專利名稱：一種gps同步的irig-b時(shí)間碼發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)自動(dòng)化對(duì)時(shí)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及GPS同步的一種IRIG-B 時(shí)間碼發(fā)生裝置。
背景技術(shù)：
目前，在發(fā)電廠、變電站和無(wú)線通訊基站等工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)各種自動(dòng)化設(shè) 備需要與UTC時(shí)間保持精確的時(shí)間同步。GPS授時(shí)主設(shè)備從衛(wèi)星上獲取UTC時(shí) 間信息(包括1PPS脈沖信號(hào)和串口發(fā)出的時(shí)間數(shù)據(jù))后，主要通過(guò)脈沖信號(hào)， RS-232/RS-485串行口， IRIG-B碼和網(wǎng)絡(luò)等方式給從設(shè)備授時(shí)。B碼是一種授
時(shí)精度高，使用方便和信息量大的編碼方案，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)獲得了廣泛的應(yīng)用。 B碼最早是由美國(guó)靶場(chǎng)司令部委員會(huì)下屬的儀器組(IRIG， Inter-Range
Ins t r腦n t a t i on Gr o叩)制定的串行格式時(shí)間碼(以下簡(jiǎn)稱B碼)。其主要特點(diǎn)
是幀速率為l幀/秒，攜帶的信息量大，經(jīng)譯碼后可獲得l, 10, 100/秒的脈沖
信號(hào)和BCD編碼的日期和時(shí)間信息以及控制功能信息。
B碼分為IR工G-B(DC)直流碼和IRIG-B(AC)交流碼兩種。直流B碼幀格式如
圖l所示，它是每秒一幀的串行時(shí)間碼，每個(gè)碼元(位)寬度為10ms,故一個(gè)幀
周期包括100個(gè)碼元，每IO個(gè)碼元為一個(gè)字。
碼元釆用脈寬調(diào)制編碼如圖2所示。碼元均以高電平開始也就是說(shuō)"準(zhǔn)時(shí)"時(shí)刻的參考點(diǎn)是其脈沖前沿。占空比為20%的碼元(高電平2ms,低電平8ms) 表示l位二進(jìn)制數(shù)"0";占空比為50%的碼元(高電平5nis，低電平5ms)表示l 位二進(jìn)制數(shù)"l";占空比為80%的碼元(高電平8ms，低電平2ms)表示l個(gè)位 置標(biāo)識(shí)碼。
位置識(shí)別碼PR為幀的起始參考點(diǎn)，每10個(gè)碼元的結(jié)尾出插入一個(gè)位置識(shí) 別碼P1，P2,P3，…，P9,P0。圖1所示連續(xù)兩個(gè)8ms寬脈沖表明秒的開始，PR
碼元的上升沿為一個(gè)整秒時(shí)刻的開始。如果從PR開始對(duì)碼元進(jìn)行編號(hào)，則分別 為第0， 1, 2,…，99個(gè)碼元。
B碼采用BCD碼方式對(duì)當(dāng)前的秒、分、時(shí)、 一年中的第幾天等信息編碼。， 所占信息位為秒7位、分7位、時(shí)6位、天10位，其位置在P0 P5之間。P6~ PO包含其他控制信息。其中"秒"信息第l， 2, 3, 4, 6， 7, 8碼元；"分"信 息第10, 11, 12， 13， 15, 16, 17碼元;"時(shí)"信息第20, 21, 22, 23, 25, 26, 27碼元；第5, 14， 24碼元為索引標(biāo)志，寬度為2ms。時(shí)、分、秒均 用BCD碼表示，低位在前，高位在后；個(gè)位在前，十位在后(詳細(xì)編碼方案可 參見有關(guān)標(biāo)準(zhǔn))。
直流B碼碼元的邊沿對(duì)應(yīng)的時(shí)刻是UTC時(shí)間的離散時(shí)間值，故其授時(shí)同步
精度主要取決與時(shí)間碼發(fā)生器產(chǎn)生的碼元邊沿(前后沿)的精度。采用直流B 碼對(duì)一個(gè)頻率和相位相關(guān)lkHz的正弦載波進(jìn)行幅度調(diào)制(調(diào)制比為3: 1)可 得到見圖3所示的交流B碼。由于交流B碼必須經(jīng)過(guò)二次調(diào)制，其時(shí)間同步信 息主要體現(xiàn)在正弦波的過(guò)零點(diǎn)處，故能獲得的同步精度略低。但由于不含直流 分量，交流B碼更適合遠(yuǎn)距離傳輸授時(shí)。直流B碼的產(chǎn)生主要包括從GPS接收機(jī)串口輸出數(shù)據(jù)的的解碼，從中提取 有用的UTC時(shí)間信息和直流B碼的編碼,兩部分工作。根據(jù)完成這兩個(gè)任務(wù)的器 件不同實(shí)現(xiàn)直流B碼的編碼主要有以下3種方案
