北斗和gps双模授时嵌入式时间同步设备和软件设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于卫星授时技术领域，具体涉及一种采用北斗和GPS双模切换技术实现时间同步的设备以及其内部处理器的软件设计方法。
【背景技术】
[0002]时间同步设备是向测控系统提供基准时间信息与频率信息的设备，只有测控系统之间实现了时间同步才可进行其他一切活动。其技术的核心是授时同步和时间码的传递，随着众多授时方式的出现并快速发展，时间同步技术也终将不断地前进。
[0003]时间码的传递则主要是对IRIG-B码进行设计与运用，格式标准定制于美国靶场司令委员会下属的革G场仪器组(Inter-Range Instrumentat1n Group，IRIG)。作为一种重要的用于时间同步的串行时间码，IRIG-B码分为直流码(DC码)和交流码(AC码)两种格式，被广泛的运用于靶场测控中心、军队指挥中心及电力系统等。
[0004]国内对于时间同步设备的研制经历了一个由国外引进到国内生产的过程。早在二十世纪50年代，因为武器的实验需要我国从苏联购买了第一套时间同步设备，后来为了满足各种实验的需求国内也相继开发出了众多类型的终端，但由于没有一个统一的标准一度出现了设备品种繁多、参数不同、体积庞大及设计原理复杂的局面，1984年我国研制出了以IRIG-B码为格式码的时间编码钟，因其同步精度、频率及可靠性等各项指标都达到要求而在1986年将IRIG-B码作为同步设备的首选码。虽其后的一段时间内因为厂商对于技术标准掌握的不纯熟而使得产品存在部分问题，但后来国家颁布的同步标准使这一情况得到了改善。从90年代到现在的二十几年里，中科院国家授时中心也相继发布了基于IRIG-B码的时间同步装置，但在功能的实现上都较为单一，诸如基于GPS实现直流码或者交流码的产生等。虽然这些产品也为业内提供了很好的标准，但是考虑到部分条件的限制，只有将GPS和我国自主研发的北斗组合起来进行双模授时才可更好地实现时间的同步。
[0005]目前现有的时间同步设备一般都是采用单一的授时方式，对于时间同步码也只是单一的编码或者解码并且对于实时时间信息没有一个显示功能。随着科学技术的发展，对于还停留在国家标准层面的时间同步码编码解码精度已经慢慢不能满足需求。
【发明内容】
[0006]为了解决上述问题，本发明提供了一种北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备和软件设计方法，该北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备和软件设计方法克服了上述诸如时间同步的授时方式及功能实现单一、时间精度不高等技术上的缺陷，满足了通过软件智能切换的多种卫星授时方式、高精度时间同步码编码输出、时间同步码输入解码以及实时时间信息显示与模式切换功能于一体的要求。
[0007]本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0008]一种北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备，包括可编程逻辑器件以及分别与所述可编程逻辑器件连接的北斗接收机、GPS接收机和嵌入式微控制器，还设有分别与所述可编程逻辑器件连接的外部硬件电路集成串口、IRIG-B(DC)码输入隔离模块、IRIG-B(DC)码差分输出模块、IRIG-B(AC)码硬件输出模块以及IRIG-B(AC)码输入解码模块，其中，所述可编程逻辑器件采用EP2C8T144C8N，所述嵌入式微控制器采用STM32F103RBT6，所述嵌入式微控制器具有按键输入接口和液晶显示输出接口，所述按键输入接口连接嵌入式按键，所述液晶显示输出接口连接嵌入式液晶显示器，上位机与所述外部硬件电路集成串口连接。
[0009]进一步地说，IRIG-B (AC)码硬件输出模块包括依次连接的DA转换芯片、低通滤波器、运算放大器和变压器。
[0010]进一步地说，IRIG-B(AC)码输入解码模块具有依次连接的隔离变压器、绝对值放大电路、过零比较电路。
[0011]进一步地说，IRIG-B(DC)码输入隔离模块具有隔离芯片和隔离电源。
[0012]进一步地说，所述可编程逻辑器件通过1 口与所述北斗接收机和所述GPS接收机连接。
[0013]进一步地说，所述可编程逻辑器件与所述IRIG-B(AC)码硬件输出模块通过1 口连接。
[0014]进一步地说，所述可编程逻辑器件与所述IRIG-B(AC)码输入解码模块之间预留有进行脉冲信号传输的1 口。
[0015]进一步地说，所述可编程逻辑器件与所述IRIG-B(DC)码输入隔离模块通过1 口连接。
[0016]上述的北斗和GPS双模授时嵌入式时间同步设备的软件设计方法的核心思想是:利用可编程逻辑器件与嵌入式微控制器进行时间同步码IRIG-B码的系统设计，通过协议的方式将GPS、北斗、直流码解码、交流码解码、守时五种方式的当前模式、当前时间信息以及模式的状态集成于一条码流中，传输给嵌入式微控制器进行串口处理操作，从而通过液晶显示器显示出来。
