劉維京

（92941部隊(duì)93分隊(duì) 遼寧 葫蘆島 125001）

武器裝備靶場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)需多臺(tái)/套測(cè)控設(shè)備[1]（測(cè)量與控制設(shè)備的簡(jiǎn)稱(chēng)）參加，不同測(cè)控設(shè)備獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)在時(shí)間上密切相關(guān)。因此，要求參試測(cè)控設(shè)備（有時(shí)包括被試裝設(shè)備）在時(shí)間統(tǒng)一信號(hào)[2]（簡(jiǎn)稱(chēng)時(shí)統(tǒng)信號(hào)。是各種時(shí)間編碼信號(hào)、各種頻率定時(shí)信號(hào)和時(shí)標(biāo)信號(hào)的統(tǒng)稱(chēng)）協(xié)調(diào)下工作。為了保證各參試測(cè)控設(shè)備時(shí)鐘同步，靶場(chǎng)除設(shè)置時(shí)統(tǒng)中心站[3]外，一般需根據(jù)參試測(cè)控設(shè)備、被試裝設(shè)備投入情況，設(shè)置多個(gè)時(shí)統(tǒng)分站[3]。時(shí)統(tǒng)分站通過(guò)通信線路和時(shí)間碼與時(shí)統(tǒng)中心站聯(lián)系，并與時(shí)統(tǒng)中心站保持頻率和時(shí)間同步，再向用戶(hù)（測(cè)控設(shè)備或被試裝設(shè)備）提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)。試驗(yàn)過(guò)程中由時(shí)統(tǒng)中心站接收國(guó)家授時(shí)臺(tái)發(fā)播的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)時(shí)[3]，并向時(shí)統(tǒng)分站送出對(duì)時(shí)、校頻信號(hào)，統(tǒng)一靶場(chǎng)時(shí)間[2]。

隨著靶場(chǎng)時(shí)統(tǒng)設(shè)備[3]（時(shí)間統(tǒng)一設(shè)備的簡(jiǎn)稱(chēng)。產(chǎn)生與輸出各種時(shí)間編碼、定時(shí)信號(hào)和接授時(shí)間碼對(duì)時(shí)同步的設(shè)備，包括時(shí)碼鐘、時(shí)統(tǒng)中心控制臺(tái)等）采用GPS時(shí)間作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，在測(cè)控設(shè)備中采用GPS授時(shí)技術(shù)自主同步靶場(chǎng)時(shí)間的條件已經(jīng)成熟，研究基于GPS衛(wèi)星時(shí)間的IRIG-B碼終端設(shè)備十分必要。

1 靶場(chǎng)測(cè)控設(shè)備同步技術(shù)現(xiàn)狀

靶場(chǎng)測(cè)控設(shè)備經(jīng)歷了脈沖形式時(shí)統(tǒng)信號(hào)同步，IRIG-B時(shí)間碼[3]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)IRIG-B碼）同步，GPS衛(wèi)星時(shí)間同步等階段。脈沖同步信號(hào)傳輸距離有限，抗干擾能力弱，不能提供絕對(duì)時(shí)間信息，測(cè)控設(shè)備在試驗(yàn)飛機(jī)或艦船上安裝時(shí)需采用電臺(tái)傳送時(shí)統(tǒng)信號(hào)。此種同步模式在測(cè)控系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備間同步采樣時(shí)仍普遍采用。

IRIG-B碼是IRIG（美國(guó)靶場(chǎng)時(shí)間測(cè)量組）制訂的一種串行BCD調(diào)制時(shí)間碼[4-5]。IRIG-B時(shí)間編碼信息為天、時(shí)、分、秒，碼元速率為100脈沖/s，時(shí)幀周期為1 s，秒標(biāo)志和位置識(shí)別符脈沖寬度為 8 ms，“1”碼寬度為 5 ms，“0”碼和索引計(jì)數(shù)符脈沖寬度為2 ms。幅度調(diào)制的載波頻率為1 kHz，無(wú)載波調(diào)制時(shí)稱(chēng)直流（DC）碼，有載波調(diào)制時(shí)稱(chēng)交流（AC）碼。測(cè)控設(shè)備在試驗(yàn)飛機(jī)或艦船上安裝時(shí)仍需采用電臺(tái)傳送IRIG-B碼信號(hào)，此種同步模式目前在靶場(chǎng)測(cè)控設(shè)備中普遍采用。

GPS衛(wèi)星時(shí)間是導(dǎo)航、遙測(cè)及精確時(shí)間傳遞等領(lǐng)域的時(shí)間基準(zhǔn)[6]。在需要準(zhǔn)確時(shí)間的系統(tǒng)上加裝GPS衛(wèi)星時(shí)間的采集和本地時(shí)間校準(zhǔn)裝置，便可使系統(tǒng)時(shí)間始終與GPS衛(wèi)星時(shí)間同步。GPS接收機(jī)不受時(shí)間、地點(diǎn)和氣候的限制，只要能同時(shí)接收4顆以上衛(wèi)星信號(hào)即可提供高精度、連續(xù)實(shí)時(shí)授時(shí)信息。GPS衛(wèi)星時(shí)間目前已成為公認(rèn)的一種時(shí)間基準(zhǔn)，已開(kāi)始在靶場(chǎng)測(cè)控設(shè)備中得到應(yīng)用。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 終端組成