① 全軟件方案
釆用CPU程序完成GPS信號(hào)的解碼和B碼的編碼。這種方案簡(jiǎn)單廉價(jià)，但 由于CPU的運(yùn)行速度，多任務(wù)和中斷響應(yīng)速度等原因，只能滿足同步精度要求 不高的需求。
② 全硬件方案
釆用CPLD或FPGA全硬件方式完成GPS信號(hào)的解碼和B碼的編碼。這種方 案的優(yōu)點(diǎn)是可獲得很髙的精度，但設(shè)計(jì)難度太大(例如UTC時(shí)間閏秒時(shí)就很 難實(shí)現(xiàn)解碼和編碼)，成本高，缺乏靈活性，不能實(shí)用化。
③ 軟硬結(jié)合的方案
采用CPU完成GPS信號(hào)的解碼，釆用CPLD或FPGA全硬件方式完成B碼的 編碼。CPU只間接參與B碼碼元的產(chǎn)生，或硬件產(chǎn)生相對(duì)重要的碼元前沿而CPU
產(chǎn)生后沿。這種方案仍然可獲得很高的精度，同時(shí)降低了設(shè)計(jì)的難度和成本高。 產(chǎn)生交流B碼的難題在于如何獲得 一 個(gè)與直流B碼頻率和相位完全同步(也 即與GPS的1PPS信號(hào)同步)的lkHz正弦載波信號(hào)。頻率或相位不同步的載波 會(huì)引起調(diào)制后的波形畸變，直接導(dǎo)致同步精度下降，波形畸變嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致 接收端無(wú)法正確解碼。因此產(chǎn)生出高精度的交流B碼比產(chǎn)生直流B碼更加困難。 目前關(guān)于交流B碼產(chǎn)生方法的報(bào)道只有釆用直接數(shù)字頻率合成DDS技術(shù)這一種。 這種方案的技術(shù)較為復(fù)雜，需要較大的邏輯資源，此外還需要DAC和LPF等模 擬電路設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出 一種GPS同步的IRIG-B時(shí)間碼發(fā)生器，既能產(chǎn)生高 精度的直流B碼又能產(chǎn)生出高精度的交流B碼，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
一種GPS同步的IRIG-B時(shí)間碼發(fā)生器，包括GPS接收機(jī)1、單片機(jī)2、直 流B碼產(chǎn)生電路3和晶振電路5, GPS接收機(jī)1的秒脈沖信號(hào)分別傳送給單片機(jī) 2和直流B碼產(chǎn)生電路3， GPS接收機(jī)1的時(shí)間報(bào)文數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)2，單片 機(jī)2依據(jù)時(shí)間報(bào)文數(shù)據(jù)生成碼元數(shù)據(jù)，并傳送給直流B碼產(chǎn)生電路3，直流B 碼產(chǎn)生電路3接收晶振電路5的晶振信號(hào)，依據(jù)碼元數(shù)據(jù)產(chǎn)生直流B碼以及與 秒脈沖信號(hào)同步的lkHZ方波信號(hào)P1K,其特征在于，該發(fā)生器還包括直流碼到 交流碼轉(zhuǎn)換電路4，用于對(duì)方波信號(hào)P1K作低通濾波及移相校正處理，得到與 方波信號(hào)P1K同頻同相的1MZ正弦載波，使用直流B碼對(duì)正弦載波作幅值調(diào)制， 得到交流B碼。
所述直流碼到交流碼轉(zhuǎn)換電路4包括依次相接的移相器41、高階低通濾波 器42和程控放大器44，程控放大器44的增益來(lái)源于所述直流B碼。
所述直流碼到交流碼轉(zhuǎn)換電路4包括依次相接的高階低通濾波器42、移相 器41和程控放大器44，程控放大器44的增益來(lái)源于所述直流B碼。
本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在
U)本發(fā)明采用單片機(jī)解碼GPS串口輸出數(shù)據(jù)，釆用大規(guī)模可編程邏輯器件 全硬件方式產(chǎn)生B碼，保證了碼元和相關(guān)的lkHz方波同步信號(hào)前后沿的準(zhǔn)確性 從而保證了產(chǎn)生的直流B碼同步精度。(2)本發(fā)明釆用高階開關(guān)電容(SCF)低通濾波器(LPF)和移相器，很簡(jiǎn)便地獲 得頻率和相位嚴(yán)格同步的正弦載波，再釆用程控放大器二次調(diào)制產(chǎn)生出高精度 的交流B碼。
