基于Smartfusion2的IRIG-B碼編碼器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 陳 偉 王 宇 余飛俠 范曉東

基于Smartfusion2的IRIG-B碼編碼器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 陳 偉 王 宇 余飛俠 范曉東

旨在設(shè)計(jì)一種基于Smartfusion2的IRIG-B碼編碼器。該設(shè)備采用Smartfusion2作為主控制器并在其內(nèi)部配置了Cortex-M3微處理器系統(tǒng)MSS，采用雙模授時(shí)機(jī)（GPS/BD）作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源。利用雙模授時(shí)機(jī)送出的1PPS以及時(shí)間信息觸發(fā)Cortex-M3微處理器系統(tǒng)MSS的編碼程序，利用雙模授時(shí)機(jī)送出的1PPS和10MHz及來(lái)自MSS的IRIG-B碼流觸發(fā)FPGA調(diào)制程序，從而完成DC碼的編碼。MSS節(jié)省了FPGA資源，提高調(diào)制效率，F(xiàn)PGA保證了B碼信號(hào)邊沿的精準(zhǔn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行以及示波器觀測(cè)，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、授時(shí)準(zhǔn)確，達(dá)到了預(yù)期要求。

Smartfusion2；FPGA；Cortex-M3；IRIG-B

0 引言

我國(guó)工業(yè)控制、通信、氣象、航天、電力系統(tǒng)測(cè)量與保護(hù)等領(lǐng)域的測(cè)試設(shè)備均采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IRIG-B時(shí)間碼[1]（簡(jiǎn)稱(chēng)B碼）作為時(shí)統(tǒng)設(shè)備的時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)。B碼具有世界通用、接口標(biāo)準(zhǔn)化、適用于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)的IRIG-B編碼大都以FPGA為核心控制器，資源消耗量大、編碼精度低、工作效率和穩(wěn)定性差。因此，需要更高效的控制器，有效的編碼算法實(shí)現(xiàn)即插即用、授時(shí)精度高及運(yùn)行穩(wěn)定的新型編碼器。鑒于SmartFusion2[2-3]是Microsemi的最新65nm工藝的片上系統(tǒng)產(chǎn)品，即是基于Flash架構(gòu)FPGA發(fā)展而來(lái)，內(nèi)部集成166 MHz的ARM Cortex-M3的硬核處理器，且不占用FPGA的邏輯資源，為用戶(hù)提供高安全性、高可靠性及超低功耗等性能。本方案正是采用SmartFusion2作為編碼器核心控制器，將FPGA和微處理器Cortex-M3優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高精度授時(shí)和高可靠性的時(shí)統(tǒng)設(shè)備IRIG-B碼編碼器。本方案正是采用SmartFusion2作為編碼器核心控制器，將FPGA和微處理器Cortex-M3優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高精度授時(shí)和高可靠性的時(shí)統(tǒng)設(shè)備IRIG-B碼編碼器。

1 IRIG-B碼簡(jiǎn)介

B碼是一種串行的時(shí)間格式碼[4-9]，用于各系統(tǒng)時(shí)間同步，IRIG-B碼的幀周期為1秒，由100個(gè)碼元組成，每個(gè)碼元10ms，碼元寬度有8ms、5ms和2ms三種，分別代表碼元P（位置識(shí)別標(biāo)志或基準(zhǔn)碼元）、二進(jìn)制的1以及二進(jìn)制的0，如圖1所示。為了便于傳輸和提取B碼中的信息，每10個(gè)碼元中有一個(gè)位置識(shí)別標(biāo)識(shí)，分別稱(chēng)為P1、P2、…、P9、P0。幀參考標(biāo)志是由位置識(shí)別標(biāo)志P0和相鄰的基準(zhǔn)碼元Pr組成的，Pr的前沿即是每幀的準(zhǔn)秒時(shí)刻，也就是從該準(zhǔn)秒時(shí)刻起，按秒、分、時(shí)、天等時(shí)間信息進(jìn)行編碼，最終形成IRIG-B碼，如圖2所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

IRIG-B碼信號(hào)編碼器的整體硬件電路設(shè)計(jì)框架如圖3所示，這里的SmartFusion2在其內(nèi)部配置了FPGA和Cortex-M3硬核處理器。

