多功能內(nèi)置式IRIG-B碼終端設(shè)計

摘要：在分析武器裝備靶場試驗測控設(shè)備同步技術(shù)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，提出了一種多功能內(nèi)置式IRIG-B碼終端設(shè)計；給出了終端的組成、功能與工作過程，詳細(xì)介紹了IRIG-B碼采集模塊、IRIG-B碼產(chǎn)生模塊和軟件模塊的設(shè)計；終端具有通用性強(qiáng)、同步精度高、體積小等特點。
關(guān)鍵詞：測控設(shè)備；GPS；IRIG-B；時間統(tǒng)一；單片機(jī)

    武器裝備靶場試驗時需多臺／套測控設(shè)備(測量與控制設(shè)備的簡稱)參加，不同測控設(shè)備獲得的試驗數(shù)據(jù)在時間上密切相關(guān)。因此，要求參試測控設(shè)備(有時包括被試裝設(shè)備)在時間統(tǒng)一信號(簡稱時統(tǒng)信號。是各種時間編碼信號、各種頻率定時信號和時標(biāo)信號的統(tǒng)稱)協(xié)調(diào)下工作。為了保證各參試測控設(shè)備時鐘同步，靶場除設(shè)置時統(tǒng)中心站外，一般需根據(jù)參試測控設(shè)備、被試裝設(shè)備投入情況，設(shè)置多個時統(tǒng)分站。時統(tǒng)分站通過通信線路和時間碼與時統(tǒng)中心站聯(lián)系，并與時統(tǒng)中心站保持頻率和時間同步，再向用戶(測控設(shè)備或被試裝設(shè)備)提供標(biāo)準(zhǔn)時間和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號。試驗過程中由時統(tǒng)中心站接收國家授時臺發(fā)播的時間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對時，并向時統(tǒng)分站送出對時、校頻信號．統(tǒng)一靶場時間。
    隨著靶場時統(tǒng)設(shè)備(時間統(tǒng)一設(shè)備的簡稱。產(chǎn)生與輸出各種時間編碼、定時信號和接授時間碼對時同步的設(shè)備，包括時碼鐘、時統(tǒng)中心控制臺等)采用GPS時間作為時間標(biāo)準(zhǔn)，在測控設(shè)備中采用GPS授時技術(shù)自主同步靶場時間的條件已經(jīng)成熟，研究基于GPS衛(wèi)星時間的IRIG-B碼終端設(shè)備十分必要。

1 靶場測控設(shè)備同步技術(shù)現(xiàn)狀
    靶場測控設(shè)備經(jīng)歷了脈沖形式時統(tǒng)信號同步，IRIG-B時間碼(以下簡稱IRIG-B碼)同步，GPS衛(wèi)星時間同步等階段。脈沖同步信號傳輸距離有限，抗干擾能力弱，不能提供絕對時間信息，測控設(shè)備在試驗飛機(jī)或艦船上安裝時需采用電臺傳送時統(tǒng)信號。此種同步模式在測控系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備間同步采樣時仍普遍采用。
    IRIG-B碼是IRIG(美國靶場時間測量組)制訂的一種串行BCD調(diào)制時間碼。IRIG-B時間編碼信息為天、時、分、秒，碼元速率為100脈沖／s，時幀周期為1 s，秒標(biāo)志和位置識別符脈沖寬度為8 ms，“1”碼寬度為5 ms，“0”碼和索引計數(shù)符脈沖寬度為2 ms。幅度調(diào)制的載波頻率為1 kHz，無載波調(diào)制時稱直流(DC)碼，有載波調(diào)制時稱交流(AC)碼。測控設(shè)備在試驗飛機(jī)或艦船上安裝時仍需采用電臺傳送IRIG-B碼信號，此種同步模式目前在靶場測控設(shè)備中普遍采用。
    GPS衛(wèi)星時間是導(dǎo)航、遙測及精確時間傳遞等領(lǐng)域的時間基準(zhǔn)。在需要準(zhǔn)確時間的系統(tǒng)上加裝GPS衛(wèi)星時間的采集和本地時間校準(zhǔn)裝置，便可使系統(tǒng)時間始終與GPS衛(wèi)星時間同步。GPS接收機(jī)不受時間、地點和氣候的限制，只要能同時接收4顆以上衛(wèi)星信號即可提供高精度、連續(xù)實時授時信息。GPS衛(wèi)星時間目前已成為公認(rèn)的一種時間基準(zhǔn)，已開始在靶場測控設(shè)備中得到應(yīng)用。