本發(fā)明得到的交流B碼精度高，整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，易于推廣應(yīng)用。


圖1為直流B碼的數(shù)據(jù)幀波形圖2為直流B碼中3種不同脈寬調(diào)制的"0", "1"和"P"碼元波形圖3為GPS接收機(jī)的輸出信號(hào)與直流B碼和交流B碼的時(shí)序關(guān)系圖4為本發(fā)明的總體電路框圖5為本發(fā)明的直流B碼產(chǎn)生電路框圖6為本發(fā)明的直流碼到交流碼轉(zhuǎn)換電路框圖7為頻率和相位與1PPS信號(hào)同步的3種碼元波形圖8為1PPS信號(hào)與1Mz方波和lkHz正弦載波的波形圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
IRIG-B碼產(chǎn)生器的總體電路框理如圖4所示，由GPS接收機(jī)l,單片機(jī)2， 直流B碼產(chǎn)生電路3，直流碼到交流碼轉(zhuǎn)換電路4和晶振電路5構(gòu)成。GPS接收 機(jī)l串行輸出的畫EA-0183格式的定位定時(shí)信息(每秒l幀)接單片機(jī)2的串 口輸入RXD腳，由單片機(jī)2負(fù)責(zé)解碼得到UTC曰期，時(shí)間和閏秒等信息，并根 據(jù)這些信息完成當(dāng)前IRIG-B數(shù)據(jù)幀的編碼，即在單片機(jī)2內(nèi)部產(chǎn)生出相應(yīng)的100x2位的碼元數(shù)據(jù)(每個(gè)碼元對(duì)應(yīng)2比特)。
圖3所示GPS接收機(jī)1輸出的1PPS秒脈沖的上升沿(前沿)是與國(guó)際協(xié)調(diào) 時(shí)UTC時(shí)間整秒時(shí)刻同步的。將1PPS信號(hào)接到單片機(jī)2的中斷輸入INT腳，利 用這個(gè)邊沿使單片機(jī)中斷迅速將100x2位的碼元數(shù)據(jù)寫入直流B碼產(chǎn)生電路3， 并開始從串口接收下一幀定時(shí)定位信息。
根據(jù)圖3所示的時(shí)序關(guān)系，單片機(jī)2送出的100x2位碼元數(shù)據(jù)必須在1PPS 秒脈沖上升沿后10ms內(nèi)到達(dá)直流B碼產(chǎn)生電路3，而串口接收滯后較大，用來(lái) 進(jìn)行B碼編碼的曰期時(shí)間是上一秒接收的經(jīng)過(guò)加1秒調(diào)整后的日期時(shí)間數(shù)據(jù)。
圖5是所述的直流B碼產(chǎn)生電路3,釆用容量足夠大的大規(guī)模可編程邏輯 器件(CPLD或FPGA)實(shí)現(xiàn)。它包括同步分頻器31,碼元波形選擇器32,可編 程碼元數(shù)據(jù)查找表33和地址計(jì)數(shù)器34等幾個(gè)部分。單片機(jī)2的數(shù)據(jù)總線DBUS， 地址總線ABUS,寫控制線WR和晶振電路5接入直流B碼產(chǎn)生電路3。
所述的可編程碼元數(shù)據(jù)查找表33的功能類似于一個(gè)100地址x2位雙端口 RAM,用來(lái)存儲(chǔ)單片機(jī)2送來(lái)的IOO個(gè)碼元數(shù)據(jù)，其中二進(jìn)制數(shù)據(jù)018= "0" 碼元；10B= 'T'碼元和IIB- "P"碼元。圖5中底色為陰影的碼元數(shù)據(jù)固定由
硬件邏輯直接產(chǎn)生，不需要寫入。
所述的同步分頻器31包括一個(gè)200倍同步分頻計(jì)數(shù)器311, —個(gè)100倍同 步分頻計(jì)數(shù)器312和一個(gè)10倍同步分頻計(jì)數(shù)器313。 1PPS秒脈沖信號(hào)接這3 個(gè)分頻計(jì)數(shù)器的異步(邊沿)清零端CLR,在其上升沿將它們清零。這3個(gè)分 頻計(jì)數(shù)器為同步時(shí)序邏輯電路，其時(shí)鐘輸入端CLK接晶振信號(hào)，對(duì)fo=20MHz 進(jìn)行同步計(jì)數(shù)分頻。200倍同步分頻計(jì)數(shù)器311的計(jì)數(shù)使能端"E"接高電平， 進(jìn)位輸出端"C"接IOO倍同步分頻計(jì)數(shù)器312的計(jì)數(shù)使能端"E"和IO倍同步分頻計(jì)數(shù)器313計(jì)數(shù)使能端"El",分頻輸出端"0"輸出一個(gè)占空比為50%的 100kHz方波信號(hào)P100K。 