基于IRIG-A码输出的超小型GPS时钟设计

引言

　　近年来，gps（全球定位系统）得到了广泛的应用。gps不仅提供定位信息，同时也提供高精度的时间信号。在地震观测系统中，数据采集装置对时间有着极高的要求，目前普遍采用的是gps同步授时和本地时钟守时相结合的办法获取时间信息。每台装置都有自己的gps接收机用于同步授时。这意味着即使在一个几百米范围内的区域，由于每台装置所处的位置不同以及各接收机性能不可能完全一致，彼此之间的时间信息也仍然存在一定的误差。如果在小区域范围内，几台数据采集器同时采用一台gps接收机同步授时，则可消除上述误差，时间统一和可靠性能得到进一步提高。irig码是国际通用的一种标准时间传输码。它不仅包含秒符号信息，而且包含绝对时间信息，已经广泛应用于时统装置与用户接收装置之间的接口标准，提高了发收端时间的一致性、可靠性。

　　1 irig码格式规范

　　irig（inter range instrumentation group）码，称为“美国靶场仪器组码”，把接收的gps时间编码，传送给分布在不同地方的设备，以实现各设备之间的时钟同步。该码广泛应用于导弹、航天、遥测等时统设备中，实施精
度高，稳定性强。

　　irig码包含100个码元，每个码元又有3种码型：二进制0、1和位置标识符。分成3字段编码：第1字段为年时间（天、时、分、秒），第2字段为控制功能函数字段，第3字段为直接用二进制秒符号表示的天时间。每24小时循环1次。

　　irig串行码主要有a、b、d、e、g、h六种时间格式，主要差别是时间编码精度、码元速率和二进制时间信息的位数不同。实际常用的是a和b码。a码时帧周期为0.1 s，b码时帧周期为1 s。

　　在本设计中采用了iriga串行时间码编码。irig码分为直流（dc）码和交流（ac）码。dc码和ac码码元周期均为1 ms。dc码用脉宽来表示码元，脉宽0.2 ms表示二进制0，脉宽0.5 ms表示二进制1，脉宽0.8 ms表示位置标识符或参考码元。ac码用周期为0.1 ms的高幅和低幅正弦波的个数来表示码元，参考码元或位置标示符用8个高幅和2个低幅表示，二进制1用5个高幅和5个低幅表示，二进制0用2个高幅和8个低幅表示。

2 iriga编码设计

　　lpc2132 微控制器有1个8路10位a/d转换器和1个10位d/a转换器、2个32位定时器/计数器（带4路捕获和4路比较通道）、pwm单元（6路输出）和看门狗、9个边沿或电平触发的外部中断引脚。片内晶体振荡电路支持频率为1~30 mhz。通过片内pll可实现最高为60 mhz的微控制器操作频率。pll的稳定时间为100 μs。

　　在本设计中使用lpc2132和lea4h gps接收机组成一个时统设备的发送端。gps接收机通过uart口，每秒钟向微控制器发送1次数据，1pps脉冲信号接入微控制器的外部中断eint0。温度传感器tcn75采集周围的环境温度，并通过i2c总线把温度数据传送给微控制器。二阶低通滤波电路对d/a转换器输出的波形进行整形。微控制器维持一个本地时钟计数，产生毫秒、秒、分、时、天的时间，同时把时间信息按iriga码的格式编码。gps时钟电路框图如图1所示。

　　32位计数器t0一直连续计数。当1pps信号到来时，产生中断，捕获寄存器cr0装入t0当前的计数值ct1并保存下矗坏毕乱桓?pps信号到来时，cr0装入t0的计数值ct2，本地晶振频率为（ct2-ct1）或（ct1+232-ct2）。t0计数溢出时的情况。

　　2.2 时间信息生成

　　微控制器采用对本地时钟的计数来分别产生毫秒、秒、分、时、天的时间信息，并设置了毫秒、秒、分、时、天的软件计数器。匹配寄存器mr1根据晶振当前频率值设置毫秒时刻的匹配值。当匹配时，毫秒软件计数器值加1。毫秒计数器计0~1000 ms的时间，并在秒时刻清零；秒、分、时、天计数器主要完成秒、分、时、天的计时。由于gps接收机1 s发1次数据信息，所以对本地时钟的同步精度是1 s，由于秒以下可能会产生误差，所以微控制器还需进行钟差测量，把本地时钟计时信息和gps时间信息进行比较。两者之差大于1 s，直接修改本地时间信息。如果本地计时快，则把毫秒计数器计数节拍调慢一点，即mr1毫秒时刻的匹配值设置偏大；反之，则把节拍调快一点，直至误差最小化。

　　匹配寄存器mr0控制dc码波形的翻转。由于知道了32位计数器t0与1pps的关系，因此可根据输出码元的脉宽确定跳变沿时刻的计数值。实际上，只要所提取的时间信息转换成为iriga的格式，就可以按式（1）确定1帧码元脉宽的跳变沿的计数值。为了使输出的码元及时、准确，可以提前向匹配寄存器写入下一个跳变沿的计数值，即在ctx值匹配时预置cty值，如图3所示。tx时刻对应的计数值ctx：

　　ac码的每个正弦波采样16个点，各相邻点之间的采样时间间隔相等，其中第1个点和第17个点采样时间间隔为1 ms。ac码用高低幅正弦波个数表示（高幅和低幅正弦波采样时间相同，相应时刻幅值是前者为后者的3倍），并把正弦波采样点存表。表1存放高幅正弦波数据，表2存放低幅正弦波数据。在内部存储器中，表1和表2的入口地址不同，局部地址完全相同，寻址时只要跳到相应的入口地址，后面的查表方式就完全一致。查表时刻由匹配寄存器控制，查表时把数据送入d/a转换器，如图4所示。在d/a转换器输出端，接隔直电容和低通滤波器整形输出，同时匹配寄存器的匹配值还须根据所测的频率不断调整。

　　结语

　　本设计实现了iriga dc码和ac码的编码输出，两种码可根据实际需要选择使用。dc码和ac码主要由软件完成。在编程过程中，微控制器不断检测本地晶振的频率。gps同步时，用1pps信号去计算频率值，所得频率值是十分准确的，同时按温度地址存表；gps失步时，微控制器查温度频率表，同样也能得到具有一定准确度的频率值。根据本地晶振频率就可以准确控制irig码的输出。该设计的实际电路体积小、功耗低，在gps同步时有很高的输出精度，可达μs量级，而在gps失步时输出也有较高的精度；同时可以灵活选择使用dc码和ac码输出，具有较高的应用价值。