基于1553B總線星時精確產(chǎn)生硬件秒脈沖的方法

李孝慶，王 艷，李 坤

(北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)

基于1553B總線星時精確產(chǎn)生硬件秒脈沖的方法

李孝慶，王 艷，李 坤

(北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)

本設(shè)計在整星不能提供硬件秒脈沖的情況下，利用單片機(jī)對1553B總線協(xié)議芯片進(jìn)行配置，使其只對星時數(shù)據(jù)產(chǎn)生中斷。該中斷觸發(fā)外圍電路自主產(chǎn)生硬件秒脈沖信號，進(jìn)而實現(xiàn)校時。由于該方法為純硬件的觸發(fā)控制環(huán)節(jié)，在不考慮衛(wèi)星平臺發(fā)送星時數(shù)據(jù)隨機(jī)誤差的情況下，其誤差僅取決于硬件的延時誤差，通過標(biāo)定可達(dá)到與整星提供秒脈沖相同的校時精度，而大大優(yōu)于不采用校時的情況。此外，該成果通過對觸發(fā)電路外圍進(jìn)行配置，可以實現(xiàn)任意脈寬及方向的秒脈沖信號輸出，可滿足不同型號對不同類型秒脈沖信號的需求，具有很大的靈活性及廣泛的適用性。

遙感相機(jī)；1553B總線；星時；硬件秒脈沖

圖1 傳統(tǒng)校時過程數(shù)據(jù)流向示意圖Fig.1 The data flow diagram of traditional synchronization process

0 引言

在以1553B總線作為星載總線的衛(wèi)星平臺上，遙感相機(jī)大多采用硬件秒脈沖校時的方法來實現(xiàn)高精度時間同步，即衛(wèi)星平臺的導(dǎo)航接收機(jī)鎖定導(dǎo)航信號的同時，產(chǎn)生嚴(yán)格對應(yīng)的秒脈沖信號和絕對時間信息。秒脈沖信號為遙感相機(jī)提供精確的校準(zhǔn)時刻，絕對時間信息為遙感相機(jī)提供嚴(yán)格的維護(hù)信息[1]。遙感相機(jī)視頻單元以秒脈沖信號作為觸發(fā)啟動內(nèi)部計時器開始計時，當(dāng)視頻單元接收到在內(nèi)部經(jīng)過一系列處理而累加了較大延時的絕對時間時，以內(nèi)部計時器的計時對絕對時間進(jìn)行校時，從而得到高精度的與星時相符的本地時間[2]。傳統(tǒng)校時方法數(shù)據(jù)流如圖1所示。該方法的校時精度僅由遙感相機(jī)視頻單元內(nèi)部計時器的時間分辨率決定。

目前，遙感相機(jī)圖像幀頻最大為500Hz，為保證圖像精度，方便圖像處理，本地時間的校時精度必須小于2ms。而在圖1中，絕對時間信息傳輸鏈路具有較大的隨機(jī)延時，根據(jù)以往經(jīng)驗，該鏈路的總延時約為40～50ms，其中，衛(wèi)星平臺的延時較小，約為0～1.5ms，而遙感相機(jī)分系統(tǒng)內(nèi)的延時約為38.5～48.5ms。

本設(shè)計在衛(wèi)星平臺不能提供硬件秒脈沖的情況下，采用軟硬件配合的方法，通過修改1553B協(xié)議芯片配置方式并配合部分新增電路，在相機(jī)分系統(tǒng)內(nèi)自主產(chǎn)生了與通過1553B總線傳輸?shù)慕^對時間嚴(yán)格對應(yīng)的秒脈沖信號，然后利用該秒脈沖信號對累加了內(nèi)部處理延時及傳輸延時的絕對時間進(jìn)行校時，以較小的代價解決了校時精度問題。該方法可完全校正絕對時間信息在遙感相機(jī)分系統(tǒng)內(nèi)處理及傳輸?shù)难訒r，校正后本地時間的準(zhǔn)確度僅由衛(wèi)星平臺延時決定，即小于1.5ms，可滿足目前所有遙感相機(jī)對校時精度的要求。

1 傳輸及處理延時分析

絕對時間信息在遙感相機(jī)分系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)及數(shù)據(jù)處理過程如圖2所示。圖2中共包含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五個數(shù)據(jù)傳輸過程和A、B、C、D、E五個數(shù)據(jù)處理過程。下面分別對各數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)及數(shù)據(jù)處理過程的延時情況進(jìn)行分析。

圖2 絕對時間信息在遙感相機(jī)分系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)流向示意圖Fig.2 The data flow diagram of absolute time in branch system of remote sensing camera