IRIG-B碼終端設(shè)計(jì)為PCI總線結(jié)構(gòu)形式，GPS OEM模塊固定在PCI卡上。終端由GPS OEM模塊，IRIG-B碼采集模塊，IRIG-B碼產(chǎn)生模塊等組成，其組成如圖1所示。

圖1 多功能內(nèi)置式IRIG-B碼終端組成框圖Fig.1 Framework of multi-function built-in IRIG-B code terminal

2.2 終端功能

1）GPS衛(wèi)星時(shí)間同步；

2）IRIG-B 碼同步；

3）IRIG-B 碼產(chǎn)生；

4）提供脈沖形式、電流環(huán)形式同步采樣信號(hào)；

5）提供事件標(biāo)記中斷時(shí)間。

2.3 終端工作過(guò)程

終端插入測(cè)控設(shè)備計(jì)算機(jī)擴(kuò)展槽，控制計(jì)算機(jī)加電后8031、8751復(fù)位?？刂朴?jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)終端編程實(shí)現(xiàn)同步模式選擇，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)同步采樣信號(hào)頻率修改。

選擇GPS衛(wèi)星時(shí)間同步模式時(shí)，GPS接收信號(hào)穩(wěn)定后終端對(duì)外輸出同步采樣信號(hào)。選擇IRIG-B碼同步模式時(shí)，大約1秒終端對(duì)外輸出同步采樣信號(hào)。

事件標(biāo)記中斷出現(xiàn)時(shí)終端提供中斷時(shí)刻時(shí)間信息。

GPS衛(wèi)星時(shí)間同步時(shí)，對(duì)外輸出基于GPS衛(wèi)星時(shí)間的IRIG-B碼時(shí)間信號(hào)，提供相當(dāng)于靶場(chǎng)時(shí)統(tǒng)分站的功能。

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 IRIG-B碼采集模塊設(shè)計(jì)

IRIG-B碼采集模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。8751單片機(jī)[5]內(nèi)部有4 kB的EPROM存貯器，片內(nèi)EPROM已存入終端工作程序。當(dāng)選擇IRIG-B碼同步時(shí)，B碼時(shí)間的檢測(cè)由8751和一組并行十進(jìn)制計(jì)數(shù)器完成。當(dāng)終端選擇GPS衛(wèi)星時(shí)間同步時(shí)，秒以下時(shí)間信息的產(chǎn)生與選擇IRIG-B碼同步時(shí)一致，秒以上時(shí)間從NMEA 0183[6]報(bào)文獲得（RS-232接口）。

圖2 IRIG-B碼采集模塊結(jié)構(gòu)Fig.2 Construction of ERIG-B code sampling model

8751 P0端口和P2端口用作地址總線和數(shù)據(jù)總線，P1端口的P1.1接收IRIG-B碼，P1.2接收事件標(biāo)記，P1.0用于精確計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器修正量的置入。P3.0用于接收GPS衛(wèi)星時(shí)間報(bào)文[7]，P3.2用于B碼每個(gè)碼元的中斷INT0；P3.3用作外部中斷（INT1）入口，用于接收GPS 1PPS作為GPS衛(wèi)星時(shí)間報(bào)文的基準(zhǔn)。定時(shí)器0用作定時(shí)中斷產(chǎn)生，用于B碼檢測(cè)；定時(shí)器1用作串行口波特率發(fā)生器。

可編程計(jì)數(shù)器用于時(shí)間量的精確計(jì)時(shí)[8]，最大計(jì)數(shù)值1 s。為使計(jì)數(shù)器和IRIG-B碼同步，需對(duì)計(jì)數(shù)器初值進(jìn)行修正。修正量可通過(guò)理論計(jì)算或?qū)崪y(cè)得到，并由8751寫(xiě)入鎖存器。當(dāng)8751檢測(cè)到IRIG-B碼參考標(biāo)志時(shí)，P1.0端發(fā)出一個(gè)置入脈沖，將鎖存器中的修正量置入計(jì)數(shù)器，達(dá)到同步目的。

IRIG-B碼檢測(cè)和時(shí)間信息的讀出由軟件完成，IRIG-B碼同時(shí)接到P1.1和INT0（P3.2），每個(gè)碼元脈沖前沿均引起一次中斷，進(jìn)入中斷后由軟件判斷碼元脈沖寬度，當(dāng)連續(xù)檢測(cè)到2個(gè)8 ms寬碼元時(shí)，即表示檢測(cè)到IRIG-B碼參考標(biāo)志，在P1.0端口發(fā)出一個(gè)計(jì)數(shù)器修正量置入脈沖，之后進(jìn)入數(shù)碼判讀程序。在數(shù)碼碼元位置檢測(cè)到5 ms寬碼元時(shí)記作“1”，檢測(cè)到2 ms寬的碼元時(shí)記作“0”。

