CN113067657B - 基于pwm捕获的高鲁棒性irig-b直流码解码方法 - Google Patents

基于pwm捕获的高鲁棒性irig-b直流码解码方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于PWM捕获的高鲁棒性IRIG‑B直流码解码方法，包括如下步骤：配置单片机定时器TIMER的输入通道为PWM输入模式，使能该通道的捕获中断；在IRIG‑B直流码信号的上升沿和下降沿利用定时器TIMER中断判断IRIG‑B链路是否有误，若IRIG‑B链路无误，则判别码元类型，并将码元类型送入解码状态机；解码状态机对码元进行解析，最终直接在单片机内部获得高精度授时。本发明提出的IRIG‑B直流码解码方式基于PWM捕获，对每10ms码元信号的占空比进行捕获从而区分各码元类型，提高了整体程序的可控性和高效性；通过解码状态机程序对码元数据进行填充、勘误、解析，具有极高的鲁棒性、收敛性。

Description

基于PWM捕获的高鲁棒性IRIG-B直流码解码方法
技术领域
本发明涉及B码授时技术领域，尤其涉及一种基于PWM捕获的高鲁棒性IRIG-B直流码解码方法。
背景技术
现有的IRIG-B直流解码方法通常分为两种：
第一，使用FPGA、CPLD等可编程逻辑门器件进行解码获得对时数据，对时后往往还要通过自定的逻辑协议（如SPI、并口等）将时间数据送至单片机进行业务处理，增加了使用成本，降低了对时效率，同时也降低了整个对时系统的集成度；
第二，使用单片机进行解码。现有的单片机解码方案普遍采用等待、循环延时，或定时器中断的方式实现，且解码方式勘误性差。这些方法一方面会造成程序阻塞，使得单片机无法执行其他任务。另一方面对IRIG-B信号电平的采样速率低（往往是毫秒级），使得解码鲁棒性差，在系统出现干扰时容易导致大概率的对时失败，甚至解码程序不收敛等不可预知的错误。若提高采样速率，则面临消耗大量CPU资源、频繁进入中断、解码周期不确定等问题，大大降低了程序的执行效率和可靠性。
发明内容
本发明提出了一种基于PWM捕获的高鲁棒性IRIG-B直流码解码方法，其目的是：克服现有技术缺陷，提高使用单片机进行IRIG-B直流码解码的高效性和可靠性。
本发明技术方案如下：
一种基于PWM捕获的高鲁棒性IRIG-B直流码解码方法，包括如下步骤：
S1：配置单片机定时器TIMER的输入通道为PWM输入模式，使能该通道的捕获中断；
S2：在PWM捕获产生的IRIG-B直流码信号上升沿、下降沿中断中获取码元周期和码元占空比，根据码元周期判断IRIG-B链路是否有误，若IRIG-B链路无误，则根据占空比判别码元类型，并将码元类型送入高鲁棒性解码状态机；
S3：解码状态机对码元进行解析，最终直接在单片机内部获得高精度授时。
进一步地，步骤S2中所述判断IRIG-B链路是否有误的方法步骤为：
在IRIG-B直流码信号的上升沿定时器TIMER将计数器值CNT锁存至寄存器CCR1，同时复位CNT并产生一个定时器中断CC1_IRQ；
当CC1_IRQ来临时，在其中断处理函数中读取CCR1值，赋值给全局变量irig_b_period，计算irig_b_period/Fclk的值，Fclk为TIMER的运行频率；
如果计算结果与10ms的误差在设定范围内，则判定IRIG-B链路无误，进一步判别码元类型；如果误差超出设定范围，则判定IRIG-B链路有误，不对码元进行区分、解析。
进一步地，步骤S2中所述判别码元类型的方法步骤为：
在IRIG-B直流码信号的下降沿将计数器值CNT锁存至寄存器CCR2，并产生一个定时器中断CC2_IRQ；
将CCR2值赋值给变量irig_b_pulse，计算irig_b_pulse/Fclk的值，当计算结果与2ms的误差在设定范围内时判定码元类型为0码元，当计算结果与5ms的误差在设定范围内时判定码元类型为1码元，当计算结果与8ms的误差在设定范围内时判定码元类型为P码元。
进一步地，步骤S3所述解码状态机包括三个状态：IRIG_B_FIND_P0搜寻PO码元状态、IRIG_B_GET_P搜寻P码元状态和IRIG_B_GET_DATA获取数据状态；
所述解码状态机对码元进行解析的方法具体包括：
S31：将一帧IRIG-B直流码的100个码元按10个分割P码分割为10个数据，解码状态机每接收一个码元，执行步骤S32：