2 總體設(shè)計
2．1 終端組成
    IRIG-B碼終端設(shè)計為PCI總線結(jié)構(gòu)形式，GPS OEM模塊固定在PCI卡上。終端由GPS OEM模塊，IRIG-B碼采集模塊，IRIG-B碼產(chǎn)生模塊等組成，其組成如圖1所示。

2．2 終端功能
    1)GPS衛(wèi)星時間同步；
    2)IRIG-B碼同步；
    3)IRIG-B碼產(chǎn)生；
    4)提供脈沖形式、電流環(huán)形式同步采樣信號；
    5)提供事件標(biāo)記中斷時間。
2．3 終端工作過程
    終端插入測控設(shè)備計算機(jī)擴(kuò)展槽，控制計算機(jī)加電后8031、8751復(fù)位。控制計算機(jī)通過對終端編程實現(xiàn)同步模式選擇，通過編程實現(xiàn)同步采樣信號頻率修改。
    選擇GPS衛(wèi)星時間同步模式時，GPS接收信號穩(wěn)定后終端對外輸出同步采樣信號。選擇IRIG-B碼同步模式時，大約1秒終端對外輸出同步采樣信號。
    事件標(biāo)記中斷出現(xiàn)時終端提供中斷時刻時間信息。
    GPS衛(wèi)星時間同步時，對外輸出基于GPS衛(wèi)星時間的IRIG-B碼時間信號，提供相當(dāng)于靶場時統(tǒng)分站的功能。

3 詳細(xì)設(shè)計
3．1 IRIG-B碼采集模塊設(shè)計
    IRIG-B碼采集模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。8751單片機(jī)內(nèi)部有4 kB的EPROM存貯器，片內(nèi)EPROM已存入終端工作程序。當(dāng)選擇IRIG-B碼同步時，B碼時間的檢測由8751和一組并行十進(jìn)制計數(shù)器完成。當(dāng)終端選擇GPS衛(wèi)星時間同步時，秒以下時間信息的產(chǎn)生與選擇IRIG-B碼同步時一致，秒以上時間從NMEA 0183報文獲得(RS-232接口)。

    8751 P0端口和P2端口用作地址總線和數(shù)據(jù)總線，P1端口的P1．1接收IRIG-B碼，P1．2接收事件標(biāo)記，P1．0用于精確計時計數(shù)器修正量的置入。P3．0用于接收GPS衛(wèi)星時間報文，P3．2用于B碼每個碼元的中斷INT0：P3．3用作外部中斷(INT1)入口，用于接收GPS 1PPS作為GPS衛(wèi)星時間報文的基準(zhǔn)。定時器0用作定時中斷產(chǎn)生，用于B碼檢測；定時器1用作串行口波特率發(fā)生器。
    可編程計數(shù)器用于時間量的精確計時，最大計數(shù)值1 s。為使計數(shù)器和IRIG-B碼同步，需對計數(shù)器初值進(jìn)行修正。修正量可通過理論計算或?qū)崪y得到，并由8751寫入鎖存器。當(dāng)8751檢測到IRIG-B碼參考標(biāo)志時，P1．0端發(fā)出一個置入脈沖，將鎖存器中的修正量置入計數(shù)器，達(dá)到同步目的。
    IRIG-B碼檢測和時間信息的讀出由軟件完成，IRIG-B碼同時接到P1．1和INT0(P3．2)，每個碼元脈沖前沿均引起一次中斷，進(jìn)入中斷后由軟件判斷碼元脈沖寬度，當(dāng)連續(xù)檢測到2個8 ms寬碼元時，即表示檢測到IRIG-B碼參考標(biāo)志，在P1．0端口發(fā)出一個計數(shù)器修正量置入脈沖，之后進(jìn)入數(shù)碼判讀程序。在數(shù)碼碼元位置檢測到5 ms寬碼元時記作“1”，檢測到2 ms寬的碼元時記作“0”。
    B碼采集模塊設(shè)置一組分頻器用于產(chǎn)生各種頻率采樣信號，分頻器的輸入是時間計數(shù)器輸出的100 kHz脈沖，通過分頻器輸出不同頻率脈沖形式同步采樣信號和電流環(huán)形式同步采樣信號。
    當(dāng)選擇GPS衛(wèi)星時間同步時，秒以上時間信息從GPSOEM模塊NMEA 0183報文獲得，秒以下時間信息從六位十進(jìn)制計數(shù)器的高四位中讀出。兩部分時間信息合并組成當(dāng)前時間信息，并自動寫入雙端口RAM供控制計算機(jī)讀取。當(dāng)選擇IRIG-B碼同步時，秒以上時間信息的檢出每秒一次，秒以下時間信息的獲得同GPS衛(wèi)星時間同步模式。
3．2 IRIG-B碼產(chǎn)生模塊設(shè)計
    IRIG-B碼產(chǎn)生模塊與GPS OEM模塊的連接如圖3所示。利用GPS OEM接收機(jī)輸出的NMEA 0183報文和外部1PPS信號得出GPS時間的年、月、日、時、分、秒信息，分別作為IRIG-B碼產(chǎn)生模塊的時間編碼信息和1PPS標(biāo)準(zhǔn)時間信號。對外部5 MHz進(jìn)行隔離、放大、分頻得到1 MHz頻率信號，再將1 MHz頻率信號分別送2 ms、5 ms、8 ms產(chǎn)生模塊，由2 ms、5 ms、8 ms產(chǎn)生模塊分別對1 MHz頻率信號進(jìn)行500、200、125分頻，產(chǎn)生頻率為100 Hz、脈沖寬度分別為2 ms、5 ms、8 ms時鐘信號。