IOO倍同步分頻計(jì)數(shù)器312的進(jìn)位輸出端"C"接10 倍同步分頻計(jì)數(shù)器313計(jì)數(shù)使能端"E2",分頻輸出端"0"輸出一個(gè)占空比為 50%的頻率和相位與1PPS信號(hào)嚴(yán)格同步的lkHz方波信號(hào)P1K (如圖8所示)。 IO倍同步分頻計(jì)數(shù)器313分頻輸出端"01", "02"和"03"分別輸出輸出占空 比為20%, 50%和80%頻率和相位與1PPS信號(hào)嚴(yán)格同步的100Hz方波信號(hào) P100-2ms， P100—5ms和P100—8ms (如圖7所示)。
所述的地址計(jì)數(shù)器34是一個(gè)100進(jìn)制的遞增計(jì)數(shù)器，其7位計(jì)數(shù)輸出作為 地址接入到可編程碼元數(shù)據(jù)查找表33查找碼元數(shù)據(jù)；P100_8ms信號(hào)接時(shí)鐘輸 入信號(hào)CLK端，每個(gè)脈沖計(jì)數(shù)加一；1PPS信號(hào)接清零端CLR，在其上升沿將計(jì) 數(shù)器清零。
所述的碼元波形選擇器32實(shí)際上是一個(gè)四選一多路選擇器。選擇器輸入端 分別接入高電平'T，(當(dāng)A2A產(chǎn)00時(shí)),P100一2ms("0"的碼元波形)(當(dāng)A^-Ol 時(shí))，PlOO一5ms (T的碼元波形)(當(dāng)A^IO時(shí))和P100-8ms ( "P"的碼元 波形)(當(dāng)A,A產(chǎn)ll時(shí))。選擇器地址輸入端A^接可編程碼元數(shù)據(jù)查找表33輸 出的碼元數(shù)據(jù)。由于碼元完全由硬件產(chǎn)生，單片機(jī)2并不直接參與碼元波形的 發(fā)生，因此選擇器輸出的直流B碼同步精度很高。
如圖6所示，所述的直流碼到交流碼轉(zhuǎn)換路4包括移相器41,高階SCF低 通濾波器42，平滑濾波器43和程控放大器44。所述的移相器41包括非門411， 選擇開關(guān)412，電位器413，電容414和隔直電容415。
根據(jù)信號(hào)的頻譜理論知P1K方波信號(hào)包含有直流分量，lkHz基波分量，3 次(3kHz)諧波，5次(5kHz)諧波，......等頻譜成分。如能將其它分量濾出，只保留lkHz基波分量就能得到同頻不同相(濾波器會(huì)產(chǎn)生相移)的lkHz正弦載 波。再通過(guò)移相器校正就能得到既同頻又同相的lkHz正弦載波。
電位器413和電容414構(gòu)成1階RC低通濾波移相器。具有0~90的移相作 用，改變電位器阻值可調(diào)節(jié)移相度數(shù)。P1K方波信號(hào)和經(jīng)過(guò)非門411倒相后的 方波信號(hào)同時(shí)接入選擇開關(guān)412，可以手動(dòng)選擇180度移相。移相后的信號(hào)經(jīng) 過(guò)隔直電容415時(shí)濾除了直流分量，進(jìn)入一個(gè)截止頻率為lkHz的高階(通常為 8階)開關(guān)電容(SCF)低通濾波器(LPF)42。該濾波器時(shí)鐘輸入為100kHz方波信 號(hào)P100K，確定了其截止(-3dB)頻率為lkHz,故可將基波以上的所有分量濾 除凈只輸出lkHz正弦載波。類似于DAC的輸出，開關(guān)電容濾波器的輸出信號(hào)中 也存在開關(guān)噪聲，經(jīng)平滑濾波器43濾除高頻噪聲后進(jìn)入程控放大器(PGA) 44。 調(diào)節(jié)電位器"3和選擇開關(guān)412的位置進(jìn)行相位校正的原則是保證lkHz正 弦載波在程控放大器44的輸入端已實(shí)現(xiàn)圖8所示的與lkHz方波信號(hào)和]PPS 信號(hào)的同頻同相。TTL電平的直流B碼加在程控放大器44的增益控制輸入端。 增益控制端輸入"1"電平和"0"電平時(shí)，設(shè)計(jì)放大器的增益比為3: 1,故程 控放大器44可以輸出圖3所示的交流B碼。
本實(shí)例也可先對(duì)P1K方波信號(hào)作濾波處理，再作移相補(bǔ)償，只要得到與P1K 方波信號(hào)同頻同相的lkHz正弦載波即可。
所述的GPS接收機(jī)1可采用任何一款精度優(yōu)于lns授時(shí)型接收機(jī)。
所述的單片機(jī)2可釆用任何一款滿足資源要求的單片機(jī)(MCU),數(shù)字信號(hào) 處理機(jī)(DSP )或ARM。
