【導讀】本文主要研究北斗衛星導航系統對機載高速攝像機進(jìn)行的時(shí)間同步技術(shù)，在此基礎上設計出基于北斗衛星系統的記載高速攝像機時(shí)間同步器。本文將從硬件和軟件部分兩個(gè)模塊分別進(jìn)行闡述。
1、時(shí)間同步技術(shù)方案
目前絕大多數機載高速攝像機外部同步時(shí)間輸入都支持IRIG-B碼，時(shí)間同步器接收北斗衛星時(shí)間信息，將衛星發(fā)送的UTC時(shí)間編碼轉換為IRIG-B時(shí)間碼需要的格式，并產(chǎn)生IRIG-B時(shí)間碼的波形輸出，IRIG-B時(shí)間碼的起始位置必須和整秒的起始位置嚴格對齊。同步器內部邏輯框圖如下圖：
圖1 時(shí)間同步器方案框圖
UM220-T接收北斗二代衛星時(shí)間信息，將時(shí)間信息以NMEA-0183語(yǔ)句輸出至STM32，STM32將解碼UTC時(shí)間，將其編碼為IRIG-B需要的時(shí)間信息，通過(guò)串行總線(xiàn)送入FPGA中，同時(shí)STM32通過(guò)SPI接口控制OLED顯示屏，實(shí)時(shí)顯示當前定位狀態(tài)和時(shí)間信息。FPGA將接收的時(shí)間信息編碼為IRIG-B(DC)碼和IRIG-B(AC)碼輸出，由于FPGA輸出的IRIG-B(AC)碼實(shí)際上為IRIG-B(AC)碼的數字信號，需要通過(guò)高速DA轉換以及運放信號調理來(lái)實(shí)現將數字IRIG-B(AC)碼轉換成模擬信號用于機載高速攝像機時(shí)間同步。
1.1 UM220-T北斗衛星接收模塊
UM220-T 模塊是針對授時(shí)應用領(lǐng)域推出的北斗/GPS雙系統精密授時(shí)產(chǎn)品,支持靜態(tài)授時(shí)，單星授時(shí)，集成度高、功耗低，適合北斗授時(shí)領(lǐng)域的應用。采用先進(jìn)的多路徑抑制技術(shù)，以及優(yōu)化的授時(shí)算法，提供精確的1PPS 輸出。創(chuàng )新的多系統融合開(kāi)放式架構，保證不同系統的可用衛星均可參與聯(lián)合定位、授時(shí)，提高可靠性，保障長(cháng)時(shí)間連續可靠的授時(shí)輸出。支持單星授時(shí)功能，在僅有一顆可見(jiàn)衛星時(shí)，仍能保持精確、穩定的 1PPS 輸出。
1.2 STM32微控制器
STM32系列32位微控制器使用來(lái)ARM公司設計的Cortex-M3內核，該內核是專(zhuān)門(mén)設計于滿(mǎn)足集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應用的嵌入式領(lǐng)域的要求。Cortex-M3相比以往的微控制器在系統結構上進(jìn)行了增強，使用的Thumb-2指令集帶來(lái)了更高的指令效率和更強的性能；緊耦合的嵌套矢量中斷控制器，對中斷事件的響應比以往更迅速。
時(shí)間同步器設計方案中使用STM32完成接收UM220-T發(fā)送的時(shí)間信息，從中解碼出當前UTC時(shí)間，將其轉換為標準的IRIG-B時(shí)間后通過(guò)自定義串行輸出口輸出至FPGA，同時(shí)STM32還負責驅動(dòng)OLED顯示屏，實(shí)時(shí)的顯示當前的定位狀態(tài)和時(shí)間信息，方案設計中還增加了實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片(RTC)，以便于在收星條件不好時(shí)，為測試系統提供一個(gè)參考時(shí)間。
設計中使用的STM32F103RB具有擴展工業(yè)級的工作溫度范圍，可達72MHz的主頻，可以實(shí)現在將UTC時(shí)間編碼為IRIG-B時(shí)間的同時(shí)完成驅動(dòng)OLED顯示屏的功能。
1.3 FPGA芯片實(shí)現IRIG-B編碼
