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近年來，GPS（全球定位系統）得到了廣泛的應用。GPS不僅提供定位信息，同時也提供高精度的時間信號。在地震觀測系統中，數據采集裝置對時間有著極高的要求，目前普遍采用的是GPS同步授時和本地時鐘守時相結合的辦法獲取時間信息。每臺裝置都有自己的GPS接收機用于同步授時。這意味著即使在一個幾百米范圍內的區域，由于每臺裝置所處的位置不同以及各接收機性能不可能完全一致，彼此之間的時間信息也仍然存在一定的誤差。如果在小區域范圍內，幾臺數據采集器同時采用一臺GPS接收機同步授時，則可消除上述誤差，時間統一和可靠性能得到進一步提高。IRIG碼是國際通用的一種標準時間傳輸碼。它不僅包含秒符號信息，而且包含絕對時間信息，已經廣泛應用于時統裝置與用戶接收裝置之間的接口標準，提高了發收端時間的一致性、可靠性。 1 IRIG碼格式規范 IRIG（Inter Range Instrumentation Group）碼，稱為“美國靶場儀器組碼”，把接收的GPS時間編碼，傳送給分布在不同地方的設備，以實現各設備之間的時鐘同步。該碼廣泛應用于導彈、航天、遙測等時統設備中，實施精度高，穩定性強。 IRIG碼包含100個碼元，每個碼元又有3種碼型：二進制0、1和位置標識符。分成3字段編碼：第1字段為年時間（天、時、分、秒），第2字段為控制功能函數字段，第3字段為直接用二進制秒符號表示的天時間。每24小時循環1次。 IRIG串行碼主要有A、B、D、E、G、H六種時間格式，主要差別是時間編碼精度、碼元速率和二進制時間信息的位數不同。實際常用的是A和B碼。A碼時幀周期為0.1 s，B碼時幀周期為1 s。 在本設計中采用了IRIGA串行時間碼編碼。IRIG碼分為直流（DC）碼和交流（AC）碼。DC碼和AC碼碼元周期均為1 ms。DC碼用脈寬來表示碼元，脈寬0.2 ms表示二進制0，脈寬0.5 ms表示二進制1，脈寬0.8 ms表示位置標識符或參考碼元。AC碼用周期為0.1 ms的高幅和低幅正弦波的個數來表示碼元，參考碼元或位置標示符用8個高幅和2個低幅表示，二進制1用5個高幅和5個低幅表示，二進制0用2個高幅和8個低幅表示。 2 IRIGA編碼設計 LPC2132 微控制器有1個8路10位A/D轉換器和1個10位D/A轉換器、2個32位定時器/計數器（帶4路捕獲和4路比較通道）、PWM單元（6路輸出）和看門狗、9個邊沿或電平觸發的外部中斷引腳。片內晶體振蕩電路支持頻率為1"30 MHz。通過片內PLL可實現最高為60 MHz的微控制器操作頻率。PLL的穩定時間為100 μs。 在本設計中使用LPC2132和LEA4H GPS接收機組成一個時統設備的發送端。GPS接收機通過UART口，每秒鐘向微控制器發送1次數據，1PPS脈沖信號接入微控制器的外部中斷EINT0。溫度傳感器TCN75采集周圍的環境溫度，并通過I2C總線把溫度數據傳送給微控制器。二階低通濾波電路對D/A轉換器輸出的波形進行整形。微控制器維持一個本地時鐘計數，產生毫秒、秒、分、時、天的時間，同時把時間信息按IRIGA碼的格式編碼。GPS時鐘電路框圖如圖1所示。 圖1 GPS時鐘電路框圖 微控制器根據1PPS信號不斷檢測本地晶振的頻率，根據檢測結果控制匹配寄存器的匹配值。微控制器內部32位定時計數器T0一直對本地晶振頻率計數，捕獲寄存器CR0在1PPS信號觸發下裝入當前的計數值；匹配寄存器MR0用于設置IRIG DC碼波形的跳變沿和IRIG AC碼采樣點時刻，匹配寄存器MR1用于設置時間單元信號。軟件編碼設計框圖如圖2所示。 2.1 晶振頻率測量 32位計數器T0一直連續計數。