CN101545965B

CN101545965B - 一种gps同步的irig-b时间码发生器

Info

Publication number: CN101545965B
Application number: CN2009100605573A
Authority: CN
Inventors: 魏丰; 金波; 魏力
Original assignee: HUBEI TIANRUI ELECTRONIC CO Ltd; Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: HUBEI TIANRUI ELECTRONIC CO Ltd; Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2029-01-16
Also published as: CN101545965A

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

一种GPS同步的IRIG-B时间码发生器

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个码元的结尾出插入一个位置识别码：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

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。