S32：解码状态机根据不同状态和接收到的不同码元类型进行如下解析：
第一，当状态机状态为IRIG_B_FIND_P0时，若接收码元为P码元，则清零接收变量irig_data和数据计数变量data_cnt，将状态置为IRIG_B_GET_P并返回步骤S2；若接收码元不是P码元，则直接返回步骤S2；
第二，当状态机状态为IRIG_B_GET_P时，若接收码元为P码元，则清零比特位计数变量bit_cnt，将状态置为IRIG_B_GET_ DATA并返回步骤S2；若接收码元不是P码元，则将状态重置为IRIG_B_FIND_P0并返回步骤S2；
第三，当状态机状态为IRIG_B_GET_DATA时，若接收码元为P码元，则将状态重置为IRIG_B_FIND_P0并返回步骤S2；若接收码元为0码元或1码元，则对相应数据域进行填充，按比特位填充至接收变量irig_data中，然后bit_cnt加一，转到步骤S33；
S33：根据比特位计数变量bit_cnt的值判断包含分割P码元、数据域码元、索引标志码元在内的10码元数据是否接受完毕，若未接受完毕则返回步骤S2；接受完毕后将计数变量data_cnt加一，状态置为IRIG_B_GET_P，转到步骤S34；
S34：判断计数变量data_cnt的值，若data_cnt小于10，则返回步骤S2，循环执行解码程序，直到填充、解析完一整帧IRIG-B直流码。
进一步地，步骤S3所述在单片机内部获得高精度授时的方法为：填充、解析完一整帧IRIG-B直流码后，根据填充的irig_data数组，判断秒、分、时的索引标志比特位是否为0，若不为0则认为此帧数据无效，重置状态为IRIG_B_FIND_P0并返回步骤S2；若比特位是0，则根据irig_data解析时间数据、控制数据和SBS时间码，然后将状态置为IRIG_B_FIND_P0并返回步骤S2，以进行下一帧数据的接收。
进一步地，所述IRIG-B直流码解码方法还包括通过设置分频值N改变TIMER的运行频率Fclk，所述TIMER的运行频率Fclk为FA/N，FA为定时器TIMER的总线频率。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明提出的IRIG-B直流码解码方式基于PWM捕获，对每10ms码元信号的占空比进行捕获从而区分各码元类型，大大降低了解码程序对单片机CPU资源的占用，固定的10ms一次的周期中断，和2ms、5ms或8ms一次的码元占空比中断，在不阻塞单片机主程序的前提下大大减少了解码程序占用中断的次数，提高了整体程序的可控性和高效性；
（2）本发明通过解码状态机程序对码元数据进行填充、勘误、解析，具有极高的鲁棒性、收敛性，在IRIG-B直流码总线干扰、电平不稳以及时序混乱时，解码程序总能恢复至常态以准备接收正常的一帧IRIG-B直流码，不会出现解码错误、程序发散、程序无法恢复正常等异常情况；
（3）通过设置PWM定时器的运行频率，可以按需求随意设置对IRIG-B的电平采样率，提高了解码程序的抗干扰性；
（4）本发明使用单片机进行高效、高精度的IRIG-B直流码的解析，解析后的数据可直接用于单片机内部进行业务层程序处理，与使用FPGA、CPLD等可编程逻辑门器件进行解码相比，降低了系统的成本，提高了系统的集成度。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的捕获时序图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的技术方案：
以Cortex-M4核单片机STM32F4XX为例，其主频设置为160MHz。设单片机定时器TIMER2的总线频率FA为80MHz，设置TIMER2分频值N为800，则TIMER2的运行频率Fclk为100kHz。如图1，一种基于PWM捕获的高鲁棒性IRIG-B直流码解码方法，包括如下步骤：
S1：配置TIMER2的1、2通道为PWM输入模式，使能1、2通道的捕获中断。
S2：在PWM捕获产生的IRIG-B直流码信号上升沿、下降沿中断中获取码元周期和码元占空比，根据码元周期判断IRIG-B链路是否有误，若IRIG-B链路无误，则根据占空比判别码元类型，并将码元类型送入高鲁棒性解码状态机。
