多功能内置式IRIG-B码终端设计

摘要：在分析武器装备靶场试验测控设备同步技术现状基础上，提出了一种多功能内置式IRIG-B码终端设计；给出了终端的组成、功能与工作过程，详细介绍了IRIG-B码采集模块、IRIG-B码产生模块和软件模块的设计；终端具有通用性强、同步精度高、体积小等特点。
关键词：测控设备；GPS；IRIG-B；时间统一；单片机

    武器装备靶场试验时需多台／套测控设备(测量与控制设备的简称)参加，不同测控设备获得的试验数据在时间上密切相关。因此，要求参试测控设备(有时包括被试装设备)在时间统一信号(简称时统信号。是各种时间编码信号、各种频率定时信号和时标信号的统称)协调下工作。为了保证各参试测控设备时钟同步，靶场除设置时统中心站外，一般需根据参试测控设备、被试装设备投入情况，设置多个时统分站。时统分站通过通信线路和时间码与时统中心站联系，并与时统中心站保持频率和时间同步，再向用户(测控设备或被试装设备)提供标准时间和标准频率信号。试验过程中由时统中心站接收国家授时台发播的时间标准进行对时，并向时统分站送出对时、校频信号．统一靶场时间。
    随着靶场时统设备(时间统一设备的简称。产生与输出各种时间编码、定时信号和接授时间码对时同步的设备，包括时码钟、时统中心控制台等)采用GPS时间作为时间标准，在测控设备中采用GPS授时技术自主同步靶场时间的条件已经成熟，研究基于GPS卫星时间的IRIG-B码终端设备十分必要。

1 靶场测控设备同步技术现状
    靶场测控设备经历了脉冲形式时统信号同步，IRIG-B时间码(以下简称IRIG-B码)同步，GPS卫星时间同步等阶段。脉冲同步信号传输距离有限，抗干扰能力弱，不能提供绝对时间信息，测控设备在试验飞机或舰船上安装时需采用电台传送时统信号。此种同步模式在测控系统内部设备间同步采样时仍普遍采用。
    IRIG-B码是IRIG(美国靶场时间测量组)制订的一种串行BCD调制时间码。IRIG-B时间编码信息为天、时、分、秒，码元速率为100脉冲／s，时帧周期为1 s，秒标志和位置识别符脉冲宽度为8 ms，“1”码宽度为5 ms，“0”码和索引计数符脉冲宽度为2 ms。幅度调制的载波频率为1 kHz，无载波调制时称直流(DC)码，有载波调制时称交流(AC)码。测控设备在试验飞机或舰船上安装时仍需采用电台传送IRIG-B码信号，此种同步模式目前在靶场测控设备中普遍采用。
    GPS卫星时间是导航、遥测及精确时间传递等领域的时间基准。在需要准确时间的系统上加装GPS卫星时间的采集和本地时间校准装置，便可使系统时间始终与GPS卫星时间同步。GPS接收机不受时间、地点和气候的限制，只要能同时接收4颗以上卫星信号即可提供高精度、连续实时授时信息。GPS卫星时间目前已成为公认的一种时间基准，已开始在靶场测控设备中得到应用。

2 总体设计
2．1 终端组成
    IRIG-B码终端设计为PCI总线结构形式，GPS OEM模块固定在PCI卡上。终端由GPS OEM模块，IRIG-B码采集模块，IRIG-B码产生模块等组成，其组成如图1所示。

2．2 终端功能
    1)GPS卫星时间同步；
    2)IRIG-B码同步；
    3)IRIG-B码产生；
    4)提供脉冲形式、电流环形式同步采样信号；
    5)提供事件标记中断时间。
2．3 终端工作过程
    终端插入测控设备计算机扩展槽，控制计算机加电后8031、8751复位。控制计算机通过对终端编程实现同步模式选择，通过编程实现同步采样信号频率修改。
    选择GPS卫星时间同步模式时，GPS接收信号稳定后终端对外输出同步采样信号。选择IRIG-B码同步模式时，大约1秒终端对外输出同步采样信号。
    事件标记中断出现时终端提供中断时刻时间信息。
    GPS卫星时间同步时，对外输出基于GPS卫星时间的IRIG-B码时间信号，提供相当于靶场时统分站的功能。

3 详细设计
3．1 IRIG-B码采集模块设计
    IRIG-B码采集模块结构如图2所示。8751单片机内部有4 kB的EPROM存贮器，片内EPROM已存入终端工作程序。当选择IRIG-B码同步时，B码时间的检测由8751和一组并行十进制计数器完成。当终端选择GPS卫星时间同步时，秒以下时间信息的产生与选择IRIG-B码同步时一致，秒以上时间从NMEA 0183报文获得(RS-232接口)。