所述的直流B碼產(chǎn)生電路3可釆用'任何一款邏輯資源足夠大的復(fù)雜可變成 邏輯元件(CPLD)或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)芯片實(shí)現(xiàn)。所述的高階SCF低通濾波器42可釆用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX291 (巴特沃斯)或MAX292 (貝塞爾)八階低通濾波器。所述的平滑濾波器43可釆用 一階或二階RC有源/無(wú)源低通濾波器實(shí)現(xiàn)。 所述的程控放大器44可釆用AD公司生產(chǎn)的AD526增益可控放大器或選用單獨(dú)的運(yùn)放構(gòu)建實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1、一種GPS同步的IRIG-B時(shí)間碼發(fā)生器，包括GPS接收機(jī)(1)、單片機(jī)(2)、直流B碼產(chǎn)生電路(3)和晶振電路(5)，GPS接收機(jī)(1)的秒脈沖信號(hào)分別傳送給單片機(jī)(2)和直流B碼產(chǎn)生電路(3)，GPS接收機(jī)(1)的時(shí)間報(bào)文數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)(2)，單片機(jī)(2)依據(jù)時(shí)間報(bào)文數(shù)據(jù)生成碼元數(shù)據(jù)，并傳送給直流B碼產(chǎn)生電路(3)，直流B碼產(chǎn)生電路(3)接收晶振電路(5)的晶振信號(hào)，依據(jù)碼元數(shù)據(jù)產(chǎn)生直流B碼以及與秒脈沖信號(hào)同步的1kHZ方波信號(hào)P1K，其特征在于，該發(fā)生器還包括直流碼到交流碼轉(zhuǎn)換電路(4)，用于對(duì)方波信號(hào)P1K作低通濾波及移相校正處理，得到與方波信號(hào)P1K同頻同相的1kHZ正弦載波，并使用直流B碼對(duì)正弦載波作幅值調(diào)制，得到交流B碼。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種GPS同步的IRIG-B時(shí)間碼發(fā)生器，其特征 在于，所述直流碼到交流碼轉(zhuǎn)換電路4包括依次相接的移相器(41)、高階低通 濾波器(42 )和程控放大器(44 ),程控放大器(44 )的增益控制來(lái)源于所述直 流B碼。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種GPS同步的工RIG-B時(shí)間碼發(fā)生器，其特征 在于，所述直流碼到交流碼轉(zhuǎn)換電路4包括依次相接的高階低通濾波器(42)、 移相器(41)和程控放大器(44)，程控放大器44的增益控制來(lái)源于所述直流 B碼。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種GPS同步的IRIG-B時(shí)間碼發(fā)生器，包括依次相接的GPS接收機(jī)、單片機(jī)、直流B碼產(chǎn)生電路和直流碼到交流碼轉(zhuǎn)換電路。直流B碼產(chǎn)生電路產(chǎn)生直流B碼以及與秒脈沖信號(hào)同步的1kHz方波信號(hào)P1K，直流碼到交流碼轉(zhuǎn)換電路對(duì)方波信號(hào)P1K作低通濾波及移相校正處理，得到與方波信號(hào)P1K同頻同相的1kHz正弦載波，使用直流B碼對(duì)正弦載波作幅值調(diào)制，得到交流B碼。本發(fā)明采用硬件同步分頻技術(shù)得到高精度的直流B碼，采用濾波、相位校正及幅值調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生高精度的交流B碼，整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于推廣應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01S5/02GK101545965SQ20091006055
公開日2009年9月30日 申請(qǐng)日期2009年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月16日
發(fā)明者波 金, 豐 魏, 力 魏 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué);湖北天瑞電子有限公司