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1、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
2、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 GPS DC码 AC码 ABSTRACTTiming system is a new technology accompanying with requirement ofmissile and spaceflight.With the developmeng of modern weapons,navigation,communication and electric power,more
3、 and more engineering and scientific fields need timing unification.International popular IRIG-B code is used as time synchronization standard,which,is adopted in device of testing inshooting range,contrlling, communication an weather. The paper discusses the timing equipment according to format of
4、IRIG-B code and standard of IV timing equipment ,in which,ATmega128single chip computer of Atmel company is used as controlling unit ofdemodulation an ATF1508 FPGA is used as counter chain and frequency chain.The timing equipmentcan demodulate DC code,AC code of IRIG-B and GPS time,and then transfer
5、 serial time to the type that rser needs and give also the synchronization pulse that keep in phase with the time.The timing equipment has the function to generate time and generate IRIG-B code,which is sent to base station of B code to adjust time.Key words: Timing Equipment B Code GPS DC code AC c
6、ode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 -2.2 IRIG-B时间码- 6 -2.3 GPS- 8 -第三章 B码时统终端的设计- 10 -3.1总体设计- 10 -3.2 B码时间解调部分的设计- 13 -3.3 B码时间调制部分的设计- 19 -3.4 GPS时间信息的解调- 21 -第四章 可靠性分析- 23 -4.1 B码解调精度分析- 23 -4.2 B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
7、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 -I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”（Time Standard），ITU-R作了如下定义和解释
8、：“用于实现时间单位的设备；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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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IRIGB码,产生出适
14、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: 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；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；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IRIGB格式时间码，
15、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
16、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
17、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。2.2 IRIG-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
18、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，
19、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
20、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P0P5之间，P6P0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2.3 IRIG-B格式码
21、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2.4 B(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
22、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。2.3 GPS2.3.1 GPS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 (Global Positioning System)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
