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gps时间的同步处理和发送的研究大学论文
摘要
时间统一技术是由导弹、航天试验的需要而发展起来的一门技术,随着现代武器装备、导航、通信、电力等科学技术的进步,越来越多的工程和科学领域需要时间统一。
国际标准的IRIG-B格式时间码(简称B码)作为时间同步标准,在靶场测量、控制、通信、气象等设备广泛采用。
本课题根据国际通用的IRIG-B格式时间码,并遵照IV型B码终端设计的要求,以Atmel公司的ATmega128单片机作为解调控制单元,Atmel公司的大规模可编程器件ATF1508作为分频链和计数链,辅以必要的模拟电路,设计出B码时统终端。
该终端可以解调B码DC码,AC码GPS时间信号,将串行时间信息转化为用户要求的时间序列,并提供系统需要的各种同步信号。
此系统同时带有时间源发生器,并且内部带有B码源,将时统终端的时间信息进行调制成AC码和DC码,通过传输信道发回B码时间分站,以供时间分站对终端设备进行修时和控制。
关键词:
时统终端B码GPSDC码AC码
ABSTRACT
Timingsystemisanewtechnologyaccompanyingwithrequirementofmissileandspaceflight.Withthedevelopmengofmodernweapons,navigation,communicationandelectricpower,moreandmoreengineeringandscientificfieldsneedtimingunification.InternationalpopularIRIG-Bcodeisusedastimesynchronizationstandard,which,isadoptedindeviceoftestinginshootingrange,contrlling,communicationanweather.
ThepaperdiscussesthetimingequipmentaccordingtoformatofIRIG-BcodeandstandardofIVtimingequipment,inwhich,ATmega128singlechipcomputerofAtmelcompanyisusedascontrollingunitofdemodulationanATF1508FPGAisusedascounterchainandfrequencychain.ThetimingequipmentcandemodulateDCcode,ACcodeofIRIG-BandGPStime,andthentransferserialtimetothetypethatrserneedsandgivealsothesynchronizationpulsethatkeepinphasewiththetime.ThetimingequipmenthasthefunctiontogeneratetimeandgenerateIRIG-Bcode,whichissenttobasestationofBcodetoadjusttime.
Keywords:
TimingEquipmentBCodeGPSDCcodeACcode
目录
第一章绪论-0-
1.1时间的概念-1-
1.2时间统一技术-1-
1.3论文研究的目的和内容-3-
第二章标准时统设备与IRIG-B码-5-
2.1时统终端-5-
2.2IRIG-B时间码-6-
2.3GPS-8-
第三章B码时统终端的设计-10-
3.1总体设计-10-
3.2B码时间解调部分的设计-13-
3.3B码时间调制部分的设计-19-
3.4GPS时间信息的解调-21-
第四章可靠性分析-23-
4.1B码解调精度分析-23-
4.2B码终端可靠性分析-24-
第五章发展和展望-25-
5.1时间统一系统的发展方向-25-
5.2时间统一技术在其他领域中的应用-26-
结论-28-
参考文献-29-
致谢-30-
附录1-31-
第一章绪论
1.1时间的概念
在世界上的多种语言中,时间一词有着几种不同的含义。
国际电信联盟(ITU)在其所推荐的有关时间频率的术语中这样解释和定义时间:
“在英语中,时间一词用于说明在一个选定的时间尺度上的一个瞬间。
”在一种时间尺度中,它指的是2件事件之间的或1个事件所持续时间的时间间隔的量度。
显然,时间是一种不可逆的顺序事件的连续集,这和汉语中有关时间的结论不谋而合【1】。
