BD2/GPS 高精度同步時(shí)鐘裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周大勇，劉 鵬，劉樹(shù)昌，孫風(fēng)雷，劉 沖，李 超

(長(zhǎng)春理工大學(xué)a.電子信息工程學(xué)院;b.空地激光通信技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022)

BD2/GPS 高精度同步時(shí)鐘裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周大勇a，劉 鵬b，劉樹(shù)昌a，孫風(fēng)雷a，劉 沖a，李 超a

(長(zhǎng)春理工大學(xué)a.電子信息工程學(xué)院;b.空地激光通信技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022)

針對(duì)CCD(Charge Coupled Device)相機(jī)在探測(cè)脈沖激光光斑過(guò)程中曝光時(shí)刻與脈沖激光同步的問(wèn)題，提出一種利用超前預(yù)測(cè)方式同步觸發(fā)CCD相機(jī)抓拍光斑圖像的高精度時(shí)鐘源設(shè)計(jì)方案。該裝置主要采用北斗2導(dǎo)航系統(tǒng)(BD2：BeiDou2 navigation satellite system)/全球定位系統(tǒng)(GPS：Global Positioning System)，雙模接收單元提供的協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC：Universal Time Coordinated)時(shí)間以及高精度秒脈沖(PPS：One-Pulse Per Second)時(shí)間基準(zhǔn)作為同步時(shí)鐘裝置的基準(zhǔn)源，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA：Field-Programmable Gate Array)高速時(shí)序計(jì)算與微控制單元接口技術(shù)，保證CCD相機(jī)同步抓拍時(shí)間，從而完成高精度的同步觸發(fā)。實(shí)驗(yàn)表明，該裝置可以提供微秒級(jí)時(shí)間同步精度和標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)信息，有效地縮短了CCD相機(jī)曝光時(shí)間，得到完整清晰的高信噪比脈沖激光光斑圖像。

時(shí)間同步精度;北斗2導(dǎo)航系統(tǒng);秒脈沖;現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列

0 引 言

隨著傳感器的飛速發(fā)展，以CCD(Charge Coupled Device)相機(jī)為主要組成部分的探測(cè)系統(tǒng)已被廣泛的應(yīng)用在激光光斑同步檢測(cè)中。在使用CCD相機(jī)探測(cè)脈沖激光光斑時(shí)，脈沖寬度很窄，需要選擇合適的時(shí)間觸發(fā)CCD相機(jī)，從而保證每個(gè)激光脈沖恰好落在CCD相機(jī)的積分時(shí)間內(nèi)，因此有效地觸發(fā)CCD相機(jī)快門(mén)將變得至關(guān)重要。在激光脈沖探測(cè)器探測(cè)到激光脈沖后，對(duì)激光脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)通過(guò)同步時(shí)鐘裝置得出當(dāng)前時(shí)刻值，將此時(shí)刻值發(fā)送給相機(jī)同步控制器作為超前預(yù)測(cè)的基準(zhǔn)。通過(guò)微秒級(jí)的超前預(yù)測(cè)使相機(jī)得到合適的曝光時(shí)間，以便獲得高信噪比的脈沖激光光斑圖像［1-3］。

通過(guò)綜合分析同步時(shí)鐘裝置的精度、穩(wěn)定性、安全性和設(shè)計(jì)復(fù)雜程度，筆者提出一種以BD2(BeiDou2 Navigation Satellite System)/GPS(Global Positioning System)雙模接收單元提供同步時(shí)間基準(zhǔn)，以FPGA(Field-Programmable Gate Array)為核心計(jì)算同步時(shí)鐘精度的設(shè)計(jì)方案。其中BD2是我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有可靠的安全性和穩(wěn)定性，其功能與GPS全球定位系統(tǒng)相同［4，5］。綜上所述，該裝置將實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的時(shí)間同步精度并輸出標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信息。

1 總體方案設(shè)計(jì)與原理

筆者提出的高精度同步時(shí)鐘裝置主要包括：BD2/GPS雙模接收單元、FPGA同步檢測(cè)單元、微控制單元、串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元和顯示單元等。其中BD2/GPS雙模接收單元在整個(gè)系統(tǒng)中提供精準(zhǔn)授時(shí)信息和時(shí)間基準(zhǔn)PPS(One-Pulse Per Second)，保證授時(shí)和同步時(shí)間精度的準(zhǔn)確性;FPGA同步檢測(cè)單元主要負(fù)責(zé)時(shí)間同步精度的計(jì)算與超前預(yù)測(cè)觸發(fā)CCD相機(jī);微控制單元主要進(jìn)行系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理。總體原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體原理框圖Fig.1 Block diagram of the system