具体地，在IRIG-B直流码信号的上升沿TIMER2将计数器值CNT锁存至寄存器CCR1，同时复位CNT并产生一个定时器中断CC1_IRQ；在IRIG-B直流码信号的下降沿将计数器值CNT锁存至寄存器CCR2，并产生一个定时器中断CC2_IRQ，捕获时序图如图2所示。
通过码元周期判断IRIG-B链路是否有误，步骤如下：
当CC1_IRQ来临时，在其中断处理函数中读取CCR1值赋值给全局变量irig_b_period；当CC2_IRQ来临时，根据irig_b_period值判断上一码元周期是否为10ms。具体为：计算irig_b_period/Fclk的值，单位为秒，若计算结果与10ms误差大于等于1%，则认为当前IRIG-B链路有误，将不对码元进行区分、解析；若计算误差小于±1%（当Fclk为100kHz时，irig_b_period值应在[989,1009]区间内），则判定IRIG-B链路无误，进一步判别码元类型。
本方法依据占空比判别码元类型，步骤为：将CCR1值赋值给变量irig_b_pulse，计算irig_b_pulse/Fclk的值，单位为秒，当计算结果与2ms的误差小于±1%时判定码元类型为0码元，当计算结果与5ms的误差小于±1%时判定码元类型为1码元，当计算结果与8ms的误差小于±1%时判定码元类型为P码元，然后将码元类型送入高鲁棒性的解码状态机。
S3：解码状态机对码元进行解析，最终直接在单片机内部获得高精度授时。
具体地，所述解码状态机包括三个状态：IRIG_B_FIND_P0搜寻PO码元状态、IRIG_B_GET_P搜寻P码元状态和IRIG_B_GET_DATA获取数据状态。解析步骤如下：
S31：将一帧IRIG-B直流码的100个码元按10个分割P码分割为10个数据，存放在16位无符号整型数组irig_data[10]中。解码状态机每接收一个码元，执行步骤S32；
S32：解码状态机根据不同状态和接收到的不同码元类型进行如下解析：
第一，当状态机状态为IRIG_B_FIND_P0时，若接收码元为P码元，则清零接收变量irig_data和数据计数变量data_cnt，将状态置为IRIG_B_GET_P并返回步骤S2；若接收码元不是P码元，则直接返回步骤S2；
第二，当状态机状态为IRIG_B_GET_P时，若接收码元为P码元，则清零比特位计数变量bit_cnt，将状态置为IRIG_B_GET_ DATA并返回步骤S2；若接收码元不是P码元，则将状态重置为IRIG_B_FIND_P0并返回步骤S2；
第三，当状态机状态为IRIG_B_GET_DATA时，若接收码元为P码元，则将状态重置为IRIG_B_FIND_P0并返回步骤S2；若接收码元为0码元或1码元，则对相应数据域进行填充，按比特位填充至接收变量irig_data[data_cnt]中，然后bit_cnt加一，转到步骤S33；
S33：根据比特位计数变量bit_cnt的值判断包含分割P码元、数据域码元、索引标志码元在内的10码元数据是否接受完毕，若未接受完毕则返回步骤S2；接受完毕后将计数变量data_cnt加一，状态置为IRIG_B_GET_P，转到步骤S34；
S34：判断计数变量data_cnt的值，若data_cnt小于10，则返回步骤S2，循环执行解码程序，直到填充、解析完一整帧IRIG-B直流码。
填充、解析完一整帧IRIG-B直流码后，在单片机内部获得高精度授时。具体地，根据填充的irig_data数组，判断秒、分、时的索引标志比特位是否为0，若不为0则认为此帧数据无效，重置状态为IRIG_B_FIND_P0并返回步骤S2；若比特位是0，则根据irig_data解析时间，其中秒、分、时数据分别位于irig_data的0、1、2下标元素中，天数据位于下标3、4元素中。同时可以获得下标5、6、7元素中的功能控制码和下标8、9元素中的SBS时间码，然后将状态置为IRIG_B_FIND_P0并返回步骤S2，以进行下一帧数据的接收。
本发明提出了一种在单片机内基于PWM捕获的解码方法，对每10ms码元信号的占空比进行捕获从而区分各码元类型，进而将码元数据送至高鲁棒性解码程序进行数据填充、勘误、解析，最终直接在单片机内部获得高精度授时。

Claims (2)