B碼采集模塊設(shè)置一組分頻器用于產(chǎn)生各種頻率采樣信號(hào)，分頻器的輸入是時(shí)間計(jì)數(shù)器輸出的100 kHz脈沖，通過(guò)分頻器輸出不同頻率脈沖形式同步采樣信號(hào)和電流環(huán)形式同步采樣信號(hào)。

當(dāng)選擇GPS衛(wèi)星時(shí)間同步時(shí)，秒以上時(shí)間信息從GPS OEM模塊NMEA 0183報(bào)文獲得，秒以下時(shí)間信息從六位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的高四位中讀出。兩部分時(shí)間信息合并組成當(dāng)前時(shí)間信息，并自動(dòng)寫(xiě)入雙端口RAM供控制計(jì)算機(jī)讀取。當(dāng)選擇IRIG-B碼同步時(shí)，秒以上時(shí)間信息的檢出每秒一次，秒以下時(shí)間信息的獲得同GPS衛(wèi)星時(shí)間同步模式。

3.2 IRIG-B碼產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)

IRIG-B碼產(chǎn)生模塊與GPS OEM模塊的連接如圖3所示。利用GPS OEM接收機(jī)輸出的NMEA 0183報(bào)文和外部1PPS信號(hào)得出GPS時(shí)間的年、月、日、時(shí)、分、秒信息，分別作為IRIG-B碼產(chǎn)生模塊的時(shí)間編碼信息和1PPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)。對(duì)外部5 MHz進(jìn)行隔離、放大、分頻得到1 MHz頻率信號(hào)，再將1 MHz頻率信號(hào)分別送2 ms、5 ms、8 ms產(chǎn)生模塊，由2 ms、5 ms、8 ms產(chǎn)生模塊分別對(duì) 1 MHz頻率信號(hào)進(jìn)行500、200、125分頻，產(chǎn)生頻率為100 Hz、脈沖寬度分別為2 ms、5 ms、8 ms時(shí)鐘信號(hào)。

圖3 IRIG-B碼產(chǎn)生模塊原理框圖Fig.3 Principle gramework of IRIG-B code model

8051根據(jù)年、月、日、時(shí)、分、秒信息和標(biāo)準(zhǔn)1PPS信號(hào)，控制兩路IRIG-B（DC）碼產(chǎn)生模塊產(chǎn)生IRIG-B（DC）碼信號(hào)。供戰(zhàn)位附近其他測(cè)控設(shè)備與靶場(chǎng)時(shí)間同步時(shí)使用。

3.3 軟件模塊設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序如圖4所示、B碼中斷服務(wù)程序如圖5所示、定時(shí)器0中斷服務(wù)等程序如圖6所示組成。

圖5 B碼中斷服務(wù)程序流程圖Fig.5 Flow chart of B code interrupt service routine

圖6 定時(shí)器O中斷服務(wù)程序流程圖Fig.6 Flow chart of timer O interupt service routine

1）主程序

控制計(jì)算機(jī)加電后8751復(fù)位，主程序?qū)Υ锌诔跏蓟?，取?jì)數(shù)修正量并開(kāi)中斷。根據(jù)中斷程序設(shè)置的狀態(tài)位判斷本IRIG-B碼碼元是“0”或是“1”、還是B碼同步頭（標(biāo)志碼）。一幀IRIG-B碼結(jié)束后讀取瞬時(shí)時(shí)間并送雙端口RAM，然后進(jìn)行下一幀的檢測(cè)。

2）IRIG-B碼中斷服務(wù)程序

每個(gè)IRIG-B碼脈沖前沿均引起一次中斷，進(jìn)入中斷后由軟件判斷碼元脈沖寬度，當(dāng)連續(xù)檢測(cè)到2個(gè)8 ms寬碼元時(shí)，即表示檢測(cè)到了IRIG-B碼標(biāo)志。在P1.0端口發(fā)出一個(gè)計(jì)數(shù)器修正量置入脈沖，之后進(jìn)入數(shù)碼判讀程序。檢測(cè)到5 ms寬碼元時(shí)記作“1”，檢測(cè)到2 ms寬碼元時(shí)記作“0”。

3）定時(shí)器0中斷服務(wù)程序

定時(shí)器0中斷是定時(shí)器0的溢出中斷，用于判斷B碼是否存在，此中斷只置中斷次數(shù)標(biāo)記。

4）事件標(biāo)記

事件標(biāo)記用于確定重要事件發(fā)生時(shí)的絕對(duì)時(shí)間。如彈動(dòng)時(shí)間，導(dǎo)彈起飛時(shí)間等。終端可將事件出現(xiàn)時(shí)間寫(xiě)入雙端口RAM，供控制計(jì)算機(jī)讀取。

4 結(jié)束語(yǔ)

靶場(chǎng)測(cè)控設(shè)備普遍采用GPS衛(wèi)星時(shí)間自主同步后，不用再在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置時(shí)統(tǒng)分站，免除在試驗(yàn)飛機(jī)、艦船、車(chē)輛等載體上加裝時(shí)統(tǒng)設(shè)備。有利于減少參試兵力，方便試驗(yàn)組織與指揮，提高試驗(yàn)綜合效益。

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