STM32與FPGA的B碼時統(tǒng)解碼設(shè)計＊

楊會玲，唐彬，王軍

（1.蘇州科技學(xué)院，蘇州215011；2.安徽理工大學(xué)）

引 言

時間，作為一個基本的參考量，是人們在各個領(lǐng)域進(jìn)行工作的標(biāo)準(zhǔn)。作為高精度時間傳輸系統(tǒng)的首選標(biāo)準(zhǔn)碼，IRIG－B碼因其眾多優(yōu)點得到廣泛運用。本設(shè)計提出了一種新的B碼解調(diào)方案，區(qū)別于傳統(tǒng)的將單片機作為解調(diào)核心，而是從硬件處理效率等角度出發(fā)，利用微控制器STM32輔助Altera的可編程邏輯器件工作，從而解調(diào)出時間信息。

1 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計

ST的STM32F103是一款增強型芯片，使用ARM公司的Cortex－M3內(nèi)核技術(shù)。Cortex－M3內(nèi)核功耗、能效比、處理速度、價格等方面的優(yōu)勢以及快速中斷處理等技術(shù)，不僅滿足了工控領(lǐng)域的高實時性要求，還為其在其他領(lǐng)域的運用奠定了一定基礎(chǔ)，而且這些優(yōu)點也完全符合B碼時統(tǒng)解碼要求。B碼有直流碼和交流碼，交流碼解碼比直流碼解碼復(fù)雜。直流碼可以通過FPGA直接解調(diào)出，而交流碼則需要經(jīng)過STM32處理后，將其變成偽DC碼輸入到FPGA進(jìn)行解調(diào)出處理。

1.1 系統(tǒng)的設(shè)計簡介

本設(shè)計主要功能是將輸入B碼的DC／AC碼信號分別解調(diào)出來，DC碼信號經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后直接輸入到FPGA進(jìn)行解調(diào)，而AC碼信號是交流信號，經(jīng)通道傳輸后會發(fā)生衰減等現(xiàn)象，所以需要將AC碼進(jìn)行波形整形，預(yù)處理后再將傳輸?shù)牟ㄐ屋斎氲絊TM32，最后將其產(chǎn)生的偽DC碼和1kHz的脈沖進(jìn)行處理，其總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計框圖

1.2 AC碼處理模塊

AC碼處理模塊［1－3］主要包括隔離變壓模塊、絕對值放大模塊和過零比較模塊。隔離變壓器用來產(chǎn)生兩路等幅反相的AC碼，為方便硬件處理，需要將波形進(jìn)行放大與過零比較處理，其硬件設(shè)計如圖2所示，上半部分是絕對值放大部分，下半部分為過零比較部分。

圖2 硬件設(shè)計電路

絕對值放大部分主要是由可編程電位器X9312WP和運算放大器LM324組成，作用是通過STM32的上升沿外部中斷進(jìn)行A／D采集，將波形的幅值調(diào)節(jié)到所需范圍之內(nèi)。X9312WP是Xicor公司生產(chǎn)的具有100個抽頭的數(shù)字可編程電位器，驅(qū)動電壓為3.3V，電阻范圍為0～10kΩ，利用STM32控制端口INC和U／D來使阻值變化，其功能相當(dāng)于一個10kΩ可變電阻和R并聯(lián)成一個0～8kΩ范圍的電阻，一路AC經(jīng)過LM324反相后由這個并聯(lián)電阻和X9312WP組成的自動增益電路來輸出一個2～3V的反相正弦波（即AC＿1），再將其經(jīng)過LM324后輸出一路與AC＿1反相等幅的AC＿2。

過零比較部分主要是由LM324、雙電壓比較器LM393和反相器組成，作用就是用來產(chǎn)生1kHz的脈沖。另一路AC碼經(jīng)過LM324等幅反相后經(jīng)過LM393，用來產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的1kHz脈沖。為了增加信號翻轉(zhuǎn)的可靠性，在LM393輸出部分加了一個5.1kΩ的電阻作為上拉電阻。該部分因涉及模擬信號與數(shù)字信號共用，需要將模擬地和數(shù)字地進(jìn)行信號隔離，使系統(tǒng)電路不受電源干擾。

1.3 AC碼解碼部分［4－5］

本設(shè)計使用了STM32的外部中斷和A／D轉(zhuǎn)換功能。在外部中斷服務(wù)程序中啟動A／D采集，得到當(dāng)前輸入AC碼的幅值，并判斷其幅值電壓是否介于2～3V之間。如果不在幅值范圍，則在中斷程序中通過調(diào)節(jié)X9312WP的阻值控制自動增益放大器倍數(shù)，以使AC碼幅值滿足A／D采集要求，最后通過STM32的I／O口輸出偽DC碼。