至于“时间标准”(TimeStandard),ITU-R作了如下定义和解释:
“①用于实现时间单位的设备;②用于实现一个时间尺度的连续运转设备,该时间尺度符合于秒定义和一个适当选择的原点。
”
显然,其所定义的“时间标准”指的是“设备”。
易于理解的是,这显然是与无线电计量中的“频率标准”类比而言的。
不管是从其生产的渊源的复杂性(频率标准产生的尺度单位和天象决定的时刻的协调),还是从实际应该的方便性上(时间尺度方便于量值传递),已远远超出上述设备含义而形成一个重要的研究和应用领域了。
从一般原理上说,周期性的现象或物理过程可以用来计量时间。
作为基准,要求这种周期现象必须是惟一的,稳定的,可长期稳定复现的。
1.2时间统一技术
时间统一技术是由于导弹,航天试验的需要而发展起来的一门新技术,随着现代武器装备,导航,通信,电力等科学技术的进步,越来越多的工程和科学领域需要时间统一系统,并且在国防科研中应用广泛。
1.2.1时间统一系统
时间统一系统是向国防科研试验提供标准时间和频率信号,以实现整个实验系统时间和频率的统一,有各种电子设备组成的一套完整的系统。
完整的时间统一系统的组成由图1.1所示
。
图1.1时间统一系统的组成
其中,国家时间频率基准根据各国不同情况,大多数位于天文台,计量部门或时间频率标准实验室。
对于某些工作地域较小的国防科研试验,可不需要与国家时间频率标准保持一致,可以根据实际的需要,确定该试验中心的时间频率标准作为本系统的时间频率的统一标准。
授时台可以通过无线电的方式传递时间频率量值,时间统一系统正是基于此,通过授时台送至各个时统设备所在地,以实现整个系统的时间统一。
对于某些工作地域较小的国防科研试验,可不需要与国家时间频率标准保持一致,可以根据实际的需要,可采用有线或无线信道,将该系统中心的标准时间频率信号传送到各个时统设备。
定时校频接收机用来接收授时台发布的标准时间频率信号,以实现本地时间和标准时间信号的同步和本地频率信号与标准频率信号的校准。
条件允许时,时统设备应配置2种精度相当的定时校频接收机。
频率标准是向时码产生器提供标准频率信号,以让时码产生器产生标准时间信号的源,其频率准确度和频率稳定度直接影响标准时间信号的质量。
时码产生器将频率标准送来的标准频率信号通过分频就可以得到秒、分、时、天等时间标志,但这时的时间并未和标准时间同步。
与标准时间对时的过程称为定时,即用定时接收机送来的标准时间信号同步时码产生器的时间。
时统设备与用户设备的接口称为标准时码信号。
时码产生器完成将标准时间编码成标准时码信号,为了保证其工作的可靠性均进行冗余设计。
时码分配放大器将时码产生器送来的标准时码信号,根据接口标准的规定,变换为与用户设备接口的标准化的时码信号并经分路、放大后送给用户设备[9]。
用户部分采用国际通用的标准时码信号作为时统设备和用户间的标准接口信号,用户所需的各类时间信号不是由时统设备直接提供,而是由用户内的时码接口终端将标准时码信号作为同步信号来产生自己所需的各类时间信号。
1.2.2时间统一系统关键技术指标的要求
(1)时间同步误差
时间同步误差可以说是对时间统一系统最基本的也是最关键的要求。
时间同步误差可分为绝对时间同步误差(即时间统一系统的时间与时间基准之差)和相对时间同步误差(即时间统一系统内部各站同步时间误差)2种。
从国防科研试验测量的机理来看,对测量误差起主要影响的是相对时间同步误差。
(2)测量准确度和频率误差
当测量设备的本振频率需要用时统设备的频率标准来校准时,就会对频率标准的频率准确度提出要求。
此时对频率准确度的要求是应比欲校准的频率准确度高1个数量级。
(3)频率稳定度
频率稳定度表征标准频率信号噪声的大小。
现在趋向于测速设备自配稳定度满足要求的本振源,其频率准确度可用时统设备的频率设备来校准。
时统设备本省出于对保证频率准确度和所提供时间信号稳定性要求等的考虑,也会提出相应的对频率稳定度的要求
(4)取样信号周期抖动
取样信号的周期应该准确、均匀,而且必须与秒信号保持严格的同步关系。
大多数情况下,测量系统仅关心取样信号的时刻是否准确,即前面提到的时间同步误差。
但对于测速设备来说,对取样信号周期的一致性提出了很高的要求。
1.3论文研究的目的和内容
在靶场的许多设备中,其监控系统需要实时记录各种数据,同时要打上正确的时间标记。
实现的方法是在监控系统中配置适当规模的B码时统终端,它接收时统主站输出的IRIG—B码,产生出适合测控系统使用的时间信号。
该终端设备,往往具备以下3种技术要求:
