錢禮華，杜劍英，申曉敏，康 強(qiáng)，張 潔

(中國兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院， 陜西華陰 714200)

0 引言

在靶場(chǎng)測(cè)量任務(wù)中，一般由彈道雷達(dá)、光電經(jīng)緯儀、遙測(cè)站和高速成像設(shè)備等共同完成數(shù)據(jù)的獲取和記錄。多類型的測(cè)量數(shù)據(jù)和事件都必須按照嚴(yán)格統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)對(duì)它們進(jìn)行分析和處理，這樣才具有綜合分析的價(jià)值[1-4]。

目前大型測(cè)量設(shè)備均具有時(shí)間統(tǒng)一設(shè)備，但小型的高速成像設(shè)備、遙測(cè)移動(dòng)站和區(qū)截速度測(cè)量設(shè)備不具有時(shí)統(tǒng)功能[5]。文中針對(duì)以上設(shè)備的需求進(jìn)行小型、低功耗的時(shí)間統(tǒng)一裝置的設(shè)計(jì)論述。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

時(shí)間統(tǒng)一裝置主要技術(shù)指標(biāo)包含授時(shí)模塊、觸發(fā)端口、輸出端口、內(nèi)部時(shí)基和電源等部分。技術(shù)指標(biāo)如下：

1)授時(shí)精度：20 ns

2)鎖時(shí)精度：優(yōu)于1 μs

3)觸發(fā)方式：通斷、斷通、TTL、28 V

4)輸出方式：通斷輸出、斷通輸出、TTL

5)供電方式：內(nèi)部鋰電池

6)工作溫度：-20～50 ℃

2 工作原理

時(shí)間統(tǒng)一裝置主要由信號(hào)調(diào)理模塊、單穩(wěn)態(tài)模塊、授時(shí)模塊、單片機(jī)、CPLD信號(hào)處理模塊和LCD2004A顯示模塊等組成。工作原理見圖1。

圖1 工作原理圖

授時(shí)模塊[6]為時(shí)間統(tǒng)一裝置提供UTC時(shí)間信息和PPS秒脈沖，利用內(nèi)部單片機(jī)電路和CPLD電路分別對(duì)時(shí)間信息解讀和秒信號(hào)進(jìn)行處理；當(dāng)外部觸發(fā)信號(hào)到來時(shí)，鎖定當(dāng)前時(shí)間信息和秒時(shí)刻并利用LCD進(jìn)行顯示。

工作流程如下：

1)單片機(jī)接收衛(wèi)星模塊串口TXD1發(fā)送的信息并解析，當(dāng)接收衛(wèi)星有效數(shù)量大于5時(shí)，單片機(jī)控制LCD2004A顯示當(dāng)前衛(wèi)星數(shù)量和時(shí)、分、秒時(shí)間信息，點(diǎn)亮TB-LED指示燈。

2)時(shí)間統(tǒng)一裝置接收到外部的觸發(fā)(啟動(dòng))信號(hào)后，經(jīng)信號(hào)調(diào)理和單穩(wěn)態(tài)電路處理，對(duì)外輸出2路通斷、2路斷通和2路TTL信號(hào)共6路。

3)當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到來時(shí)，Stop跳變?yōu)榈碗娖?，即關(guān)閉計(jì)數(shù)器脈沖，6位同步計(jì)數(shù)器鎖定當(dāng)前微秒時(shí)刻xμs，微秒數(shù)據(jù)通過串口模塊以9 600波特率傳給STC單片機(jī)的串口2。

4)單片機(jī)收到CPLD發(fā)送的trg觸發(fā)信號(hào)后，控制LCD2004A顯示當(dāng)前為鎖定狀態(tài)和鎖定的時(shí)、分、秒、微秒時(shí)間信息，單片機(jī)將時(shí)間信息處理后，在LCD2004A上顯示了觸發(fā)時(shí)刻的時(shí)、分、秒、微秒信息。

3 電路和時(shí)序設(shè)計(jì)

3.1 衛(wèi)星授時(shí)模塊

時(shí)間統(tǒng)一裝置內(nèi)部為一款高性能BDS/GNSS 全星座定位授時(shí)模塊[6]，采用低功耗AT6558芯片，支持BDS、GPS、GLONASS和GALILEO等多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

圖2 衛(wèi)星授時(shí)模塊的應(yīng)用電路

衛(wèi)星授時(shí)模塊的應(yīng)用電路如圖2所示。模塊輸出精確秒脈沖PPS，脈沖上升沿與UTC時(shí)間對(duì)齊。設(shè)計(jì)時(shí)采用單片機(jī)異步串行通信方式與衛(wèi)星授時(shí)模塊進(jìn)行信息交換。衛(wèi)星授時(shí)模塊輸出兼容國際標(biāo)準(zhǔn)NMEA0183 協(xié)議。

設(shè)計(jì)中只讀取輸出＄GNGGA信息。該語句包含時(shí)間、緯度、經(jīng)度、衛(wèi)星數(shù)量、速度、高程等信息。

3.2 單片機(jī)數(shù)據(jù)解析

利用STC15L2K60S2單片機(jī)串口接收衛(wèi)星授時(shí)模塊發(fā)送的信息，提取出時(shí)間、狀態(tài)和衛(wèi)星數(shù)量等10位數(shù)據(jù)。LCD2004A的顯示效果見圖3。可以讀出當(dāng)前時(shí)間為11時(shí)、 56分、 53秒；衛(wèi)星模式為1(差分狀態(tài))；接收到有效衛(wèi)星數(shù)量為8顆；時(shí)統(tǒng)裝置處于同步狀態(tài)。