實(shí)現(xiàn)過(guò)程：BD2/GPS雙模接收單元定位啟動(dòng)完成后，輸出時(shí)間基準(zhǔn)PPS、授時(shí)時(shí)間、經(jīng)緯度等信息。FPGA同步檢測(cè)單元和微處理器單元同時(shí)檢測(cè)PPS信號(hào)。當(dāng)微控制單元檢測(cè)到PPS上升沿信號(hào)時(shí)，將從BD2/GPS雙模接收單元中讀取精確到秒級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即更新授時(shí)時(shí)間信息。當(dāng)FPGA同步檢測(cè)單元檢測(cè)到PPS上升沿信號(hào)時(shí)，其內(nèi)部計(jì)數(shù)器清零并重新開(kāi)始計(jì)數(shù)，以測(cè)量PPS的同步精度，即微秒級(jí)同步時(shí)間數(shù)據(jù)。

筆者采用的CCD相機(jī)觸發(fā)方式分為外部信號(hào)觸發(fā)和相機(jī)幀頻觸發(fā)兩種。有外部觸發(fā)信號(hào)時(shí)，F(xiàn)PGA同步檢測(cè)單元根據(jù)外部觸發(fā)信號(hào)到來(lái)時(shí)刻計(jì)算其時(shí)間間隔，且提前5μs作為超前預(yù)測(cè)時(shí)刻對(duì)CCD相機(jī)發(fā)送外觸發(fā)信號(hào)。無(wú)外部觸發(fā)信號(hào)時(shí)，F(xiàn)PGA同步檢測(cè)單元根據(jù)CCD相機(jī)幀頻發(fā)送觸發(fā)信號(hào)即相機(jī)幀頻觸發(fā)。CCD相機(jī)打開(kāi)快門(mén)采集圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)FPGA向微控制單元發(fā)送中斷信號(hào)鎖存超前預(yù)測(cè)觸發(fā)時(shí)刻，將超前預(yù)測(cè)的觸發(fā)時(shí)刻值和圖像數(shù)據(jù)送至圖像數(shù)據(jù)融合單元進(jìn)行融合顯示。

1.1 BD2/GPS雙模接收單元

該方案的BD2/GPS雙模接收單元采用和芯星通公司的UM220芯片，由BD2和GPS雙系統(tǒng)集成，能同時(shí)支持BD2的B1和GPS的L1兩個(gè)頻點(diǎn)，可以單獨(dú)或組合定位［6］。支持UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)、SPI(Serial Peripheral Interface)、I2C(Inter-Integrated Circuit)等多種數(shù)據(jù)接口，輸出包含時(shí)間和定位信息在內(nèi)的NMEA 0183語(yǔ)句，其格式為ASCII碼。筆者選擇的消息格式為：

BD2/GPS雙模接收單元提供的PPS信號(hào)可以應(yīng)用于高精度的時(shí)間測(cè)量，該信號(hào)將連續(xù)輸出。PPS輸出脈寬和極性可調(diào)，每秒更新一次，輸出精度是20 ns，保證了同步觸發(fā)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)。UM220的內(nèi)部RTC(Real-Time Clock)時(shí)鐘可由電池供電，即使外部掉電，模塊也可以通過(guò)電池供電正常工作。

1.2 微控制單元

微控制單元主要負(fù)責(zé)授時(shí)時(shí)間數(shù)據(jù)和超前預(yù)測(cè)時(shí)刻值的讀取與處理，并將處理后的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳送至圖像數(shù)據(jù)融合單元和液晶顯示單元。微控制單元選擇的是美國(guó)的Atmel公司的ATmega 128L單片機(jī)，具有高保密性，F(xiàn)lash具有多重密碼保護(hù)鎖死功能，中斷響應(yīng)快速，處理數(shù)據(jù)性能穩(wěn)定，擁有較多GPIO(General Purpose Input Output)端口和多種類(lèi)型數(shù)據(jù)接口。

當(dāng)微控制單元檢測(cè)到PPS秒脈沖上升沿時(shí)，將觸發(fā)ATmega 128L外部中斷0，即每秒更新時(shí)間數(shù)據(jù)，其中斷優(yōu)先級(jí)最高。在中斷服務(wù)程序0中通過(guò)Uart0(串口0)接收BD2/GPS雙模接收單元的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。可分為兩個(gè)過(guò)程。1)僅截取UTC(Universal Time Coordinated)時(shí)間數(shù)據(jù)，即精確到秒的標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)時(shí)間數(shù)據(jù)。將從BD2/GPS接收單元接收到的數(shù)據(jù)存放在一維數(shù)組中，根據(jù)$--GGA的消息格式將時(shí)分秒信息解調(diào)出來(lái)。2)由于UTC時(shí)間與北京時(shí)間相差8 h，故將接收到的ASCII碼時(shí)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)，加上相差的8 h，再對(duì)24取模運(yùn)算，得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ASCII碼數(shù)據(jù)，變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息后進(jìn)行傳輸［7，8］。