1.一种基于PWM捕获的高鲁棒性IRIG-B直流码解码方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：配置单片机定时器TIMER的输入通道为PWM输入模式，使能该通道的捕获中断；
S2：在PWM捕获产生的IRIG-B直流码信号上升沿、下降沿中断中获取码元周期和码元占空比，根据码元周期判断IRIG-B链路是否有误，若IRIG-B链路无误，则根据占空比判别码元类型，并将码元类型送入高鲁棒性解码状态机；
S3：解码状态机对码元进行解析，最终直接在单片机内部获得高精度授时；
步骤S2中所述判断IRIG-B链路是否有误的方法步骤为：
在IRIG-B直流码信号的上升沿定时器TIMER将计数器值CNT锁存至寄存器CCR1，同时复位CNT并产生一个定时器中断CC1_IRQ；
当CC1_IRQ来临时，在其中断处理函数中读取CCR1值，赋值给全局变量irig_b_period，计算irig_b_period/Fclk的值，Fclk为TIMER的运行频率；
如果计算结果与10ms的误差在设定范围内，则判定IRIG-B链路无误，进一步判别码元类型；如果误差超出设定范围，则判定IRIG-B链路有误，不对码元进行区分、解析；
步骤S2中所述判别码元类型的方法步骤为：
在IRIG-B直流码信号的下降沿将计数器值CNT锁存至寄存器CCR2，并产生一个定时器中断CC2_IRQ；
将CCR2值赋值给变量irig_b_pulse，计算irig_b_pulse/Fclk的值，当计算结果与2ms的误差在设定范围内时判定码元类型为0码元，当计算结果与5ms的误差在设定范围内时判定码元类型为1码元，当计算结果与8ms的误差在设定范围内时判定码元类型为P码元；
步骤S3所述解码状态机包括三个状态：IRIG_B_FIND_P0搜寻PO码元状态、IRIG_B_GET_P搜寻P码元状态和IRIG_B_GET_DATA获取数据状态；
所述解码状态机对码元进行解析的方法具体包括：
S31：将一帧IRIG-B直流码的100个码元按10个分割P码分割为10个数据，解码状态机每接收一个码元，执行步骤S32：
S32：解码状态机根据不同状态和接收到的不同码元类型进行如下解析：
第一，当状态机状态为IRIG_B_FIND_P0时，若接收码元为P码元，则清零接收变量irig_data和数据计数变量data_cnt，将状态置为IRIG_B_GET_P并返回步骤S2；若接收码元不是P码元，则直接返回步骤S2；
第二，当状态机状态为IRIG_B_GET_P时，若接收码元为P码元，则清零比特位计数变量bit_cnt，将状态置为IRIG_B_GET_ DATA并返回步骤S2；若接收码元不是P码元，则将状态重置为IRIG_B_FIND_P0并返回步骤S2；
第三，当状态机状态为IRIG_B_GET_DATA时，若接收码元为P码元，则将状态重置为IRIG_B_FIND_P0并返回步骤S2；若接收码元为0码元或1码元，则对相应数据域进行填充，按比特位填充至接收变量irig_data中，然后bit_cnt加一，转到步骤S33；
S33：根据比特位计数变量bit_cnt的值判断包含分割P码元、数据域码元、索引标志码元在内的10码元数据是否接受完毕，若未接受完毕则返回步骤S2；接受完毕后将计数变量data_cnt加一，状态置为IRIG_B_GET_P，转到步骤S34；
S34：判断计数变量data_cnt的值，若data_cnt小于10，则返回步骤S2，循环执行解码程序，直到填充、解析完一整帧IRIG-B直流码；
步骤S3所述在单片机内部获得高精度授时的方法为：填充、解析完一整帧IRIG-B直流码后，根据填充的irig_data数组，判断秒、分、时的索引标志比特位是否为0，若不为0则认为此帧数据无效，重置状态为IRIG_B_FIND_P0并返回步骤S2；若比特位是0，则根据irig_data解析时间数据、控制数据和SBS时间码，然后将状态置为IRIG_B_FIND_P0并返回步骤S2，以进行下一帧数据的接收。
2.如权利要求1所述的基于PWM捕获的高鲁棒性IRIG-B直流码解码方法，其特征在于：还包括通过设置分频值N改变TIMER的运行频率Fclk，所述TIMER的运行频率Fclk为FA/N，FA为定时器TIMER的总线频率。
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