周大勇，劉 鵬，劉樹昌，孫風(fēng)雷，劉 沖，李 超

(長春理工大學(xué)a.電子信息工程學(xué)院;b.空地激光通信技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，長春 130022)

BD2/GPS 高精度同步時(shí)鐘裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周大勇a，劉 鵬b，劉樹昌a，孫風(fēng)雷a，劉 沖a，李 超a

(長春理工大學(xué)a.電子信息工程學(xué)院;b.空地激光通信技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，長春 130022)

針對CCD(Charge Coupled Device)相機(jī)在探測脈沖激光光斑過程中曝光時(shí)刻與脈沖激光同步的問題，提出一種利用超前預(yù)測方式同步觸發(fā)CCD相機(jī)抓拍光斑圖像的高精度時(shí)鐘源設(shè)計(jì)方案。該裝置主要采用北斗2導(dǎo)航系統(tǒng)(BD2：BeiDou2 navigation satellite system)/全球定位系統(tǒng)(GPS：Global Positioning System)，雙模接收單元提供的協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC：Universal Time Coordinated)時(shí)間以及高精度秒脈沖(PPS：One-Pulse Per Second)時(shí)間基準(zhǔn)作為同步時(shí)鐘裝置的基準(zhǔn)源，并結(jié)合現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA：Field-Programmable Gate Array)高速時(shí)序計(jì)算與微控制單元接口技術(shù)，保證CCD相機(jī)同步抓拍時(shí)間，從而完成高精度的同步觸發(fā)。實(shí)驗(yàn)表明，該裝置可以提供微秒級時(shí)間同步精度和標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)信息，有效地縮短了CCD相機(jī)曝光時(shí)間，得到完整清晰的高信噪比脈沖激光光斑圖像。

時(shí)間同步精度;北斗2導(dǎo)航系統(tǒng);秒脈沖;現(xiàn)場可編程門陣列

0 引 言

隨著傳感器的飛速發(fā)展，以CCD(Charge Coupled Device)相機(jī)為主要組成部分的探測系統(tǒng)已被廣泛的應(yīng)用在激光光斑同步檢測中。在使用CCD相機(jī)探測脈沖激光光斑時(shí)，脈沖寬度很窄，需要選擇合適的時(shí)間觸發(fā)CCD相機(jī)，從而保證每個(gè)激光脈沖恰好落在CCD相機(jī)的積分時(shí)間內(nèi)，因此有效地觸發(fā)CCD相機(jī)快門將變得至關(guān)重要。在激光脈沖探測器探測到激光脈沖后，對激光脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)通過同步時(shí)鐘裝置得出當(dāng)前時(shí)刻值，將此時(shí)刻值發(fā)送給相機(jī)同步控制器作為超前預(yù)測的基準(zhǔn)。通過微秒級的超前預(yù)測使相機(jī)得到合適的曝光時(shí)間，以便獲得高信噪比的脈沖激光光斑圖像［1-3］。

通過綜合分析同步時(shí)鐘裝置的精度、穩(wěn)定性、安全性和設(shè)計(jì)復(fù)雜程度，筆者提出一種以BD2(BeiDou2 Navigation Satellite System)/GPS(Global Positioning System)雙模接收單元提供同步時(shí)間基準(zhǔn)，以FPGA(Field-Programmable Gate Array)為核心計(jì)算同步時(shí)鐘精度的設(shè)計(jì)方案。其中BD2是我國自主知識產(chǎn)權(quán)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有可靠的安全性和穩(wěn)定性，其功能與GPS全球定位系統(tǒng)相同［4，5］。綜上所述，該裝置將實(shí)現(xiàn)微秒級的時(shí)間同步精度并輸出標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信息。

1 總體方案設(shè)計(jì)與原理

筆者提出的高精度同步時(shí)鐘裝置主要包括：BD2/GPS雙模接收單元、FPGA同步檢測單元、微控制單元、串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元和顯示單元等。其中BD2/GPS雙模接收單元在整個(gè)系統(tǒng)中提供精準(zhǔn)授時(shí)信息和時(shí)間基準(zhǔn)PPS(One-Pulse Per Second)，保證授時(shí)和同步時(shí)間精度的準(zhǔn)確性;FPGA同步檢測單元主要負(fù)責(zé)時(shí)間同步精度的計(jì)算與超前預(yù)測觸發(fā)CCD相機(jī);微控制單元主要進(jìn)行系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理?？傮w原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體原理框圖Fig.1 Block diagram of the system

實(shí)現(xiàn)過程：BD2/GPS雙模接收單元定位啟動完成后，輸出時(shí)間基準(zhǔn)PPS、授時(shí)時(shí)間、經(jīng)緯度等信息。FPGA同步檢測單元和微處理器單元同時(shí)檢測PPS信號。當(dāng)微控制單元檢測到PPS上升沿信號時(shí)，將從BD2/GPS雙模接收單元中讀取精確到秒級的標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即更新授時(shí)時(shí)間信息。當(dāng)FPGA同步檢測單元檢測到PPS上升沿信號時(shí)，其內(nèi)部計(jì)數(shù)器清零并重新開始計(jì)數(shù)，以測量PPS的同步精度，即微秒級同步時(shí)間數(shù)據(jù)。