    8751 P0端口和P2端口用作地址总线和数据总线，P1端口的P1．1接收IRIG-B码，P1．2接收事件标记，P1．0用于精确计时计数器修正量的置入。P3．0用于接收GPS卫星时间报文，P3．2用于B码每个码元的中断INT0：P3．3用作外部中断(INT1)入口，用于接收GPS 1PPS作为GPS卫星时间报文的基准。定时器0用作定时中断产生，用于B码检测；定时器1用作串行口波特率发生器。
    可编程计数器用于时间量的精确计时，最大计数值1 s。为使计数器和IRIG-B码同步，需对计数器初值进行修正。修正量可通过理论计算或实测得到，并由8751写入锁存器。当8751检测到IRIG-B码参考标志时，P1．0端发出一个置入脉冲，将锁存器中的修正量置入计数器，达到同步目的。
    IRIG-B码检测和时间信息的读出由软件完成，IRIG-B码同时接到P1．1和INT0(P3．2)，每个码元脉冲前沿均引起一次中断，进入中断后由软件判断码元脉冲宽度，当连续检测到2个8 ms宽码元时，即表示检测到IRIG-B码参考标志，在P1．0端口发出一个计数器修正量置入脉冲，之后进入数码判读程序。在数码码元位置检测到5 ms宽码元时记作“1”，检测到2 ms宽的码元时记作“0”。
    B码采集模块设置一组分频器用于产生各种频率采样信号，分频器的输入是时间计数器输出的100 kHz脉冲，通过分频器输出不同频率脉冲形式同步采样信号和电流环形式同步采样信号。
    当选择GPS卫星时间同步时，秒以上时间信息从GPSOEM模块NMEA 0183报文获得，秒以下时间信息从六位十进制计数器的高四位中读出。两部分时间信息合并组成当前时间信息，并自动写入双端口RAM供控制计算机读取。当选择IRIG-B码同步时，秒以上时间信息的检出每秒一次，秒以下时间信息的获得同GPS卫星时间同步模式。
3．2 IRIG-B码产生模块设计
    IRIG-B码产生模块与GPS OEM模块的连接如图3所示。利用GPS OEM接收机输出的NMEA 0183报文和外部1PPS信号得出GPS时间的年、月、日、时、分、秒信息，分别作为IRIG-B码产生模块的时间编码信息和1PPS标准时间信号。对外部5 MHz进行隔离、放大、分频得到1 MHz频率信号，再将1 MHz频率信号分别送2 ms、5 ms、8 ms产生模块，由2 ms、5 ms、8 ms产生模块分别对1 MHz频率信号进行500、200、125分频，产生频率为100 Hz、脉冲宽度分别为2 ms、5 ms、8 ms时钟信号。

    8051根据年、月、日、时、分、秒信息和标准1PPS信号，控制两路IRIG-B(DC)码产生模块产生IRIG-B(DC)码信号。供战位附近其他测控设备与靶场时间同步时使用。
3．3 软件模块设计
    软件采用模块化结构，由主程序如图4所示、B码中断服务程序如图5所示、定时器0中断服务等程序如图6所示组成。

    1)主程序
    控制计算机加电后8751复位，主程序对串行口初始化，取计数修正量并开中断。根据中断程序设置的状态位判断本IRIG-B码码元是“0”或是“1”、还是B码同步头(标志码)。一帧IRIG-B码结束后读取瞬时时间并送双端口RAM，然后进行下一帧的检测。
    2)IRIG-B码中断服务程序
    每个IRIG-B码脉冲前沿均引起一次中断，进入中断后由软件判断码元脉冲宽度，当连续检测到2个8 ms宽码元时，即表示检测到了IRIG-B码标志。在P1．0端口发出一个计数器修正量置入脉冲，之后进入数码判读程序。检测到5 ms宽码元时记作“1”，检测到2 ms宽码元时记作“0”。
    3)定时器0中断服务程序
    定时器0中断是定时器0的溢出中断，用于判断B码是否存在，此中断只置中断次数标记。
    4)事件标记
    事件标记用于确定重要事件发生时的绝对时间。如弹动时间，导弹起飞时间等。终端可将事件出现时间写入双端口RAM，供控制计算机读取。

4 结束语
    靶场测控设备普遍采用GPS卫星时间自主同步后，不用再在试验现场设置时统分站，免除在试验飞机、舰船、车辆等载体上加装时统设备。有利于减少参试兵力，方便试验组织与指挥，提高试验综合效益。