①能够对交流B码和直流B码进行处理,最终将时、分、秒、毫秒等时间信息以串行BCD码的形式送入计算机;②能够准确提取出和主站同步的帧参考点,并提供各种同步脉冲;③在无B码的情况下,通过键盘预置时间,最终仍将时、分、秒、毫秒信息及同步脉冲送出。
本论文出于此目的,设计了基于ATmega128和FPGA技术的新型B码解调终端和接口电路。
在本设计中,采用高速的单片机、超大规模可编程集成电路和少量模拟解调电路相配合的方法,不仅大大减小了B码终端设备的体积,而且增强了系统稳定性。
本论文主要的工作点如下:
(1)研究了国际通用的IRIG—B格式时间码,并遵照IV型B码终端设计的要求,设计出的时统终端可以接收B码DC码,AC码和GPS时间信号,将串行时间信息转化为用户可以接受的时间序列,并提供系统需要的各种同步信号。
(2)该系统同时可以进行时间源选择,并内部带有时间源发生器,将时统系统的时间信息进行调制,调制成DC码和AC码,通过无线信道发回B码时间分站,以供时间分站对终端设备进行修时。
第二章标准时统设备与IRIG-B码
2.1时统终端
时统设备送给用户的是标准格式的时间编码信号。
然而只有很少的用户是直接使用这种时间编码信号的,绝大多数用户所需要的各种时间频率信号都不能从时统设备直接获得的。
用户设备需将接收到的时间编码信号经过译码后,使自己产生的各种时间信号与标准时间信号实现同步,完成这一个功能的设备称为时统设备。
时统设备是时间统一系统的重要组成,它是国防科研试验的重要设备之一。
时统设备是向国防科研试验各个参试设备提供标准时间信号和标准频率信号的设备。
由于参试各站的设备实现了时间统一,从而使整个国防科研试验系统也实现了时间统一。
因此时统设备是国防科研试验重要设备之一。
时统设备的组成如图2.1所示[2]。
图2.1时统设备的组成
时统设备提供给用户设备的应该是标准时间和标准频率信号。
时统与用户设备的关系如图2.2所示。
图2.2时统设备向用户设备发送标准时间码信号
时统设备向各个用户设备送出的是与标准时间同步的标准时间码信号,这个信号既应该有用户设备所需要的标准时间信号,还应该有与标准时间保持高精度同步的时间信号,如秒信号。
保证系统的时间统一是时统设备的最根本的任务。
绝大多数情况下国家时频基准对系统时间统一的误差是可以忽略不计的,只有当系统的时间统一的精度达到10ns量级时才需考虑国家时频基准对时间统一的影响。
时统设备设计或配置也需根据系统对时间同步精度的要求来确定。
尤其是时统设备中的频率标准对现实系统的时间同步精确度起十分关键的作用。
守时就是设备保持精密时间的能力。
守时的能力是时统设备实现时间统一关键的指标。
2.2IRIG-B时间码
时统设备的体制标准化的关键,是使时统设备向用户设备发送的时间信号实现标准化。
标准化的时间信号应是含有时间信息编码的串行时间码,该码应有与标准时间精确同步的时间信号,适应于信道传输,起码位最好留有适当空位,以便于特殊情况的需要和为今后的发展留有余地。
常见的标准时间码有IRIG-A时间码,IRIG-B时间码,IRIG-G时间码,NASA36时间码,XR3时间码【15】。
下面着重对IRIG-B码进行介绍。
IRIG-B时间码的实际应用广泛,IRIG-B时间码中控制功能有27个码元可供使用。
控制功能是在制定编码标准时保留一些码元用于各种控制、识别和其他特殊目的的功能编码,规定了它仅用于靶场内部而不应用靶场间。
IRIG-B时间码的时帧周期为1s,每刷新1次时间信息,用户可每秒与时统设备同步一次,或每秒钟1次监视同步情况,一般情况下这已满足系统的要求,因此选用每秒1帧的时间码是较为合适的。
IRIG-B时间码由于速率适中,编码的信息量较为丰富,因而是国外大多数时统设备采用IRIG-B时间码的主要原因。
IRIG-B(DC)码是每秒一帧的时间串码,每个码元宽度为10ms,一个时帧周期包括100个码元,为脉宽编码。
码元的“准时”参考点是其脉冲前沿,时帧的参考标志由一个位置识别标志和相邻的参考码元组成,其宽度为8ms;每10个码元有一个位置识别标志:
P1、P2、P3、…、P9、P0,它们均为8ms宽度;PR为帧参考点;“1”和“0”分别代表宽为5ms和2ms.
一个时间格式帧从帧参考标志开始。
因此连续两个8ms宽脉冲表明秒的开始,如果从第2个8ms开始对码元进行编码,分别为第0,1,2,…,99个码元。
在B码时间格式中含有天、时、分、秒,时序为秒-分-时-天,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,ll,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。
图2-3为IRIG-B格式时间码原始码.