當前絕大多數機載高速攝像機都支持使用IRIG-B進(jìn)行時(shí)間同步，IRIG是美國靶場(chǎng)儀器組的簡(jiǎn)稱(chēng)。IRIG時(shí)間標準有兩大類(lèi)：一類(lèi)是并行時(shí)間碼格式，這類(lèi)碼由于是并行格式，傳輸距離較近，且是二進(jìn)制，因此遠不如串行格式廣泛；另一類(lèi)是串行時(shí)間碼，共有六種格式，即A、B、D、E、G、H。它們的主要差別是時(shí)間碼的幀速率不同，IRIG-B即為其中的B型碼。B型碼的時(shí)幀速率為1幀/S。
北斗時(shí)間同步器設計中使用FPGA直接數字頻率合成技術(shù)實(shí)現時(shí)間信息的IRIG-B碼型產(chǎn)生。直接數字頻率合成(DDS)是一種全數字化的頻率合成器，由相位累加器、波形ROM、D/A轉換器和低通濾波器構成，它具有頻率分辨率高、頻率切換快、頻率切換時(shí)相位連續等優(yōu)點(diǎn)。
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2 時(shí)間同步器設計
2.1 硬件電路設計
2.1.1 供電部分電路
同步器內部設計中UM220-T、STM32、RTC供電電壓為3.3V，FPGA的IO供電電壓為3.3V，FPGA內核以及PLL供電電壓為1.2V，高速DA運放供電為±5V，機上電源提供28V供電，故需要將28V電壓轉換為各個(gè)部分需要的電壓， 設計中采用北京新雷能科技有限公司生產(chǎn)的DPB16-24D5-5EB電源，它具有18~36V的寬范圍輸入電壓，輸出±5V。通過(guò)LM1085-3.3的LDO芯片，將5V電壓降壓得到3.3V電壓。此芯片最大電流支持到3A。再通過(guò)AMS1117-1.2獲取1.2V電壓，由于1.2V電壓是提供給FPGA內核的工作電壓，以及FPGA內部PLL的工作電壓，1.2V電壓的純凈程度要求比較高，需采用鉭電容濾波，設計中電源輸入部分還加入了SS14二極管反接保護電路。
圖2 電源供電部分設計電路
2.1.2 FPGA編碼部分電路
FPGA使用EP2C5T144I8主要實(shí)現IRIG-B時(shí)間同步碼的編碼工作，STM32將解碼到的時(shí)間信息編碼成天、時(shí)、分、秒的8421碼，在數據有效脈沖的使能下將數據送入FPGA，FPGA精確檢測秒脈沖(PPS)的上升沿，在秒脈沖的上升沿開(kāi)始時(shí)開(kāi)始一整秒B碼時(shí)間數據的發(fā)送。本設計FPGA將數據編碼輸出的數據為12位的并行數字信號，需要使用DA信號將并行的數字信號轉換成模擬信號，本設計中我們選用美信公司的MAX7541，它具有0.6us的轉換時(shí)間和12位的分辨率，MAX7541輸出數據經(jīng)運OPA690放信號調理和阻抗變換后產(chǎn)生標準的IRIG-B(AC)碼。
IRIG-B(AC)碼實(shí)際上是用IRIG-B(DC)碼對標準正弦波載頻進(jìn)行幅度調制，標準正弦波載頻的頻率與碼元速率嚴格相關(guān)，一般為碼元速率的十倍。B碼的標準正弦波載頻頻率為1KHz。同時(shí)，其正交過(guò)零點(diǎn)與所調制格式碼元的前沿相符合，標準的調制比為10:3。
正弦波的產(chǎn)生是采用FPGA來(lái)產(chǎn)生的，利用Quartus自帶的LMP模塊來(lái)進(jìn)行ROM建模，存儲了256個(gè)點(diǎn)的SIN函數的波形值，首先計算256個(gè)SIN函數的值。由于點(diǎn)數比較多，我們利用MATLAB工具產(chǎn)生一個(gè)完整周期的SIN函數的256個(gè)點(diǎn)的值。由于FPGA處理整數相對簡(jiǎn)單因此需要對SIN函數值進(jìn)行整數化。
2.1.3 STM32編解碼顯示電路
STM32解碼UM220-T的輸出的NMEA-0183語(yǔ)句，從中解算出當前的UTC時(shí)間，將其編碼后送入FPGA，STM32通過(guò)I2C接口與RTC時(shí)鐘芯片SD2400通信，提供當無(wú)法接收衛星時(shí)間時(shí)的參考時(shí)間輸出。