圖1 IRIG-B碼碼元圖

圖2 IRIG-B碼信號(hào)波形

圖3 硬件電路設(shè)計(jì)框架

本設(shè)計(jì)中時(shí)鐘源采用的是經(jīng)過(guò)馴服的雙模授時(shí)機(jī)（GPS/BD），其可以輸出標(biāo)準(zhǔn)UTC（世界協(xié)調(diào)時(shí)）時(shí)間信息和同步1PPS（秒脈沖）及與其同源的10MHz時(shí)鐘。首先，作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源將UTC（世界協(xié)調(diào)時(shí)）時(shí)間信息和1PPS（秒脈沖）送入SmartFusion2，這里SmartFusion2采用Microsemi公司的M2S010芯片。接著，在SmartFusion2里，先經(jīng)過(guò)Cortex-M3微處理器系統(tǒng)MSS進(jìn)行編碼程序，根據(jù)IRIG-B碼標(biāo)準(zhǔn)格式，將UTC（世界協(xié)調(diào)時(shí)）時(shí)間信息轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制碼流并發(fā)送給FPGA編碼模塊；接著，F(xiàn)PGA編碼模塊對(duì)輸入的二進(jìn)制碼流進(jìn)行編碼輸出。

此處電源模塊，以滿(mǎn)足各芯片對(duì)供電電壓的需求，分別需要電壓為+5V、+3.3V，這里采用電源轉(zhuǎn)換芯片LT1963ES8以完成+6.5V到+5V的轉(zhuǎn)換，集成電路LT1963EST-3.3以完成+5V到+3.3V的轉(zhuǎn)換。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

IRIG-B碼信號(hào)編碼器的軟件設(shè)計(jì)主要是基于FPGA+Cortex-M3微處理器系統(tǒng)MSS而完成，如圖4所示，其中，Cortex-M3微處理器系統(tǒng)MSS主要根據(jù)輸入的1PPS，負(fù)責(zé)將時(shí)間信息轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制碼流的編碼程序設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA主要負(fù)責(zé)Cortex-M3微處理器系統(tǒng)MSS的構(gòu)建、IRIG-B碼碼流編碼輸出程序設(shè)計(jì)等。

3.1 IRIG-B碼編碼方法簡(jiǎn)述

根據(jù)IRIG-B碼波形，在本設(shè)計(jì)中每1ms視為1bit，有脈寬為高電平1，否則為低電平0，則IRIG-B碼中三種碼元“P”、“1”和“0”分別用二進(jìn)制表示為1111111100、1111100000和1100000000，則一幀IRIG-B（DC）碼為100碼元即為1000bit二進(jìn)制碼流。

MSS將輸入的一幀標(biāo)準(zhǔn)UTC（世界協(xié)調(diào)時(shí)）時(shí)間信息進(jìn)行解算，得到秒、分、時(shí)、日、月、年等時(shí)間信息，并根據(jù)IRIG-B碼標(biāo)準(zhǔn)格式，將上述時(shí)間信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的碼元，并進(jìn)行充實(shí)得到100碼元；再將該碼元“P”、“1”及“0”等，擴(kuò)充轉(zhuǎn)換為1000bit時(shí)間碼流并存入大小為16bit的整形數(shù)組EncodeBuf[64]中；當(dāng)1PPS脈沖到來(lái)時(shí)，將EncodeBuf[64]同步發(fā)送給FPGA編碼模塊；FPGA編碼模塊根據(jù)1PPS同步將收到的時(shí)間信息碼流EncodeBuf[64]存入到雙端口RAM中；同時(shí)由同源的1PPS和10MHz產(chǎn)生同源的1KHz時(shí)鐘，根據(jù)此1KHz時(shí)鐘，雙端口RAM輪流將內(nèi)存中時(shí)間碼流以1bit字長(zhǎng)，輸出1000bit，即輸出與輸入1PPS同步的IRIG-B碼波形，F(xiàn)PGA程序如圖5、6所示。