過程Ⅰ：該過程上傳輸?shù)男畔⑿问綖榇新鼜厮固卮a。該信息的發(fā)送開始時刻由衛(wèi)星平臺控制，為每秒一次的固定周期信號。在絕對時間信息的數(shù)據(jù)長度確定時，其傳輸延時為系統(tǒng)延時，不存在隨機(jī)延時。

過程A：該過程接收1553B總線上的串行曼徹斯特碼，在芯片內(nèi)部完成串并轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲，然后根據(jù)配置的不同，生成中斷信號，或者將狀態(tài)寄存器置位。此過程延時由芯片內(nèi)部硬件電路決定，為系統(tǒng)延時[3]，可以通過測試得到，不存在隨機(jī)延時。

過程Ⅱ：該過程上傳輸?shù)男畔⑿问綖槲醇犹幚淼牟⑿袛?shù)據(jù)。該信息的發(fā)送開始時刻由管理單元的單片機(jī)決定。當(dāng)該單片機(jī)把1553B接口芯片配置成中斷模式且把該中斷設(shè)為最高優(yōu)先級中斷時，只要1553B接口芯片生成中斷，單片機(jī)立即讀取該數(shù)據(jù)，此過程不存在等待過程，延時為系統(tǒng)延時，可通過計算得出，不存在隨機(jī)誤差；當(dāng)單片機(jī)把1553B接口芯片配置成中斷模式但未把該中斷設(shè)為最高優(yōu)先級中斷時，如果1553B消息結(jié)束中斷到來時，單片機(jī)程序運行在更高級別中斷程序上，則讀取過程存在等待時間且等待時間未知，除系統(tǒng)延時外，還存在隨機(jī)延時；當(dāng)單片機(jī)把1553B接口芯片配置成查詢模式時，單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)的時刻未知，除系統(tǒng)延時外，必然存在隨機(jī)延時。上述狀態(tài)總結(jié)為：受管理單元軟件設(shè)置及軟件當(dāng)前運行狀態(tài)影響，該過程傳輸延時除系統(tǒng)延時外，可能存在隨機(jī)延時。

過程B：單片機(jī)把讀取的并行數(shù)據(jù)組包，為上述信息添加包頭、校驗字等信息，然后把組包后的數(shù)據(jù)按內(nèi)部總線通信時序的要求以并行數(shù)據(jù)的形式發(fā)送出去。如果上述過程是在最高優(yōu)先級的中斷中完成，則程序運行過程不會被打斷，延時為系統(tǒng)延時，不存在隨機(jī)延時；如果在較低優(yōu)先級的中斷或主程序中完成，該延時將受到程序當(dāng)前運行狀態(tài)影響，除系統(tǒng)延時外，還存在隨機(jī)延時。

過程Ⅲ：該過程上傳輸?shù)男畔⑿问綖榻M包后的并行數(shù)據(jù)。該信息的發(fā)送開始時刻由過程B的單片機(jī)決定。其傳輸延時固定，不存在隨機(jī)延時。

過程C：該過程把組包后的并行數(shù)據(jù)鎖存后進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，并把串行化的數(shù)據(jù)以差分的形式按內(nèi)部通信波特率的要求發(fā)送。該過程由硬件電路完成，延時為系統(tǒng)延時，不存在隨機(jī)延時。

過程Ⅳ：該過程上傳輸?shù)男畔⑿问綖椴罘中盘?，該信息的發(fā)送開始時刻由過程B的單片機(jī)控制，延時為系統(tǒng)延時，不存在隨機(jī)延時。

過程D：該過程把接收到的差分信號轉(zhuǎn)換成單端信號并完成串并轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲，以中斷的形式通知視頻單元CPU讀取。此過程延時由硬件完成，為系統(tǒng)延時，不存在隨機(jī)延時。

過程Ⅴ：該過程上傳輸?shù)男畔⑿问綖榻M包后的并行數(shù)據(jù)。該信息的發(fā)送開始時刻由視頻單元CPU決定。與過程Ⅱ同理，該過程的延時由視頻單元軟件的中斷優(yōu)先級設(shè)置及軟件當(dāng)前運行狀態(tài)決定，除系統(tǒng)延時外，可能存在隨機(jī)延時。

過程E：該過程把接收到的并行數(shù)據(jù)進(jìn)行符合性校驗、解包，把數(shù)據(jù)恢復(fù)成絕對時間信息。此過程由視頻單元軟件的中斷優(yōu)先級設(shè)置及軟件當(dāng)前運行狀態(tài)決定，除系統(tǒng)延時外，可能存在隨機(jī)延時。