图2.3IRIG-B格式码原码
对远离时统设备而只有窄带信道相联系的用户,可以采用B(DC)码调制的方法,即将B(DC)码调制成B(AC)码(交流码也是沿用IRIG标准的称呼)再进行传输【10】。
图2.4B(DC)码与B(AC)码
B(DC)码调制成B(AC)码的方法如图2.4所示。
它是用B(DC)码对1kHz正弦信号进行幅度调制,但是由于B(AC)码传送的是精确时间信号,因此与一般的幅度调制不同:
一是1kHz正弦信号必须与产生B(DC)码的信号共源,这样可以保持两者的时间关系一直不变;二是为了使用户能得到精确的时间信号,要求B(AC)码从低幅到高幅的正弦信号的正交过零点(如图2.4中的A点)与B(DC)码的准时点(即脉冲前沿)严格保持一致。
这样用户可从对B(AC)码从低幅到高幅的正交过零点的精密检测得到精确的时间信号。
B(AC)码高幅与低幅之比,称为调制比。
2.3GPS
2.3.1GPS介绍
1973年,为了建立安全的卫星导航装置,美国批准Timation项目,开始GPS(GlobalPositioningSystem)系统的建设工作。
1978年,第一颗GPS卫星发射成功。
到1993,共发射了24颗卫星,建成了新一代卫星导航、定位和授时系统。
它由分布在6条轨道上距地球大约2万公里的24颗卫星组成,能全球覆盖、全天候工作、全天24小时连续实时地向地面用户提供高精度位置、速度和时间信息。
GPS传递的时间能在全球范围内与世界协调时(UTC)保持高精度同步,是迄今为止传播范围最广、精度最高的无线电时钟信号源。
GPS的设计目的是用于美国的军事领域,具有很高的可靠性,同时在降低精度的条件下兼供全世界民用领域。
因此,在一定意义上讲,GPS已成为一项全球共享的高技术资源。
GPS系统由24颗卫星和五个地面站组成,其中21颗为工作卫星,3颗备用,可以保证地球上每一个地点在任何时刻都有四颗卫星覆盖。
每一颗卫星上都装有一个精确到十亿分之一秒的原子钟,GPS卫星不断发射包含其位置和精确时间的数字无线电信号,同时,每当卫星飞越地面站,地面站就对其位置和时间进行校正。
GPS接收装置和当地的标准时间构成了一个四维方程,因此,利用四颗卫星的信号,便可以精确确定接收装置的位置和时间。
假设GPS接收装置的位置为P0(x,y,z),接收到第一颗卫星的时间和地点信息为T1和P1的当地标准时间为t0,接收到第二颗卫星时间和地点信息T2和P2的当地标准时间为t0+dtl,接收到第三颗卫星时间和地点信息T3和P3的当地时间为t0+dt2,接收到第四颗卫星时间和地点信息T4和P4的当地时间为t0+dt3,其中dtl,dt2,dt3由GPS接收装置本身较为精确的时钟源提供,通常只需要这个时钟源的精度同普通石英手表类似就能满足要求,则可以列出四个方程:
(P1-P0)/(t0-T1)=光速(2.1)
(P2-P0)/(t0+dtl-T2)=光速(2.2)
(P3-P0)/(t0+dt2-T3)=光速(2.3)
(P4-P0)/(t0+dt3-T4)=光速(2.4)
由此四个方程,可以非常方便地求解出GPS接收器位置的时间和地点信息。
因此,利用GPS信号,可以非常方便地构成一个精确的标准时间同步方法。
2.3.2GPS授时的优势
GPS不仅是高精度的全球定位系统,也是高精度的实时时间信号源。
分散数千米之遥的各GPS接收机输出的时间信号1PPS(秒脉冲)与标准时间的最大误差不超过1uS,授时型OEM板1PPS精度可达50ns,所以可以认为是同步的。
另外,GPS授时具有抗干扰能力强,保密性好的优点。
GPS接收机有秒脉冲、毫秒脉冲及时间信息、方位信息输出,具有标准RS-232串行接口,可供计算机及其它设备使用。
它也能为遥测站的合理布局提供定位依据[11]。
因此,若分散在各地的各测控设备都采用GPS时间,则可免去各测控设备与测控中心之间的时间信息传递,减少通讯线路传递各种信号的负担,简化测控设备的构成,实现高精度的时间同步,而且现在许多靶场测控设备都采用移动方式,有的甚至没有传输通道,所以GPS授时是靶场测控设备在未来发展中的需要,具有良好的应用价值。
第三章B码时统终端的设计
3.1总体设计
3.1.1系统功能模块划分
时统终端为系统提供绝对时间和各种同步脉冲信号。
该终端接受中心时统的IRIG-B码,如果加装GPS授时板,具备GPS天文授时功能。
