一个图中行地址0，编号为1100000000。综上，即可对编码后的B码进行输出。

步骤3：***初始化时，P2.1置高，打开与门，P2.0置低，打开或门。P1口置高。当时标信号(秒脉冲1PPS)的前沿到来时，由时标信号触发74LVC1G74 完成B码推时脉冲的前沿的工作。同时，时标信号(1PPS)经过非门触发单片机外部中断0，外部中断0服务程序把P2.1置为低，关闭与门，同时开启定时器0，并设置定时器0的初值，使定时器0定时1ms。

利用单片机定时器0产生1ms的定时，每次开始发送B码时，依次查找判断“P”、“0”、“1”码元，每个码元对应图3中表格的行地址；按照该行地址，找到对应的行，定时器0每产生一次中断，把这一行的10个脉冲依次输出，直到该行的10个脉冲全部输出完毕，随后地址递增，遍历100个码元，依次输出每个码元对应行数的10个脉冲。100码元遍历完毕，实现UTC时间转IRIG-B码的编码工作。

通过上述处理，将不可预期输出时间的B码上升沿转变为由外部门电路进行控制，从而可以在一定范围内灵活调整B码准时上升沿，提高了同步精度。

对本发明公开的B码编码器进行仿真，仿真的波形图如图5所示，图中椭圆形标记部分表示仿真同步精度为6ns；对实际的B码编码器进行测试后，测试波形如图6所示，同步精度为12ns。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高同步精度IRIG-B编码器，其特征在于：包括

GPS模块，用于输出时间信息和时标信息；

2.根据权利要求1所述的一种高同步精度IRIG-B编码器，其特征在于：所述主控芯片为单片机。

3.根据权利要求2所述的一种高同步精度IRIG-B编码器，其特征在于：所述单片机的串口通信引脚连接所述GPS模块的时间信息输出引脚，所述单片机的外部中断引脚连接所述GPS模块的时标信息输出引脚。

4.根据权利要求3所述的一种高同步精度IRIG-B编码器，其特征在于：所述同步电路包括同步芯片和***门电路，所述***门电路包括非门、与门和或门；

所述同步芯片的输入端连接所述单片机的输出引脚C，用于单片机将所述编码后时间信息输出至所述同步芯片，所述同步芯片的输出端用于输出同步后的B码。

5.根据权利要求4所述的一种高同步精度IRIG-B编码器，其特征在于：所述同步芯片为RS触发器。

6.根据权利要求4所述的一种高同步精度IRIG-B编码器，其特征在于：所述同步芯片的输出端还通过输出隔离器连接RS422接口，用于将同步后的B码输出至外接设备。

7.根据权利要求1所述的一种高同步精度IRIG-B编码器，其特征在于：所述GPS模块包括GPS驯服芯片和GPS，所述GPS驯服芯片的天线与所述GPS的天线连接，用于接收所述GPS卫星信号中的时间信息和时标信息，所述GPS驯服芯片的时间信号输出引脚连接所述主控芯片，所述GPS驯服芯片的时标信号输出引脚连接所述主控芯片和所述同步电路。

8.根据权利要求1所述的一种高同步精度IRIG-B编码器，其特征在于：还包括电源电路，用于对整个编码器进行供电，所述电源电路包括电源、电源转换电路和电平转换电路，所述电源转换电路的输入端连接所述电源，所述电源转换电路的输出端输出5V供电电压，所述电源转换电路的输出端还连接所述电平转换电路，所述电平转换电路输出3.3V供电电压。