各傳輸過程及處理過程的延時情況如表1所示。

表1 遙感相機(jī)分系統(tǒng)內(nèi)各傳輸過程及處理過程延時情況表

2 設(shè)計及驗證

2.1 設(shè)計方案

通過上述分析可知，在不同的軟件設(shè)置及軟件運行狀態(tài)下，過程Ⅱ、過程B、過程Ⅴ和過程E可能存在隨機(jī)延時。為消除此隨機(jī)延時，必須更改遙感相機(jī)分系統(tǒng)軟硬件設(shè)計。

視頻單元的運算量巨大、對實時性要求較高，如果通過軟件校準(zhǔn)的方法，視頻單元軟件修改難度較大，而且標(biāo)定過程較繁瑣。本設(shè)計在管理單元內(nèi)，通過修改部分軟件，新增部分硬件，自主產(chǎn)生了與總線絕對時間嚴(yán)格對應(yīng)的秒脈沖信號，使后續(xù)校時問題回歸傳統(tǒng)方法。與傳統(tǒng)校時方法相比，該方法只需要修改管理單元部分軟硬件，不需要修改視頻單元，代價較小。

設(shè)計方案及原理如圖3所示，圖3相比圖2，增加了1、2、3、4四個數(shù)據(jù)傳輸過程和a、b、c三個數(shù)據(jù)處理過程，其中，秒脈沖自主產(chǎn)生電路為新設(shè)計電路。

圖3 設(shè)計方案及原理示意圖Fig.3 The diagram of design and principle

方案機(jī)理如下：

1)在管理單元軟件初始化時，把1553B接口芯片配置成只有接收到1553B絕對時間消息時產(chǎn)生消息結(jié)束中斷，其余所有類型消息都不產(chǎn)生中斷的模式[4]，1553B接口的其他消息由管理單元采用查詢的方式訪問。

2)當(dāng)1553B接口芯片接收到一個1553B總線星時數(shù)據(jù)時，即由該芯片產(chǎn)生一個消息結(jié)束中斷。該中斷信號為脈寬為500ns的負(fù)秒沖。

3)該中斷作為秒脈沖自主產(chǎn)生電路的觸發(fā)信號，通過調(diào)整電路參數(shù)，產(chǎn)生符合脈沖寬度及方向要求的秒脈沖信號。

4)該信號經(jīng)秒脈沖接口電路發(fā)送給視頻單元，作為校時脈沖對絕對時間進(jìn)行校時。

通過第1節(jié)分析可知，1553B接口芯片接收總線數(shù)據(jù)、完成轉(zhuǎn)換、存儲并生成中斷信號的處理延時為系統(tǒng)延時。秒脈沖傳輸?shù)倪^程，即圖3中1-a-2-b-3-c-4-E的過程全部由硬件電路完成，其中不存在軟件的干預(yù)，所以鏈路上的傳輸延時為系統(tǒng)延時，不存在隨機(jī)延時。通過標(biāo)定，可以在視頻單元CPU上得到與管理單元1553B接口芯片上完全同步的秒脈沖信號。

校時過程為：利用秒脈沖信號的上升沿或下降沿啟動狀態(tài)E的內(nèi)部計時器，當(dāng)狀態(tài)E收到內(nèi)部總線接口發(fā)送的絕對時間信息時，在收到的時間數(shù)據(jù)上疊加內(nèi)部計時器的當(dāng)前記時，作為相機(jī)當(dāng)前的本地時間。由于狀態(tài)E接收的秒脈沖信號和絕對時間信息是相對同步的，所以不論絕對時間信息的延時多大，校正后的本地時間與絕對時間都是同步的。兩者的誤差只由狀態(tài)E內(nèi)部計時器的時間分辨率決定。

2.2 秒脈沖自主產(chǎn)生電路設(shè)計

秒脈沖自主產(chǎn)生電路以單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為核心，以1553B接口芯片的中斷信號作為輸入脈沖，通過調(diào)節(jié)電路參數(shù)，可在互為反相的兩個輸出管腳上獲得任意寬度及方向的脈沖信號，其電路原理如圖4所示。

圖4 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路原理圖Fig.4 The diagram of the principle of monostable trigger circuit

圖4中，CLR信號設(shè)置為“0”，輸入信號A接在1553B接口芯片的中斷管腳上，輸入信號B設(shè)置為“0”。通過調(diào)節(jié)配置管腳REXT和CEXT腳上的阻容值，可在輸出管腳上獲得任意寬度的脈沖信號。當(dāng)R1>10kΩ并且C1>10nF時，脈沖寬度TW與電阻R1和電容C1的關(guān)系為[5]