STM32微控制器具有18路12位的ADC，可進(jìn)行單次或者多次轉(zhuǎn)換，輸入時鐘在14MHz之內(nèi)，可將采集的結(jié)果放在16位的存儲器中。輸入2kHz脈沖情況下，利用其下降沿中斷啟動AC碼的A／D采集功能，參考電壓是由可調(diào)分流基準(zhǔn)源TL431提供的3.3V電壓，AC＿1和AC＿2分別連接著STM32的I／O口。若AC碼輸入是原相位方式而沒有反相，則采用一路ADC即可，這樣直接輸入到STM32的I／O端口進(jìn)行上升沿中斷處理從而得出偽DC碼。但是由于AC碼的反相問題，所以需要AC＿1、AC＿2以及2kHz的脈沖。這里要注意的是，經(jīng)測試STM32的外部中斷延時是600ns，由FPGA產(chǎn)生2kHz脈沖信號的高電平脈寬需進(jìn)行調(diào)整，以此來保證采集的幅值是最大的。

由系統(tǒng)的3.3V的參考電壓和系統(tǒng)中ADC的12位分辨率得到信號采集靈敏度為0.806mV，AC碼的幅值調(diào)節(jié)在2～3V且高低電平幅值比為1／2～1／6，故得出A／D采集的 VHmin＝1240，VLmin＝414，STM32系統(tǒng)AC碼幅值采集流程圖如圖3所示。

圖3 幅度采集流程圖

1.4 DC碼解碼

在解碼設(shè)計中，STM32產(chǎn)生的偽DC碼和正常的DC碼除了在秒頭提取的方法上不一樣外，時間信息的提取方法是一樣的。DC解碼分為兩個部分：秒頭的提?。?pps）和時間信息的提取。利用10kHz的頻率進(jìn)行碼元識別時，因為偏差的緣故，所以在判斷高電平個數(shù)時規(guī)定“0”的寬度為10～30，“1”的寬度為40～60，“P”的寬度為70～90，通過此法來提高準(zhǔn)確性和精度性。

1.4.1 DC碼的秒頭的同步提取

B碼的秒頭和PR（一幀的起始位標(biāo)識）的上升沿是一致的，這是對一個完整的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和識別的前提。對于DC碼的幀頭的提取，提出了兩種方法：精準(zhǔn)計數(shù)法、位標(biāo)檢測法。秒頭的同步提取如圖4所示，這里使用位標(biāo)檢測法，給每個識別碼一個標(biāo)志，從P0的0標(biāo)志到P9的10逐一遞增，有三個狀態(tài)S0、S1和S2。S0表示當(dāng)檢測到一個P（一幀所含的標(biāo)志位）且此時標(biāo)志位為11（立即賦值為0），即說明下一個狀態(tài)為PR，此時開啟啟動開關(guān)。當(dāng)檢測到下一個上升沿的時產(chǎn)生秒頭，否則返回繼續(xù)監(jiān)控并且檢測到一個P標(biāo)志位加1。S1為檢測狀態(tài)，當(dāng)檢測為P，說明此時為PR狀態(tài)轉(zhuǎn)到S2，如果檢測到的不是P，則返回到S0繼續(xù)檢測。S2主要是賦予標(biāo)志位值，此時為PR狀態(tài)，所以給標(biāo)志位為1，當(dāng)檢測到DC碼上升沿的時候轉(zhuǎn)換到S0繼續(xù)監(jiān)測。

由AC碼得出的偽DC碼只能用波形相“與”法［6］：為了產(chǎn)生pps＿r，這里使用三個狀態(tài)機：S0、S1、S2。S0用來監(jiān)測8ms的高電平，當(dāng)檢測到后轉(zhuǎn)向S1，否則不斷檢測；S1主要是判斷連續(xù)的兩個8ms高電平，檢測到即轉(zhuǎn)向S2，否則轉(zhuǎn)回S0；考慮到PR的高電平數(shù)目不定，所以當(dāng)檢測到時間上升沿時在S2給予計數(shù)起始信號，延時特定時間后留下0.25ms＋0.4ms的高電平作為pps＿r信號。利用偽秒頭pps＿r和1kHz進(jìn)行相“與”，從而得出AC碼的秒頭。