圖5 IRIG-B碼編碼核的FPGA程序

3.2 MSS程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述

MSS里完成的程序設(shè)計(jì)，主要有以下幾個(gè)方面：（1）對(duì)Cortex-M3微處理器系統(tǒng)MSS進(jìn)行初始化。配置一個(gè)GPIO端口作為中斷引腳，映射來(lái)自時(shí)鐘源的1PPS（秒脈沖）中斷；配置一個(gè)APB總線主模塊，以輸出已轉(zhuǎn)換好的時(shí)間碼流EncodeBuf[64]；配置一個(gè)UART模塊，接收來(lái)自時(shí)鐘源的標(biāo)準(zhǔn)UTC（世界協(xié)調(diào)時(shí)）時(shí)間信息。（2）讀取時(shí)鐘源的標(biāo)準(zhǔn)UTC時(shí)間信息并進(jìn)行解算，得到秒、分、時(shí)、日、月、年等時(shí)間信息，并根據(jù)IRIG-B碼標(biāo)準(zhǔn)格式，將上述時(shí)間信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的碼元，并進(jìn)行充實(shí)得到一幀100碼元；再將該碼元“P”、“1”及“0”等，擴(kuò)充轉(zhuǎn)換為1000bit二進(jìn)制時(shí)間碼流并存入大小為16bit的整形數(shù)組EncodeBuf[64]中。（3）當(dāng)1PPS中斷到來(lái)時(shí)，將上述時(shí)間碼流EncodeBuf[64]發(fā)送給FPGA編碼模塊。

3.3 FPGA程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述

在FPGA里完成的程序設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)方面：

（1）設(shè)計(jì)鎖相環(huán)PLL、復(fù)位電路，給FPGA程序里相應(yīng)模塊提供參考時(shí)鐘與復(fù)位，并根據(jù)同源的1PPS（秒脈沖）和10MHz時(shí)鐘，得到同源的1KHz時(shí)鐘用于IRIG-B碼流輸出時(shí)鐘，如圖7所示。

（2）構(gòu)建Cortex-M3微處理器系統(tǒng)MSS，包括CPU、GPIO模塊、UART模塊、APB總線等，如圖8所示。

圖4 總體軟件設(shè)計(jì)程序

圖6 IRIG-B碼編碼核的FPGA內(nèi)部程序

圖7 時(shí)鐘模塊的FPGA程序

圖8 Cortex-M3微處理器系統(tǒng)MSS的FPGA程序

（3）定制碼流接收模塊，通過(guò)APB總線，以100MHz時(shí)鐘，每成功讀取大小為16bit的二進(jìn)制碼流，即刻將其輸出，并使RE輸出腳使能，如圖9所示。

圖9 碼流接收模塊的FPGA程序

（4）定制雙端口RAM模塊，F(xiàn)PGA程序采用了乒乓操作，即寫(xiě)RAM1操作的同時(shí)，進(jìn)行讀RAM2操作，而寫(xiě)RAM2操作的同時(shí)，進(jìn)行讀RAM1操作，如此循環(huán)操作，如圖10所示，RAM寫(xiě)時(shí)鐘為100MHz，寫(xiě)字長(zhǎng)為16bit，而RAM讀時(shí)鐘為1KHz，其與1PPS同源，讀字長(zhǎng)為1bit，其中，RAM控制程序通過(guò)1PPS來(lái)控制RAM1、RAM2的讀寫(xiě)切換及IRIG-B碼波形輸出，通過(guò)100MHz控制RAM寫(xiě)地址，通過(guò)1KHz控制RAM讀地址。

圖10 RAM讀寫(xiě)模塊的FPGA程序

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

基于SmartFusion2芯片方案設(shè)計(jì)中FPGA部分采用Libero SoC v11.0設(shè)計(jì)軟件，用Verilog HDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，Cortex-M3微處理器系統(tǒng)MSS部分采用Microsemi SoftConsole IDE v3.4編程軟件設(shè)計(jì)，利用雙模授時(shí)機(jī)（GPS/BD）作為時(shí)鐘源，其可輸出經(jīng)過(guò)馴服的標(biāo)準(zhǔn)UTC（世界協(xié)調(diào)時(shí)）時(shí)間信息和同步1PPS（秒脈沖）及與其同源的10MHz時(shí)鐘。根據(jù)本設(shè)計(jì)方案，接入時(shí)鐘源信號(hào)，系統(tǒng)上電，測(cè)試結(jié)果如下：

圖11 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

用示波器監(jiān)測(cè)1PPS輸入端和IRIG-B碼波形輸出端口，從圖11所示可看出，每1PPS對(duì)應(yīng)一幀IRIG-B碼數(shù)據(jù)。