23、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
24、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)/
25、(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。2.3.2 GPS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
26、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RS232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
27、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999999s；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
28、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
29、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3.1.4 B码时统终端的技术指标(1)具有守时功能，一小时漂移300s(2)输入接口(a) IRIG-B交流
30、 （AC） 码幅度：0.5Vp_p10Vp_p调制比：2：16：1负载：600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107(3)同步精度及延时修正IRIG-B（AC）10sIRIG-B（DC）1sGPS授时1s延时修正：999999s(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
31、为负脉冲，脉宽310s3.2 B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RS485电平接口输入与输出经TTLRS485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Atm
32、ega128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。IRIGB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3.4 AC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码后送入单片机解调。 (2)AC码接口单元电路设计。交流码通过变压器隔离输入，一路经LM393过零比较产生1KHZ脉冲信号，一路经数字电位器控制的LM324
33、绝对值放大器，形成05V的正弦信号，并把输入的B码信号分档进行放大，将AC码分为ACC1，ACC2（两者相位差180度），选择Atmega128不同的AD口进行采集，拓宽对B码输入更宽范围的适应。3.2.3 AC码解码电路(1)过零检测单元电路的设计过零检测单元电路的功能是产生2KHZ的AC码时间基准脉冲和1KHZ的识别各种信息内容的定位信号。交流码通过变压器隔离输入后，经LM393过零比较产生1 KHZ连续方波脉冲信号，作为识别各种信息内容的定位信号。过零比较产生的1KHZ信号，上升沿经单稳态触发器74LS123触发，产生250s宽的脉冲信号AC1，下降沿经单稳态触发器74LS123触发产生
34、250s宽的脉冲信号AC2，两路信号经过FPGA控制相或后取反，形成2KHZ的时间基准脉冲。硬件连线图如图3.5所示。图3.5 AC码过零比较单元电路(2) AC码幅值调整电路一路经LM324组成的放大器，形成0-5V的正弦信号，并把输入的IRIG-B交流码信号通过数字电位计进行缩放，调整AC码的幅值，拓宽对IRIG-B交流码输入更宽范围的适应。其中ACC1,ACC2为1：1输出，相位相差180，进入单片机的ADC口进行采集，电路图见图3.6。 图3.6 AC码幅值调整电路 (3)基于TL431A的基准电压模块在本设计中,解码单片机和AC码调制电路中，具有AD变换模块，需要精确的参考电压，由此
35、，设计了基于TL431A的基准电压电路。TL431A 为三端可调节精密基准源。通过两个外接电阻，输出电压可在 Vref ( 约 2.5 V )到 20V 连续调节。该电路输出阻抗小（0.2）。开启特性好，在许多应用场合，它能较好地替换齐纳二极管。硬件示意图如图3.7。图3.7 基准电压模块其中，Vref为参考极和阳极之间的电压差，其值为2.5V，一般将阳极接地，则Vref=2.5V。利用欧姆定律，由Vo=(1+R1/R2)Vref，R2为固定电阻，R1可调，调整R1，使V0输出为5V。3.2.4 AC码解调程序分析本系统中，利用单片机的AD口进行AC幅值的提取。AC码的幅值最小值为：高幅VHm
36、in025V，低幅：Vlmin=025V60.042V。考虑到Atmega128的AD为l0位，参考电压为5V，分辨率为5mV，对应B码最低幅度的转换结果为：高幅对应50(Dec),低幅对应8(Dec)。由上述结果可见，高低幅度很容易。由于采用数字电位器，可以首先对AC码的幅值进行判断，如果幅值较低，可以调整数字电位器将AC码进行放大。图3.8 AC码解码流程图AC码幅值是在2KHZ的ACINT中获得的，ACINT的下降沿对准AC码的峰值点，计算两个采样值之间的差值(或解调出峰值的最大值和最小值，计算出中间值，根据中间值解调出高幅个数)，解调出高幅个数，单片机根据高幅个数解调出IRIG-B交流
37、码(AC)的基准秒头，产生解调秒。程序流程图如图3.8所示。3.2.5 DC码解调程序DC码的基本解调原理为测脉宽法，在本设计中，充分利用了新型Atmega128单片机的功能，利用其输入捕获功能，通过翻转捕获边沿，测到DC码的脉宽，解调出DC码时间。其程序流程图如图3.9所示。图3.9 DC解码流程图3.2.6 FPGA模块在解码中的应用在解码模块中，单片机负责帧头的判读和发出粗解调脉冲，FPGA在接收粗解码脉冲后，利用高精度温补晶振，发出清零秒脉冲，来装载清零分频链，形成与清零秒脉冲下降沿同步的同步脉冲输出7。粗解调脉冲形成清零秒脉冲的波形仿真图如图3.10所示。其中，jsec是单片机发出的
