B碼對時方案，基于TI AM62x異構多核工業處理器實現

Tronlong--

什么是IRIG-B碼對時

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]IRIG-B(inter-range instrumentationgroup-B)碼是一種時間同步標準，通常用于精確的時間測量和數據同步，廣泛應用于電力、通信、航空等領域。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]IRIG-B碼為每秒一幀的時間串碼，一幀串碼中包含100個碼元，頻率為1KHz，即每個碼元占用10ms時間。IRIG-B碼基本的碼元為"0"碼元、"1"碼元和"P"碼元，"0"碼元和"1"碼元對應的脈沖寬度為2ms和5ms，"P"碼元為位置碼元，對應的脈沖寬度為8ms，IRIG-B碼信息的基本碼元的示意圖如下所示。

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圖1

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]下圖為一幀的IRIG-B碼脈沖序列結構示意圖。連續兩個"P"碼元表示整秒的開始，第二個"P"碼元的脈沖前沿為“準時”參考點，定義其為"Pr"。每10個碼元有一個位置碼元，共有10個，定義其為P1，P2，…，P9，P0。IRIG-B碼時間格式的時序為秒、分、時、天，所占信息位分別為：秒7位、分7位、時6位、天10位，其位置在P0 ~ P5之間。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]通常，從"Pr"開始對碼元進行編號，分別定義為第0，1，2，…，99碼元，則“秒”信息位于第1、2、3、4、6、7、8碼元，“分”信息位于第10、11、12、13、15、16，17碼元，“時”信息位于第20、21、22、23、25、26碼元，“天”信息位于第30、31、32、33、35、36、37、38、40、41碼元。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]圖2

IRIG-B碼對時應用場景

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]IRIG-B碼對時可應用于繼電保護裝置、電力RTU、電力錄波器、通訊管理機、電能質量在線監測等領域。創龍科技已基于TI AM62x異構多核處理器實現IRIG-B碼對時方案，降低了終端用戶的開發難度，縮減了研發時間，可快速進行產品方案評估與技術預研。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]圖3

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常見IRIG-B碼對時實現方案

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]IRIG-B碼對時的實現常見方案一般基于FPGA或MCU實現，具體方案實現方式如下。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]（1）基于FPGA實現

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]為達到IRIG-B碼與時間信號輸入、輸出的精確同步，采用現代化靶場的IRIG-B碼編碼和解碼的原理，從工程的角度出發，提出了使用現場可編程門陣列(FPGA)來實現IRIG-B碼編碼和解碼的設計方案和體系結構，設計中會涉及到幾個不同的時鐘頻率，FPGA對時鐘的同步性具有靈活性、效率高、且功耗低，抗干擾性好的特點。結果表明，FPGA能夠確保為從設備提供同源的時鐘基準，使時鐘與信號的延遲控制在200ns以內，從而得到了IRIG-B碼與時間精確同步的效果。

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]但是，基于FPGA實現IRIG-B碼開發難度較大，時間投入較多，開發成本將會較高，不利于產品的快速上市。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]（2）基于MCU實現

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]MCU(Micro Control Unit)即微控制單元，通過MCU核心可實現解析IRIG-B碼時序并提取時間信息，再將時間信息同步至其他核心。

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]基于MCU實現IRIG-B碼開發方案結構簡單、開發成本較低、同步精度較高，可滿足多種工業應用場景要求。

AM62x IRIG-B碼對時方案

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]本章節主要描述創龍科技基于TI AM62x的MCU(Cortex-M4F)核心實現IRIG-B碼信號解析功能。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]AM62x內部集成Cortex-A53 + Cortex-M4F核心，可使用Cortex-M4F實現IRIG-B碼對時功能，無需增加額外的MCU成本。并且，通過內部MCU實現IRIG-B碼對時功能方案，硬件設計簡單，有利于快速開發產品。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]（1）案例說明

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]衛星時鐘同步裝置（廠家：南京諾煌電氣科技有限公司，型號：YS-DN-100）通過GPS天線模塊獲取標準時間信息并輸出IRIG-B碼信號，經評估板板載RS485芯片轉換成電平信號后傳輸至Cortex-M4F核心，Cortex-M4F核心通過讀取GPIO引腳電平，解析IRIG-B碼時序并提取時間信息，再通過TI-RPMsg機制將時間信息發送至Cortex-A53核心打印時間信息。系統框圖如下所示。

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圖4
（2）案例測試
本案例需在開闊場地進行測試，請確保衛星時鐘同步裝置的RUN指示燈處于常亮狀態（表示設備工作正常），否則請檢查GPS天線連接是否正常。
由于評估底板RS485_2 UART5為Cortex-A53核心的外設，因此請通過飛線的方式將RS485芯片(U30)的pin3引腳連接至EXPROT接口(J11)的pin4引腳（即Cortex-M4F核心GPIO）。衛星時鐘同步裝置輸出的IRIG-B碼信號經評估底板RS485_2 UART5接口后，再經過EXPROT接口(J11)的pin4引腳輸入至Cortex-M4F核心。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]圖5

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]圖6

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]請將衛星時鐘同步裝置的ANT接口連接至GPS天線模塊，將衛星時鐘同步裝置OUT1接口的“+端子”連接至評估板的RS485_2 UART5接口“A2端子”、OUT1接口的“-端子”連接至評估板的RS485_2 UART5接口“B2端子”，硬件連接如下圖所示。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]圖7

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]請將本案例"dts\bin\"目錄下的tl62x-evm.dtb設備樹文件拷貝至Linux系統啟動卡"/boot/"目錄下，替換原有的tl62x-evm.dtb設備樹文件。然后將案例bin目錄下的am62-mcu-m4f0_0-fw文件、irig_b_decode可執行程序拷貝至Linux系統啟動卡文件系統"/home/root/"目錄下。

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圖8

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]評估板上電，從Linux系統啟動卡啟動，依次執行如下命令，更新Cortex-M4F核心固件，并重啟評估板。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]Target#rm /lib/firmware/am62-mcu-m4f0_0-fw

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]Target#cd /lib/firmware/

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]Target#ln -sf /home/root/am62-mcu-m4f0_0-fw am62-mcu-m4f0_0-fw

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]Target#sync

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]Target#reboot

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]圖9

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]執行如下命令，查詢Cortex-M4F核心與remoteproc對應關系。

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]備注：Cortex-M4F核心對應的RemoteProc Name為5000000.m4fss。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]Target#head /sys/class/remoteproc/remoteproc*/name

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圖10

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]根據查詢結果，執行如下命令查看Cortex-M4F核心程序運行日志，確認Cortex-M4F核心運行狀態。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]Target#cat /sys/kernel/debug/remoteproc/remoteproc0/trace0

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]圖11

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]執行如下命令，查看程序運行參數。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]Target#./irig_b_decode -h

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]備注：rproc_id：核心ID。Cortex-M4F核心ID為9，默認ID為0。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]圖12

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]執行如下命令，解析IRIG-B碼時序并提取時間信息，可看到串口終端打印當前日期如下圖所示。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]Target#./irig_b_decode -r 9

圖13