同时,该系统回送一路AC码和DC码作为修时用,向各单元送出各种同步脉冲。
系统通过按键与液晶显示与用户进行交互。
时统终端由主机板、显示板、接口板、GPS授时板组成,可根据机箱结构需要灵活组装。
如图3.1所示。
图3.1时统终端硬件框图
各个模块完成的功能如下:
(1)主控板
解调IRIG-B码;
接收GPS时间;
延时修正,修时范围±999999µs;
产生秒脉冲以及各种频率同步脉冲;
产生终端解调后调制的回送B码;
(2)显示板
显示时间、工作方式、工作状态等信息;
扫描键盘;
与通信系统进行数据交换;
设置工作方式。
(3)接口板完成TTL-RS485接口的转换功能。
(4)GPS授时板产生GPS时间。
(5)电源模块采用稳压电源输入,通过稳压模块得到+12,-12,+5,-5伏各种电压,并自带滤波电路,保证电压的稳定度。
3.1.2原理框图
时统终端原理框图如图3.2所示。
其中,解调单片机为ATmega128,利用单片机的内部A/D口将AC码转化成数字量,实现数字化处理,进行数字化解调。
该单片机内部的定时计数器有三个,利用其定时器1的输入捕获功能可以完成DC码的解调。
在解调单片机完成时间同步码元的检测后,发出粗解调信号给FPGA,以提供精确的准时时刻。
接口电路完成差分信号和TTL电平的转换,并带有保护功能,保护整个系统的工作不受外界干扰的侵入。
总之,该系统将解调单元和控制单元进行合理的功能划分,主控单元完成用户的按键输入和时间信息的显示;解调单元完成时间的解调和调制,并给出各种同步脉冲。
该系统以国军标中对B码终端的要求为蓝本,实现了B码AC码、DC码、GPS时间的解调,并产生与时间同步的各种脉冲,统一了测控系统的时间和频率标准。
图3.2时统终端原理框图
3.1.3总体软件设计
解码程序放在解调单片机ATmega128内部程序内,能够完成对FPGA的解码控制和粗解调脉冲的发出,以及GPS时间的解码处理。
其解码程序流程图如图3.3所示。
图3.3解码程序流程图
3.1.4B码时统终端的技术指标
(1)具有守时功能,一小时漂移≤300µs
(2)输入接口
(a)IRIG-B交流(AC)码
幅度:
0.5Vp_p~10Vp_p
调制比:
2:
1~6:
1
负载:
600Ω平衡输入
(b)IRIG-B(DC)码
RS-485接口和GB11014-90标准
(c)GPS授时
信息:
异步通讯接口,TTL电平
授时秒(1Hz):
接口,TTL电平
种类:
定位和定时信号
(d)频标
5MHz高精度频标;
精度优于10-7
稳定度优于10-7
(3)同步精度及延时修正
IRIG-B(AC)≤10µs
IRIG-B(DC)≤1µs
GPS授时≤1µs
延时修正:
±999999µs
(4)输出信号及接口
输出采样频率为25Hz绝对时间码,RS-232接口,串行异步通
讯方式波特率9600bps。
输出各分系统工作需要的同步脉冲,RS-232接口,信号为负脉冲,脉宽3~10µs
3.2B码时间解调部分的设计
3.2.1解调原理
(1)直流码的解调
直流码采用RS—485电平接口输入与输出.经TTL~RS—485电平转换芯片输入,经一或非门送给选择及延时修正FPGA,经选择后(直流码中断DCINT)反送到解码ATmega128单片机的ICP入口。
Atmega128利用ICP功能,通过定时器1测量直流码高电平的宽度,解出时间信息和秒头脉冲,产生解调秒,供控制电路清零分频链,使之与B码的基准秒头同步。
(2)交流码的解调
设计的新型时统终端采用Atmega128单片机进行数字解调,解调IRIG-B交流码,采用自动增益控制电路,将输入AC码的幅值进行调整,利用Atmega128单片机的AD口,通过模数转换,将IRIG-B码转换为数字量,进行数字化解调处理,简化了硬件电路。
IRIG—B交流码(AC)经标准接口后,分为两路,一路输入给单片机的AD口;一路经过零检测电路形成时间基准脉冲,供单片机中断采样。
硬件示意图如图3.4所示。
图3.4AC码解码硬件图
3.2.2输入接口单元电路的设计
(1)DC码接口单元电路设计
直流码有两种接口,一种是TTL接口,另一种是485接口。
本系统中采用485接口输入,,用户选择DC码后送入单片机解
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