當(dāng)FPGA向微控制單元發(fā)送INT1中斷信號(hào)時(shí)，在中斷服務(wù)程序1中，微控制單元通過(guò)檢測(cè)FPGA的GPIO端口的電平變換，進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，將微秒級(jí)的超前預(yù)測(cè)時(shí)間數(shù)據(jù)通過(guò)20個(gè)I/O端口并行通信，以保證數(shù)據(jù)傳輸速率。最后將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間數(shù)據(jù)和微秒級(jí)的超前預(yù)測(cè)時(shí)間數(shù)據(jù)綜合處理后，通過(guò)Uart1(串口1)傳輸至圖像數(shù)據(jù)融合單元進(jìn)行融合和顯示。微控制單元通過(guò)SPI接口將標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)時(shí)間信息送入液晶顯示［9，10］。

微控制單元在軟件設(shè)計(jì)上，首先需要對(duì)各個(gè)函數(shù)和端口進(jìn)行初始化，根據(jù)上述過(guò)程順序執(zhí)行各函數(shù)功能。圖2為微控制單元程序流程圖。

圖2 微控制單元程序流程圖Fig.2 Flow chart of the MCU software

1.3 FPGA同步檢測(cè)單元

筆者選用CycloneIIIFPGA的EP3C25Q240C8芯片，其內(nèi)部資源豐富，可配置成多種操作模式，適合于同步時(shí)序電路系統(tǒng)［11］。圖3為FPGA同步檢測(cè)單元的頂層模塊。

圖3 頂層模塊Fig.3 The top module

FPGA同步檢測(cè)單元使用50 MHz外部晶振，為提高同步精度，將50 MHz外部晶振通過(guò)內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻為100 MHz，即將PPS秒脈沖進(jìn)行108分頻計(jì)數(shù)。在clk的上升沿到來(lái)時(shí)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)周期為10 ns，倍頻模塊為bd_pll。reset_n為復(fù)位腳，低電平有效。pps_detect模塊檢測(cè)PPS信號(hào)，檢測(cè)到PPS上升沿時(shí)，pps_en將拉高一個(gè)時(shí)鐘周期高電平觸發(fā)計(jì)數(shù)模塊count。計(jì)數(shù)器count檢測(cè)到pps_為高時(shí)，計(jì)數(shù)器count自動(dòng)清零并重新開(kāi)始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)周期為10 ns，計(jì)數(shù)器count中的數(shù)據(jù)為微秒級(jí)的同步時(shí)間。

在有外部觸發(fā)信號(hào)ex_signal時(shí)，ex_tri模塊將產(chǎn)生一個(gè)ex_int的上升沿信號(hào)，ex_int_detect模塊檢測(cè)到ex_int的上升沿時(shí)，ex_int_en拉高一個(gè)時(shí)鐘周期的高電平觸發(fā)計(jì)數(shù)器count的使能信號(hào)int_。int_一旦拉高，計(jì)數(shù)器count中的計(jì)數(shù)值將鎖存到current_cnt寄存器中，即當(dāng)前外部觸發(fā)時(shí)刻，利用當(dāng)前觸發(fā)時(shí)刻并根據(jù)自適應(yīng)控制原理計(jì)算超前預(yù)測(cè)值。當(dāng)達(dá)到超前預(yù)測(cè)時(shí)刻值時(shí)，將超前預(yù)測(cè)時(shí)刻值鎖存到20位的寄存器data_us［19∶0］中，F(xiàn)PGA同步檢測(cè)單元向MCU發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，MCU進(jìn)行微秒級(jí)的超前預(yù)測(cè)值提取。同時(shí)FPGA向圖像融合單元發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，圖像融合單元將觸發(fā)CCD相機(jī)。無(wú)外部觸發(fā)信號(hào)ex_signal時(shí)，ex_tri模塊根據(jù)CCD相機(jī)幀頻(如25 Hz)產(chǎn)生CCD相機(jī)觸發(fā)信號(hào)即ex_tri模塊將模擬周期為40 000 微秒的觸發(fā)信號(hào)［12-14］。