TW≈0.45×R1×C1

(1)

通過選擇焊接電阻R3或者是R4，可以獲得任意方向的脈沖信號。由于1553B接口芯片輸出的中斷信號為脈寬為500ns的負(fù)秒沖，如果期望脈沖為正脈沖，則選擇焊接電阻R4且不焊接電阻R3；如果期望脈沖為負(fù)脈沖，則選擇焊接電阻R3且不焊接電阻R4。

2.3 設(shè)計驗證

如果利用秒脈沖的上升沿啟動計數(shù)器，通過焊接電阻R4且不焊接電阻R3，取R1阻值為10kΩ，C1容值為10nF時，得到的系統(tǒng)延時測量典型波形如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)延時測量典型波形圖Fig.5 The typical waveform of the measurement of system delay

圖5中，C1通道為管理單元1553B總線上接收到的總線絕對時間，C2通道為視頻單元接收到的秒脈沖信號，C3通道為管理單元1553B接口芯片輸出的中斷信號。從大量測試數(shù)據(jù)得出，本設(shè)計得到的秒脈沖信號系統(tǒng)延時為6.89μs，需要在標(biāo)定中扣除。

當(dāng)衛(wèi)星平臺提供的絕對時間信息誤差在0～1.5ms范圍內(nèi)時，本設(shè)計得到的秒脈沖測量典型波形如圖6所示。通過大量測試數(shù)據(jù)分析，該設(shè)計秒脈沖信號相對絕對時間的誤差范圍為0～1.5ms，與衛(wèi)星平臺的絕對時間信息誤差一致，即本設(shè)計本身不引入隨機(jī)誤差。

圖6 秒脈沖測量典型波形圖Fig.6 The typical waveform of the measurement of pulse per second

3 結(jié)論

本設(shè)計采用總線觸發(fā)同步響應(yīng)的方式，解決了相機(jī)分系統(tǒng)在整星不能提供秒脈沖信號的情況下系統(tǒng)校時精度低的問題，提升了相機(jī)分系統(tǒng)對衛(wèi)星平臺的適應(yīng)性。

本設(shè)計可以作為整星秒脈沖的冗余設(shè)計，以提高遙感相機(jī)分系統(tǒng)的可靠性。

本設(shè)計思路還可以應(yīng)用于其他從總線數(shù)據(jù)解析、對精度要求較高、對電平或脈沖敏感的控制信號的產(chǎn)生過程，具有廣泛的適用性。

[1] 田賀祥,王同桓,李璇，等.遙感衛(wèi)星星上時間管理方法[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(4):80-82.

[2] 江澄,何紅艷.色散推掃型高光譜數(shù)據(jù)系統(tǒng)殘余誤差校正[J].航天返回與遙感, 2014,35(6):91-98.

[3] Data device corporation, Mil-sed-1553A/B notice 2 RT and BC/RT/MT, Advanced communication engine[EB/OL]. http://www.ddc-web.com.

[4] GJB 289A-1997數(shù)字式時分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線[S].

[5] Stmicroelectronics group of companies, Rad-hard dual retriggerable monostable multivibrato[EB/OL].http://www.st.com.

The Method to Precisely Produce Hardware Pulse Per Second Based on the Satellite Time of 1553B Data Bus

LI Xiao-qing, WANG Yan, LI Kun

(Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China)

The major point of this method is to apply the process of satellite time, and use hardware pulse per second produced by 1553B peripheral circuit which is controlled by single chip micyoco to achieve synchronization in case the satellite platform cannot provide hardware pulse per second. Since this method only involves hardware trigger and control, errors are all about delays caused by hardware, without considering accidental errors of satellite time transmitted by satellite platform. Through calibration, this method achieves synchronization as precise as that of the pulse per second provided by satellite platform, which is much better than the method that cannot realize synchronization. In addition, this method achieved outputting pulse per second in any width and any direction by arranging peripheral trigger circuit, and can also meet the needs of different models for different types of pulse per second, which is flexible and has wide application.

Remote sensing camera; 1553B data bus; Satellite time; Hardware pulse per second

10.19306/j.cnki.2095-8110.2016.04.012

2016-02-02；

2016-03-18。

李孝慶(1984-)，男，碩士，工程師，主要從事遙感器電子學(xué)設(shè)計工作。E-mail：lixiaoqing1984@yeah.net

V443

A

2095-8110(2016)04-0065-05