圖12 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)IRIG-B碼標(biāo)準(zhǔn)波形，如圖2所示，將圖12中任一幀IRIG-B波形展開(kāi)，可得到幀參考標(biāo)志P0Pr，準(zhǔn)秒時(shí)刻及對(duì)應(yīng)的10個(gè)位置識(shí)別標(biāo)志，及各碼元格式符合標(biāo)準(zhǔn)。用示波器上升沿觸發(fā)方式捕捉1PPS上升沿，可獲得如圖13所示波形，可看出，輸出的IRIG-B碼準(zhǔn)秒時(shí)刻與輸入的1PPS誤差優(yōu)于20ns，則本設(shè)計(jì)的編碼誤差優(yōu)于20ns，因此該B碼信號(hào)編碼器的設(shè)計(jì)完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖13 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了目前IRIG-B碼編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，介紹了IRIG-B碼解碼的基本原理，提出基于FPGA和Cortex-M3設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的IRIG-B碼編碼器，并結(jié)合某型雙模授時(shí)機(jī)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，新的IRIG-B碼編碼器完全滿(mǎn)足時(shí)統(tǒng)設(shè)備授時(shí)的需求，明顯提高了IRIG-B碼的授時(shí)精度、提升了IRIG-B碼編碼效率、加強(qiáng)了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

[1]IRIG Standard 200-98 IRIG Serial Time Code Formats(Format B)[S]．

[2]ARM Cortex-M3 Processor and Microcontroller Subsystem in Smartfusion2 SoC FPGA Devices User’s Guide．SmartFusion2_CortexM3_UM．pdf[EB/OL]．www．microsemi．com/soc/support/search/default．a(chǎn)spx．2012-12-03．

[3]Smartfusion2 SoC FPGA Fabric Architecture User’s Guide．SmartFusion2_Fabric_UM．pdf[EB/OL]．www．microsemi．com/soc/support/search/default．a(chǎn)spx．2012-12-03．

[4]馮勝民,陳娟花等．基于FPGA的IRIG-B碼產(chǎn)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．電子測(cè)量技術(shù),2015,38(5):67-71．

[5]張建春,任記達(dá)．基于FPGA的IRIG-B碼調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)[J]．現(xiàn)代導(dǎo)航,2012,8(4):305-308．

[6]龐吉耀．基于FPGA的IRIG-B碼編碼器實(shí)現(xiàn)[J]．現(xiàn)代電子技術(shù),2009(24):113-117．

[7]吳煒,周燁,黃子強(qiáng)．FPGA實(shí)現(xiàn)IRIG-B(DC)碼編碼和解碼的設(shè)計(jì)[J]．電子設(shè)計(jì)工程,2010,18(12):162-164．

[8]朱敏,雷斌．基于FPGA的IRIG-B碼編解碼的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．新特器件應(yīng)用,2010(11):15-18．

[9]顧陽(yáng)陽(yáng),付道文．基于FPGA的IRIG-B碼編解器設(shè)計(jì)[J]．電子科技,2015,28(5):39-42．

Design and Implementation of IRIG-B signal encoder based on Smartfusion2

Chen Wei Wang Yu Yu Feixia Fan Xiaodong
(Anhui Suncreate Electronics Co.,Ltd.,Hefei 230031)

A IRIG-B signal encoder based on Smartfusion2 is designed.This device selects Smartfusion2 as the controller which confi gure Cortex-M3 processor and Microcontroller Subsystem in Smartfusion2 (MSS)，and selects GPS/BD as standard time source.The encoding procedure in MSS is triggered by 1PPS and time info from GPS/BD timing，then IRIG-B code stream obtained.The modulating procedure in FPGA is triggered by 1PPS and 10MHz from GPS/BD timing and IRIG-B code stream from MSS，then DC code obtained.MSS achieve save FPGA resources and improve modulate efficiency，F(xiàn)PGA make the rising edge of B-format code be accurate.The system run stability and the expected timing goals are achieved perfectly，which are proved by the fi eld application and oscilloscope.

Smartfusion2；FPGA；Cortex-M3；IRIG-B

陳偉（1987—），女，安徽合肥人，碩士研究生，安徽四創(chuàng)電子股份有限公司工程師。

國(guó)家電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：工信部財(cái)[2013]472號(hào)。