當1PPS信號到來時，產生中斷，捕獲寄存器CR0裝入T0當前的計數值CT1并保存下矗壞畢亂桓?PPS信號到來時，CR0裝入T0的計數值CT2，本地晶振頻率為（CT2-CT1）或（CT1+232-CT2）。T0計數溢出時的情況。 2.2 時間信息生成 微控制器采用對本地時鐘的計數來分別產生毫秒、秒、分、時、天的時間信息，并設置了毫秒、秒、分、時、天的軟件計數器。匹配寄存器MR1根據晶振當前頻率值設置毫秒時刻的匹配值。當匹配時，毫秒軟件計數器值加1。毫秒計數器計0"1000 ms的時間，并在秒時刻清零；秒、分、時、天計數器主要完成秒、分、時、天的計時。由于GPS接收機1 s發1次數據信息，所以對本地時鐘的同步精度是1 s，由于秒以下可能會產生誤差，所以微控制器還需進行鐘差測量，把本地時鐘計時信息和GPS時間信息進行比較。兩者之差大于1 s，直接修改本地時間信息。如果本地計時快，則把毫秒計數器計數節拍調慢一點，即MR1毫秒時刻的匹配值設置偏大；反之，則把節拍調快一點，直至誤差最小化。 圖2 軟件編碼設計框圖 2.3 DC碼編碼輸出 匹配寄存器MR0控制DC碼波形的翻轉。由于知道了32位計數器T0與1PPS的關系，因此可根據輸出碼元的脈寬確定跳變沿時刻的計數值。實際上，只要所提取的時間信息轉換成為IRIGA的格式，就可以按式（1）確定1幀碼元脈寬的跳變沿的計數值。為了使輸出的碼元及時、準確，可以提前向匹配寄存器寫入下一個跳變沿的計數值，即在CTX值匹配時預置CTY值，如圖3所示。TX時刻對應的計數值CTX： 式中TX單位為μs。 圖3 IRIGA碼產生的示意圖 2.4 AC碼編碼輸出 AC碼的每個正弦波采樣16個點，各相鄰點之間的采樣時間間隔相等，其中第1個點和第17個點采樣時間間隔為1 ms。AC碼用高低幅正弦波個數表示（高幅和低幅正弦波采樣時間相同，相應時刻幅值是前者為后者的3倍），并把正弦波采樣點存表。表1存放高幅正弦波數據，表2存放低幅正弦波數據。在內部存儲器中，表1和表2的入口地址不同，局部地址完全相同，尋址時只要跳到相應的入口地址，后面的查表方式就完全一致。查表時刻由匹配寄存器控制，查表時把數據送入D/A轉換器，如圖4所示。在D/A轉換器輸出端，接隔直電容和低通濾波器整形輸出，同時匹配寄存器的匹配值還須根據所測的頻率不斷調整。 圖4 IRIG-A AC碼產生示意圖 軟件設計流程如圖5和圖6所示。 圖5 基準時間產生流程 圖6 IRIG-A 直流和交流碼產生程序流程 如果GPS失步，則1PPS信號將不能用于晶振頻率的測量。晶體受溫度頻率特性及老化等各種因素的影響，會發生短期或長期的頻率漂移。為了使輸出的IRIGA碼仍具有較高的準確度，解決的辦法是在內部建立一張溫度頻率表，通過實時查表確定當前的晶振頻率。在GPS同步時，微控制器利用1PPS信號不斷調整計數值CT1、CT2， 同時利用溫度傳感器采集當前工作溫度T，可按0.5°的溫度步差列一張[T；CT2CT1]溫度頻率表。只要GPS同步，這張溫度頻率表就在不斷更新，以確保該表是實時可用的；一旦GPS失步，微控制器查表，就可查得當前的頻率值f，按式（1）確定TX時刻對應的計數值CTX和確定AC碼的查表時刻，以保證IRIGA碼輸出的連貫性和高準確性。 結語 本設計實現了IRIGA DC碼和AC碼的編碼輸出，兩種碼可根據實際需要選擇使用。DC碼和AC碼主要由軟件完成。在編程過程中，微控制器不斷檢測本地晶振的頻率。GPS同步時，用1PPS信號去計算頻率值，所得頻率值是十分準確的，同時按溫度地址存表；GPS失步時，微控制器查溫度頻率表，同樣也能得到具有一定準確度的頻率值。根據本地晶振頻率就可以準確控制IRIG碼的輸出。該設計的實際電路體積小、功耗低，在GPS同步時有很高的輸出精度，可達μs量級，而在GPS失步時輸出也有較高的精度；同時可以靈活選擇使用DC碼和AC碼輸出，具有較高的應用價值。 |