2 仿真波形與誤差分析

如圖4所示，PPS信號(hào)由BD2/GPS雙模接收單元提供。當(dāng)檢測(cè)到PPS上升沿時(shí)，計(jì)數(shù)器模塊清零并重新開(kāi)始計(jì)數(shù)直到下一個(gè)PPS上升沿到來(lái)時(shí)，寄存器鎖存的時(shí)刻值為PPS秒脈沖同步時(shí)鐘精度。在兩個(gè)PPS秒脈沖的上升沿之間，計(jì)數(shù)器一共計(jì)數(shù)99 999 910個(gè)10 ns，其誤差為900 ns，完全滿足微秒級(jí)的精度。

圖4 PPS精度仿真波形圖Fig.4 PPS precision simulation waveform

如圖5所示，仿真波形是外部信號(hào)ex_signal觸發(fā)時(shí)刻值的鎖存，由于存在內(nèi)部延遲，是ex_signal觸發(fā)信號(hào)與int_管腳檢測(cè)信號(hào)存在小于10 ns的誤差，由此得出系統(tǒng)的整體累計(jì)誤差小于1μs。完全滿足提前5μs的超前預(yù)測(cè)，使系統(tǒng)準(zhǔn)確的發(fā)送觸發(fā)信號(hào)。

圖5 外部觸發(fā)仿真波形圖Fig.5 External trigger simulation waveform

上述仿真波形的誤差來(lái)源主要包括PPS的上升沿與晶振時(shí)鐘的上升沿不同步，晶振時(shí)鐘的上升沿要滯后于PPS的上升沿，F(xiàn)PGA中的門(mén)延時(shí)及計(jì)數(shù)器清零、計(jì)數(shù)所需的延時(shí)，以及微處理器和BD2/GPS授時(shí)模塊處理信號(hào)的硬件延遲誤差和軟件算法延遲誤差等，最后得到微秒級(jí)的時(shí)間同步精度［15］。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，筆者的BD2/GPS高精度同步時(shí)鐘裝置實(shí)現(xiàn)了微秒級(jí)的時(shí)間同步精度以及標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間輸出，并利用超前預(yù)測(cè)方式實(shí)現(xiàn)了兩種觸發(fā)CCD相機(jī)信號(hào)的輸出。本裝置具有性能穩(wěn)定、低功耗、低成本和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在CCD相機(jī)探測(cè)激光光斑時(shí)，可使CCD相機(jī)獲得精準(zhǔn)到微秒級(jí)的同步觸發(fā)時(shí)間，有效地縮減少了CCD相機(jī)的積分時(shí)間，并且可得到高信噪比的脈沖激光光斑圖像，其完全適用于脈沖激光光斑同步檢測(cè)系統(tǒng)。

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Design and Application of High-Precision Time Synchronous Device Based on BD2/GPS

ZHOU Dayonga，LIU Pengb，LIU Shuchanga，SUN Fengleia，LIU Chonga，LIChaoa

(a.College of Electrical and Information Engineering;b.Fundamental Science on Space-Ground Laser Communication Technology Laboratory，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)

To dealwith the problems of time and pulse lager synchronization in the process of CCD(Charge Coupled Device)camera capturing laser spot images，an advanced forecasting method to trigger CCD camera synchronously to capture images of high-precision clock source is proposed.This device used the UTC(Universal Time Coordinated)and high-precision PPS(one-Pulse Per Second)as synchronous clock reference source provided by BD2(BeiDou2 navigation satellite system)/GPS(Global Positioning System)dual-mode receiving unit.Ensured the synchronization capture time of the CCD camera in combination with high-speed FPGA(Field-Programmable Gate Array)computing and microprocessor interface timing technology，thus accomplished the synchronization trigger action.The experiment shows that this device can provide microsecond level synchronization accuracy and standard timing information，shorten the exposure time of the CCD camera effectively，get a complete clear pulse laser spot image with a higher SNR(Signal-to-Noise Ratio).

time synchronization accuracy;BeiDou2 navigation satellite system;pulse per second(PPS);fieldprogrammable gate array(FPGA)

周大勇(1989— )，男，長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春理工大學(xué)碩士研究生，主要從事檢測(cè)技術(shù)與過(guò)程控制研究，(Tel)86-13604302731(E-mail)zhoudayong1989@163.com;劉樹(shù)昌(1955— )，女，長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春理工大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事檢測(cè)與處理技術(shù)研究，(Tel)86-13009126387(E-mail)lscjlcc@126.com;通訊作者：劉鵬(1982— )，男，長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春理工大學(xué)博士研究生，主要從事信息檢測(cè)與處理技術(shù)研究，(Tel)86-13689814498(E-mail)Louis585760@126.com。

TN919.3

A

1671-5896(2014)03-0262-05

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2013-11-19

總裝備部靶場(chǎng)測(cè)試基金資助項(xiàng)目

張潔)