OLED顯示技術(shù)作為下一代顯示，由于OLED顯示屏為全固態(tài)器件，因此具有高低溫范圍寬，抗震特性好的特點(diǎn)。本設計中采用的并行接口驅動(dòng)OLED顯示，完成時(shí)間、定位狀態(tài)的顯示功能。STM32接口電路如下圖所示：
圖3 OLED顯示驅動(dòng)電路
[page] 2.2 軟件程序設計
2.2.1 NMEA-0183解碼
NMEA 0183 是美國國家海洋電子協(xié)會(huì )(National Marine Electronics Association)為海用電子設備制定的標準格式.目前業(yè)已成了 GPS 導航設備統一的 RTCM(Radio Technical Commission for Maritime services)標準協(xié)議。
NMEA-0183 常用命令如下表所示：
STM32F103RCT6先在內存中開(kāi)辟兩塊緩沖區A和B， 使用中斷模式接收到UM220-T發(fā)送的數據，當接收到$符號表示數據幀開(kāi)始，接下來(lái)將數據存入在內存中開(kāi)辟的數據緩沖區A中，當接收到回車(chē)換行符表示一條數據幀接收完成，置A區數據完成標志位，等待下一幀數據到來(lái)時(shí)采用同樣的方式存入數據緩沖區B。
當主程序檢測到緩沖區接收完成標志位置位時(shí)，從緩沖區中取出數據完成數據解碼[6]，解算出當前UTC時(shí)間，清空數據緩沖區和標志位，將時(shí)間信息編碼成串行數據送入FPGA中，編碼時(shí)需要注意閏年B碼天數的處理，主程序實(shí)現的流程圖如下圖：
圖4 NMEA-0183數據解碼程序流程圖
2.2.2 FPGA實(shí)現IRIG-B時(shí)間碼
IRIG-B碼是每秒一幀的時(shí)間串碼，每個(gè)碼元寬度為10ms，一個(gè)時(shí)幀周期包括100個(gè)碼元，為脈寬編碼。碼元的“準時(shí)”參考點(diǎn)是其脈沖前沿，每一幀的參考標志由一個(gè)位置識別標志和相鄰的參考碼元組成，其寬度為8ms；每10個(gè)碼元有一個(gè)位置識別標志：P1,P2,P3，…，P9,P0，它們均為8ms寬度；二進(jìn)制"1"和"0"的脈寬為5ms和2ms。
使用Verilog語(yǔ)言進(jìn)行編碼邏輯的設計，首先根據STM32輸出的時(shí)間，產(chǎn)生相應的IRIG-B(DC)碼，再使用DC碼調制正弦載波，產(chǎn)生AC碼信號，運放調理電路實(shí)現對DA輸出的信號低通濾波以及分配為多路的功能。
3 實(shí)驗結果與應用
為了驗證北斗時(shí)間同步器時(shí)間同步精度，課題組將北斗時(shí)間同步器輸出的波形與中國科學(xué)院國家授時(shí)中心的標準時(shí)碼發(fā)生器進(jìn)行了對比實(shí)驗，實(shí)驗結果表明北斗時(shí)間同步器的同步精度很高，滿(mǎn)足設計要求，對比實(shí)驗結果如下圖所示。
圖5 與標準時(shí)碼發(fā)生器時(shí)序對比
課題組將北斗時(shí)間同步器用于機載高速攝像機和模擬視頻采集記錄器進(jìn)行時(shí)間同步，結果表明北斗時(shí)間同步器輸出的IRIG-B(AC)碼可以實(shí)現對機載高速攝像機的時(shí)間同步功能,同步時(shí)間精度優(yōu)于10us。
結語(yǔ)
基于我國自主知識產(chǎn)權的北斗衛星導航系統，使用基于FPGA的數字頻率合成技術(shù)，設計了北斗衛星時(shí)間同步器，用于對機載高速攝像機進(jìn)行精確的時(shí)間同步，并將其應用于飛行試驗中，為飛行試驗高速攝像機時(shí)間同步提供了一種新的方式，具有廣泛的應用前景。
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