38、粗解调脉冲，clrsec是FPGA发出的清零秒脉冲，其脉宽为0.2us。 图3-10解调秒形成清零秒的波形图在解调秒下降沿同步下发出的同步脉冲波形仿真图如图3-11所示。图3.11 清零秒与同步脉冲关系波形图3.3 B码时间调制部分的设计3.3.1设计原理B码调制单元电路的功能是将目前系统时间调制成DC码和AC码，通过有线或无线信道发回B码基站，供时统中心站进行延时检查和解调检查用。该模块分为DC码调制和AC码调制。DC码调制通过调制FPGA取到目前系统的时间信息，并利用FPGA内部的电路将时间信息调制成DC码。与此同时，调制FPGA产生AC码波形数据的地址，与DC码配合，将存储在EEPROM
39、数据表中的数据输入到DAC0832,进行数模转换，产生一路标准的1KHZ IRIGB码的交流信号，经变压器回送给时统分站或总站8。下面分别予以介绍。3.3.2 DC码调制内部时间的产生是用9个十进制计数器级联组成时钟电路，用以产生内部时间信号：天、时、分、秒信号。四种信号经过缓存后顺序送入并串转换单元，将并行码串行输出，由7个产生时序脉冲的4017级联产生B码所需的三种脉冲形式，经过逻辑门的控制将输出的时间码转化成B码。内部电路示意图如图3.12所示。图3.12 DC码调制电路示意图经过内部模块的合理划分，将365进制计数器和缓冲电路封装为一个模块，其输出是100ms内部对应的码元并行序列；将
40、并串转换和时序脉冲发生器封装为1个模块，其输出为三种码元，参考码元，位置识别标志和时间码元，将这三个码元经过一个或门，就会得到实际的B码输出。最终的输出合成的情况如图3.13所示4。图3.13 合成的DC码信号三种码元输出如图3.14所示。其中,pluse8是脉宽为8ms 的脉冲pulse5是脉宽为5ms的脉冲，pulse2是脉宽为2ms的脉冲。 图3.14 三种码元输出3.3.3 AC码调制单片机ATmega128根据解调出的时间信息和基准秒信号，控制调制FPGA产生直流码和EEPROM的低12位地址信号，直流码控制EEPROM 的最高位地址信号，将存贮在2764中的波形数据取出，送入DAC
41、0832，在1MHz的脉冲控制下进行模数转换，然后进行电流到电压的转化，再进行有源滤波，经变压器耦合后送出。在DC码为高的情况下，A12=1,对应地址范围为0x10000x1fff；在DC码为低的情况下，A12=0,对应地址范围为0x00000x0fff。考虑到一个波形为1ms，DAC0832的转化时间为1us，所以一个正弦波形占据1024个数据点，由此,DC码高电平对应的地址分别为0x10000x13ff，DC码低电平对应地址为0x00000x03ff。调制FPGA需要产生10个地址线3。AC调制电路见附录1。3.4 GPS时间信息的解调3.4.1解调原理GPS时间由解调单片机通过串口接收G
42、PS接收机的时间信息和秒脉冲来完成。GPS秒脉冲在整形后送入选择及延时修正FPGA，GPS输出信息业进入选择及延时修正FPGA。在用户选择GPS时间后，GPS时间标志置1，接收单片机使能串口接收，接收GPS接收机发出NMEA1083语句并完成GPS语句的解析，得到UTC时间和跟踪的卫星的数目。单片机解调成功，通知FPGA已解调成功，FPGA对GPS秒脉冲进行同步整形，以形成解调秒脉冲，在此脉冲下，内部25Hz脉冲启动，利用前面板单片机的串口发送得到B码解调后的时间信息。3.4.2 GPS模块介绍GPS模块选用GARMIN公司的OEM接收板，具有以下特点:(1)并行12通道瞬间锁定可视卫星 (2
43、)长寿命后备锂电使重捕速度更快 (3)全屏敝封装具备优秀抗电磁干扰特点 (4)1PPS秒脉冲输出精度可达到士1us (5)标准NMEA0183语句可选择输出 (6)二进制格式输出和motoroLa格式兼容 (7)多种供电模式、电平输出模式可供选择 (8)输出电压 3.6V6V (9)电平输出： RS232 (10)差分精度可达5米3.4.3 GPS解调流程图GPS接收采用中断方式，并利用单片机内部的RAM做出一个接收队列，利用队列的指针将GPS数据依次接收，实时处理。根据GPS规定的语法进行判读，得到时间信息，发出解调秒，解调流程图，如图3.15所示。图3.15 GPS时间解调流程图第四章 可
44、靠性分析4.1 B码解调精度分析4.1.1 直流（DC）码解调精度DC码解调精度示意图如图5.1所示，解码单元的单片机根据B码找到基准秒头（两个连续的8ms），发出解调秒送给解调单元的FPGA，同直流码相与形成清零秒，再形成0.2s宽的清零秒脉冲对修时分频链进行装载，使其与B码基准秒同步。直流码的解调精度就是直流码的基准秒前沿和清零秒脉冲宽度。 图4.1 直流码清零秒的形成过程4.1.2 交流（AC）码解调精度AC码解调精度示意图如图4.2所示，解码单元的单片机根据B码（AC码）找到基准秒头（两个连续的8个高幅），发出解调秒送给控制单元，同AC码过零比较的AC1和AC2相或后的2KHZ脉冲信号
45、相与形成清零秒，再形成0.2s宽的清零秒脉冲对修时分频链进行装载，使其与B码基准秒同步。交流码的解调精度就是过零比较的精度。图4.2 交流码清零秒的形成过程4.1.3 GPS解调精度在GPS授时状态下的对时精度由GPS授时板输出的秒信号精度决定，其形成清零秒的过程如图4.3所示。图4.3 GPS清零秒的形成过程4.2 B码终端可靠性分析可靠性分析：(1)传输线路的可靠性分析B码DC码必须通过有线信道传输，AC码可以通过有线或无线信道传输。AC通过信道传输到终端时，经常容易造成波形失真和波形畸变，甚至误码,要求时统终端必须有一定的纠错能力。同时，由于GPS工作的不可预知性，GPS信号可能出现时有
46、时无的现象，要求系统有守时能力。(2)接口电路的可靠性分析DC码输入输出均采用双线，传输距离可达1千米。同时DC码接收采用max485接口芯片使DC码传输距离更远，使DC码尽量恢复原貌。AC码采用变压器输入和输出，提高了AC码的抗干扰能力。(3)解调模块的可靠性分析解调模块尽量采用较少的模拟器件，同时FPGA内部电路合理划分功能，尽量提高系统的可靠性。电路设计时，每个芯片电源和地之间连接1个0.1uF和10uF的滤波电容，减少电源波动对芯片工作的影响。由于采用温度补偿晶振，具有很高的频率稳定度，使同步脉冲的周期抖动性很低，守时能力提高。为满足国军标对IV型B码时统终端的低温要求，所有芯片均为军品。(4)调制模块的可靠性分析DC码调制由FPGA内部电路完成，与清零秒的同步精度很高。同时，AC码采用数字电路+模拟电路产生，减少了模拟器件，提高了系统工作的可靠性。第五章 发展和展望5.1时间统一系统的发展方向时间统一系统是随着国防科研试验的需要而诞生的，几十年来从无到有，已经有了指标越来越先进、