    8051根據(jù)年、月、日、時、分、秒信息和標(biāo)準(zhǔn)1PPS信號，控制兩路IRIG-B(DC)碼產(chǎn)生模塊產(chǎn)生IRIG-B(DC)碼信號。供戰(zhàn)位附近其他測控設(shè)備與靶場時間同步時使用。
3．3 軟件模塊設(shè)計
    軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序如圖4所示、B碼中斷服務(wù)程序如圖5所示、定時器0中斷服務(wù)等程序如圖6所示組成。

    1)主程序
    控制計算機(jī)加電后8751復(fù)位，主程序?qū)Υ锌诔跏蓟?，取計?shù)修正量并開中斷。根據(jù)中斷程序設(shè)置的狀態(tài)位判斷本IRIG-B碼碼元是“0”或是“1”、還是B碼同步頭(標(biāo)志碼)。一幀IRIG-B碼結(jié)束后讀取瞬時時間并送雙端口RAM，然后進(jìn)行下一幀的檢測。
    2)IRIG-B碼中斷服務(wù)程序
    每個IRIG-B碼脈沖前沿均引起一次中斷，進(jìn)入中斷后由軟件判斷碼元脈沖寬度，當(dāng)連續(xù)檢測到2個8 ms寬碼元時，即表示檢測到了IRIG-B碼標(biāo)志。在P1．0端口發(fā)出一個計數(shù)器修正量置入脈沖，之后進(jìn)入數(shù)碼判讀程序。檢測到5 ms寬碼元時記作“1”，檢測到2 ms寬碼元時記作“0”。
    3)定時器0中斷服務(wù)程序
    定時器0中斷是定時器0的溢出中斷，用于判斷B碼是否存在，此中斷只置中斷次數(shù)標(biāo)記。
    4)事件標(biāo)記
    事件標(biāo)記用于確定重要事件發(fā)生時的絕對時間。如彈動時間，導(dǎo)彈起飛時間等。終端可將事件出現(xiàn)時間寫入雙端口RAM，供控制計算機(jī)讀取。

4 結(jié)束語
    靶場測控設(shè)備普遍采用GPS衛(wèi)星時間自主同步后，不用再在試驗現(xiàn)場設(shè)置時統(tǒng)分站，免除在試驗飛機(jī)、艦船、車輛等載體上加裝時統(tǒng)設(shè)備。有利于減少參試兵力，方便試驗組織與指揮，提高試驗綜合效益。