圖3 LCD2004A顯示圖

單片機(jī)數(shù)據(jù)解析＄GNGGA 信息的中斷子函數(shù)如下：

void RECEIVE_DATA(void) interrupt 4 using 3

{

unsigned char temp=0; ES=0;

temp=SBUF;

RI=0;

LED1=～LED1;

if(temp == '＄')

{

RX_Count=0;

Flag_GPS_OK=0;

}

RX_Buffer[RX_Count++]=temp;

if(RX_Count >= 68)

{

RX_Count=68;

Flag_GPS_OK=1;

}

ES=1;

}

3.3 CPLD內(nèi)部邏輯控制單元

CPLD作為控制核心，負(fù)責(zé)PPS信號(hào)處理及鎖時(shí)時(shí)刻獲取。CPLD在接收到單片機(jī)發(fā)送來的同步信號(hào)后，打開與門使GPS-PPS信號(hào)通過，該信號(hào)進(jìn)一步處理，輸出穩(wěn)定的內(nèi)部PPS信號(hào)；因此當(dāng)時(shí)間統(tǒng)一裝置同步一次后，即使出現(xiàn)衛(wèi)星接收機(jī)短時(shí)失步，內(nèi)部PPS信號(hào)也可保證時(shí)間統(tǒng)一。由于設(shè)計(jì)采用的晶體振蕩器為0.1PPM，因此在失步大于10 s以內(nèi)時(shí)，同步誤差也能小于1 μs。圖4為PPS處理電路。

圖4 PPS處理電路

3.4 鎖時(shí)電路設(shè)計(jì)

當(dāng)鎖時(shí)信號(hào)(stop)到來時(shí)，CPLD內(nèi)部設(shè)計(jì)的6位同步計(jì)數(shù)器鎖定當(dāng)前時(shí)刻。圖5為鎖時(shí)處理電路。

圖5 鎖時(shí)處理電路

3.5 低功耗設(shè)計(jì)

時(shí)間統(tǒng)一裝置主要工作在野外試驗(yàn)場(chǎng)地，一般由電池供電，因此在設(shè)計(jì)中進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)。

主要工作核心電路和顯示期間均選取3.3 V低電壓、低功耗器件：如MCU選用了STC公司低功耗處理器STC15L2K60S2單片機(jī)；控制器選用EPM570；顯示器件選用LCD2004A；晶體振蕩器選用TCXO溫補(bǔ)型。在設(shè)計(jì)中對(duì)于未使用單片機(jī)I/O口均采用Input和pull-up模式，其單端口電流消耗僅為0.4 μA；因此電路總電流約120 mA。經(jīng)實(shí)測(cè)采用3.7 V/2 600 mAH的鋰電池供電，連續(xù)工作時(shí)間大于10 h。

4 檢測(cè)與驗(yàn)證

時(shí)間統(tǒng)一裝置在檢測(cè)性能時(shí)，先利用安捷倫53132A高精度計(jì)數(shù)器進(jìn)行時(shí)鐘的頻率準(zhǔn)確度、頻率穩(wěn)定度檢測(cè)；然后利用比對(duì)的方法對(duì)鎖時(shí)誤差進(jìn)行比對(duì)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)示意如圖6。

同步觸發(fā)器發(fā)出兩路同步信號(hào)分別是T0輸入至?xí)r間統(tǒng)一裝置和高精度計(jì)數(shù)器；高精度計(jì)數(shù)器的兩路輸入信號(hào)，一路為PPS時(shí)間，另一路為T0。當(dāng)時(shí)間統(tǒng)一裝置發(fā)出觸發(fā)信號(hào)T0時(shí)，時(shí)間統(tǒng)一裝置鎖定觸發(fā)時(shí)刻時(shí)間，記為T1；同時(shí)高精度計(jì)數(shù)器也測(cè)量得到T0和PPS時(shí)間的差值，記為T2。通過比對(duì)T1記錄下的秒以下時(shí)間數(shù)據(jù)和T2的差值，就可得出鎖時(shí)誤差值。裝置經(jīng)計(jì)量檢驗(yàn)，鎖時(shí)差值為0.5 μs。

5 結(jié)論

嚴(yán)格統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)是多數(shù)據(jù)綜合測(cè)試任務(wù)中至關(guān)重要的參數(shù)之一。從靶場(chǎng)測(cè)試實(shí)際出發(fā)，基于時(shí)間統(tǒng)一裝置的主要功能和技術(shù)指標(biāo)要求，對(duì)衛(wèi)星授時(shí)、CPLD內(nèi)部邏輯控制、STC單片機(jī)數(shù)據(jù)解析、鎖時(shí)及低功耗等模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制了一種小型、低功耗的靶場(chǎng)時(shí)間統(tǒng)一裝置。該裝置經(jīng)檢驗(yàn),鎖時(shí)誤差僅為0.5 μs。在靶場(chǎng)外場(chǎng)使用內(nèi)部電池的情況下，可連續(xù)工作10 h以上，且能夠可靠觸發(fā)連接的高速錄像和區(qū)截速度測(cè)量設(shè)備。各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，具有良好的應(yīng)用前景。