[0017]进一步地说，是利用可编程逻辑器件的建模思路，在可编程逻辑器件内部设计串口发送与接收通用模块，串口发送与接收通用模块接收北斗接收机发送的$GNRMC码流与GPS接收机发送的$GPRMC码流并设计解析模块提取码流中的时间、秒脉冲、定位信息，从而对时间同步码的直流码进行软件编码设计以及对北斗/GPS时间信息与定位信息进行液晶显示使用，至于北斗和GPS模式的选择则通过上位机或者嵌入式按键进行选择控制，而IRIG-B(AC)码则由IRIG-B(DC)码通过交流码形成模块逻辑设计演变而来，对于IRIG-B码的解码部分则通过硬件隔离处理后，结合可编程逻辑器件内部的模块化软件设计进行时间信息的提取，最终将北斗、GPS、IRIG-B (DC)码解码、IRIG-B(AC)码解码及守时时间五种方式的当前模式、当前时间信息及模式的状态集成于一条码流中，通过协议传输的方式传输给嵌入式微控制器进行串口处理后，通过嵌入式液晶显示器显示出来。
[0018]进一步地说，其中，北斗/GPS双模授时部分的软件设计方法如下:
[0019]北斗接收机发送的$GNRMC码流与GPS接收机发送的$GPRMC码流中包含时间信息、定位信息和秒脉冲信息，利用可编程逻辑器件对相关信息进行提取后，建立模式切换模块，模式切换模块通过判断切换命令进行北斗或GPS的选择，从而输出秒脉冲信号IPPS和时间信息TOD ；
[0020]对于模式切换，这里通过两种方式实现:一种是上位机切换，上位机利用串口发送一串命令，可编程逻辑器件通过串口接收模块接收后在串口命令解析模块中提取模式命令进而切换北斗或GPS模式下时间信息使用；另一种是嵌入式按键切换，通过嵌入式按键，于显示端进行北斗或GPS模式的选择，再将信息的改变通过自定义的协议流方式发送给可编程逻辑器件进行处理，进而实现模式切换；
[0021]系统默认的卫星授时模式是使用GPS模式，在模式选择的过程中，当前状态下的北斗或GPS卫星接收无效的情况下，则会切换到自定义授时模式。
[0022]更进一步地说，对于模式切换，可编程逻辑控制器通过秒脉冲触发的方式每秒钟发送协议命令给嵌入式微控制器，嵌入式液晶显示器则实时显示当前的时间及模式，当嵌入式按键进行模式切换时则发送另外的协议命令给可编程逻辑器件从而进行模式的更替。
[0023]进一步地说，其中，IRIG-B码编码部分的软件设计方法如下:
[0024]IRIG-B码的编码逻辑设计主要由IRIG-B (DC)码的编码和IRIG-B (AC)码的编码两部分组成，IRIG-B(DC)码的编码逻辑设计是通过一个case语句将时间信息转换成直流信号，而IRIG-B(AC)码的编码逻辑则是通过设计将直流码变换成交流码的数字形式，便于后续的硬件处理。
[0025]更进一步地说，IRIG-B(DC)码编码逻辑设计方法如下:
[0026]IRIG-B码的码元宽度为10ms，所以在可编程逻辑器件内部进行逻辑电路设计时只需考虑代表0、1和位置识别码三个数据的时钟计数值以及双模授时提供的秒脉冲与DC码的起始标志之间的同步，前者的三个值都是通过计数寄存器进行宽度设定，而后者则通过检测到秒脉冲的高电平后启动寄存器计数方法来实现同步；
[0027]编码模块设计中最重要的便是状态机的使用，完整的编码形成过程由54个状态转移完成，状态机中分为三个启动信号c2、c5、c8，c2为低电平启动信号，c5为高电平启动信号，c8为位置识别码的启动信号，由于使用50MHz的时钟进行系统的逻辑电路设计，所以每个码元需要500_000个时钟周期，当c2启动时计数器需计数100_000个时钟周期的高电平，400_000个时钟周期的低电平来表示直流码中的低电平“0”，高电平和位置识别码表示方法类推；状态机中状态O表示当秒脉冲高电平到来时启动c8，当计数器计数到19’d499_999即宽度已达1ms时关闭c8转向状态1，否则在状态O中循环等待并将三个启动信号都清O ;状态I?4用来产生当前秒个位的BCD码输出，通过判断每位的高低电平来启动c2或者c8 ;状态5是一个索引标志位为低电平只需启动c2即可；状态6?8用来产生当前秒十位的B⑶码输出，生成的方法和秒个位方法一致；状态10?18用来产生当前分钟信息的输出；状态20?26用来产生当前时信息的输出；状态30?38、40?41用来产生当前天数信息的输出；状态9、19、29、39和状态52用来进行Pl?P9的产生；状态53为最后一个状态用来产生PO，最后要留下Ims时间转到状态O用来等待秒脉冲高电平的到来，从而使脉冲精度达到最高；其他的状态都是用来产生低电平信号的输出；状态机设定完毕后，为了保证前端数据的接收的完整性，在检测到秒脉冲的上升沿时即进行时间信息的更新，这可以起到每秒钟刷新时间的效果。
[0028]更进一步地说，其中，IRIG-B(AC)码编码逻辑设计方法如下:
[0029]IRIG-B(AC)码的数字信号形成是由IRIG-B(DC)码输入到地址产生模块、正弦值ROM存储表模块以及DA转换模块后得到的。
[0030]进一步地说，其中，IRIG-B(DC)码解码逻辑设计方法如下:
[0031]此模块的设计