圖4 秒頭的同步提取

1.4.2 時間信息提取

對于時間信息提取的方法，DC碼和偽DC碼是一樣的。通過對DC碼的解碼，給每個碼元一個編號，將其高電平脈沖個數(shù)取出，然后判斷每個碼元的電平狀態(tài)，將結(jié)果存儲在寄存器里，最后轉(zhuǎn)換成易于使用的碼值。截取時間信息時，在一個完整的時間傳輸完后，由下一個P狀態(tài)標(biāo)志結(jié)束后提取，這使得時間的準(zhǔn)確性得到保障。設(shè)計模塊的RTL視圖如圖5所示。

圖5 總的RTL視圖

模塊U1的功能是保存每個碼元的位數(shù)及相應(yīng)的脈沖數(shù)；模塊U2的主要功能是將每位的脈沖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的二進(jìn)制碼；模塊U3的主要功能是將二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的BCD代碼。

2 硬件電路實現(xiàn)與分析

2.1 DC碼解碼硬件實現(xiàn)

在硬件電路中使用兩塊實驗板進(jìn)行測試。一塊實驗板用來顯示當(dāng)前接收到的碼流所含的時間信息，并通過DC碼的形式輸出，另一塊實驗板則用來將解調(diào)出的時間信息通過數(shù)碼管顯示。當(dāng)解碼正確時，兩者時間顯示一致，在示波器中顯示授時秒頭和解調(diào)秒頭，如圖6所示。

圖6采用的是第二種方法，可見精度完全在ns級。DC碼解碼的兩種方法經(jīng)實驗后對比分析如下：第一種因需計數(shù)990ms，50MHz晶振所用的計數(shù)器位數(shù)高達(dá)26位，雖然理論上可以得到準(zhǔn)確的秒脈沖，但實際運行中考慮到價格問題，使用的是普通晶振，而非恒溫晶振，所以產(chǎn)生結(jié)果與接收器所產(chǎn)生的秒頭有1μs左右的延時，且無論如何補償都有比較高的延時；第二種雖理論上有一個時鐘的延時，但由于沒使用計數(shù)器，所以對于時鐘頻率比較高的電路是有效的，這里使用了50MHz的晶振，所以在示波器上顯示的延時是30～40ns。

圖6 DC碼解碼秒頭

2.2 AC碼解碼硬件實現(xiàn)

如圖7所示，上面是經(jīng)過模擬電路處理后的AC碼，下面是將幾個模塊整合后由STM32的I／O口輸出偽DC碼，可以看出它比AC碼延時了250μs，符合設(shè)計要求。

圖7 偽DC碼與解碼時間

在硬件實驗板上將偽DC碼輸入到FPGA后進(jìn)行解調(diào)處理，硬件電路顯示出的時間信息也完全一致。

結(jié) 語

本文針對普通單片機執(zhí)行速度慢及精度低等問題，提出了一種新的B碼時統(tǒng)解碼方案。在AC碼的解碼方案中，一方面采用微控制器STM32的高速信號采集功能，另一方面通過STM32系統(tǒng)實現(xiàn)實時自動增益調(diào)節(jié)功能，輔助FPGA進(jìn)行解碼；在DC碼的解碼部分采用“位標(biāo)檢測法”使解調(diào)精度控制在ns級。通過實驗結(jié)果分析，該B碼解碼設(shè)計方案具有實時性高、占用資源少和抗干擾性能好等優(yōu)點，同時提高了B碼解碼精度，增強了系統(tǒng)可靠性，故本文的設(shè)計方案對B碼技術(shù)在工程中的應(yīng)用具有積極的借鑒價值。

［1］佟剛，崔明.MSP430F149在IRIG－B碼解碼中的應(yīng)用［J］.計算機測量與控制，2007，15（11）：1597－1599.

［2］黃春林，趙云峰.基于 MSP430與FPGA的高授時精度時碼終端系統(tǒng)設(shè)計［J］.戰(zhàn)略導(dǎo)彈技術(shù)，2011，1（1）：115－122.

［3］李詠豪.時間統(tǒng)一系統(tǒng)終端設(shè)備的研究［D］.長春：長春理工大學(xué)，2008.

［4］任志國.時統(tǒng)信號（B碼）在數(shù)字信道上畸變問題研究與解決［D］.長沙：國防科技大學(xué)，2003.

［5］劉懿.基于FPGA的分布式采集系統(tǒng)時鐘同步控制技術(shù)研究與實現(xiàn)［D］.成都：成都理工大學(xué)，2009.

［6］趙云峰，崔明，吳志勇.新型高授時精度時碼終端系統(tǒng)設(shè)計［J］.電光與控制，2009，16（3）：86－90.