筆者采用的CCD相機(jī)觸發(fā)方式分為外部信號觸發(fā)和相機(jī)幀頻觸發(fā)兩種。有外部觸發(fā)信號時(shí)，F(xiàn)PGA同步檢測單元根據(jù)外部觸發(fā)信號到來時(shí)刻計(jì)算其時(shí)間間隔，且提前5μs作為超前預(yù)測時(shí)刻對CCD相機(jī)發(fā)送外觸發(fā)信號。無外部觸發(fā)信號時(shí)，F(xiàn)PGA同步檢測單元根據(jù)CCD相機(jī)幀頻發(fā)送觸發(fā)信號即相機(jī)幀頻觸發(fā)。CCD相機(jī)打開快門采集圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)FPGA向微控制單元發(fā)送中斷信號鎖存超前預(yù)測觸發(fā)時(shí)刻，將超前預(yù)測的觸發(fā)時(shí)刻值和圖像數(shù)據(jù)送至圖像數(shù)據(jù)融合單元進(jìn)行融合顯示。

1.1 BD2/GPS雙模接收單元

該方案的BD2/GPS雙模接收單元采用和芯星通公司的UM220芯片，由BD2和GPS雙系統(tǒng)集成，能同時(shí)支持BD2的B1和GPS的L1兩個(gè)頻點(diǎn)，可以單獨(dú)或組合定位［6］。支持UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)、SPI(Serial Peripheral Interface)、I2C(Inter-Integrated Circuit)等多種數(shù)據(jù)接口，輸出包含時(shí)間和定位信息在內(nèi)的NMEA 0183語句，其格式為ASCII碼。筆者選擇的消息格式為：

BD2/GPS雙模接收單元提供的PPS信號可以應(yīng)用于高精度的時(shí)間測量，該信號將連續(xù)輸出。PPS輸出脈寬和極性可調(diào)，每秒更新一次，輸出精度是20 ns，保證了同步觸發(fā)信號的實(shí)現(xiàn)。UM220的內(nèi)部RTC(Real-Time Clock)時(shí)鐘可由電池供電，即使外部掉電，模塊也可以通過電池供電正常工作。

1.2 微控制單元

微控制單元主要負(fù)責(zé)授時(shí)時(shí)間數(shù)據(jù)和超前預(yù)測時(shí)刻值的讀取與處理，并將處理后的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳送至圖像數(shù)據(jù)融合單元和液晶顯示單元。微控制單元選擇的是美國的Atmel公司的ATmega 128L單片機(jī)，具有高保密性，F(xiàn)lash具有多重密碼保護(hù)鎖死功能，中斷響應(yīng)快速，處理數(shù)據(jù)性能穩(wěn)定，擁有較多GPIO(General Purpose Input Output)端口和多種類型數(shù)據(jù)接口。

當(dāng)微控制單元檢測到PPS秒脈沖上升沿時(shí)，將觸發(fā)ATmega 128L外部中斷0，即每秒更新時(shí)間數(shù)據(jù)，其中斷優(yōu)先級最高。在中斷服務(wù)程序0中通過Uart0(串口0)接收BD2/GPS雙模接收單元的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理?？煞譃閮蓚€(gè)過程。1)僅截取UTC(Universal Time Coordinated)時(shí)間數(shù)據(jù)，即精確到秒的標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)時(shí)間數(shù)據(jù)。將從BD2/GPS接收單元接收到的數(shù)據(jù)存放在一維數(shù)組中，根據(jù)$--GGA的消息格式將時(shí)分秒信息解調(diào)出來。2)由于UTC時(shí)間與北京時(shí)間相差8 h，故將接收到的ASCII碼時(shí)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)，加上相差的8 h，再對24取模運(yùn)算，得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ASCII碼數(shù)據(jù)，變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息后進(jìn)行傳輸［7，8］。

當(dāng)FPGA向微控制單元發(fā)送INT1中斷信號時(shí)，在中斷服務(wù)程序1中，微控制單元通過檢測FPGA的GPIO端口的電平變換，進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，將微秒級的超前預(yù)測時(shí)間數(shù)據(jù)通過20個(gè)I/O端口并行通信，以保證數(shù)據(jù)傳輸速率。最后將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間數(shù)據(jù)和微秒級的超前預(yù)測時(shí)間數(shù)據(jù)綜合處理后，通過Uart1(串口1)傳輸至圖像數(shù)據(jù)融合單元進(jìn)行融合和顯示。微控制單元通過SPI接口將標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)時(shí)間信息送入液晶顯示［9，10］。

微控制單元在軟件設(shè)計(jì)上，首先需要對各個(gè)函數(shù)和端口進(jìn)行初始化，根據(jù)上述過程順序執(zhí)行各函數(shù)功能。圖2為微控制單元程序流程圖。

圖2 微控制單元程序流程圖Fig.2 Flow chart of the MCU software

1.3 FPGA同步檢測單元

筆者選用CycloneIIIFPGA的EP3C25Q240C8芯片，其內(nèi)部資源豐富，可配置成多種操作模式，適合于同步時(shí)序電路系統(tǒng)［11］。圖3為FPGA同步檢測單元的頂層模塊。

圖3 頂層模塊Fig.3 The top module

FPGA同步檢測單元使用50 MHz外部晶振，為提高同步精度，將50 MHz外部晶振通過內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻為100 MHz，即將PPS秒脈沖進(jìn)行108分頻計(jì)數(shù)。在clk的上升沿到來時(shí)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)周期為10 ns，倍頻模塊為bd_pll。reset_n為復(fù)位腳，低電平有效。pps_detect模塊檢測PPS信號，檢測到PPS上升沿時(shí)，pps_en將拉高一個(gè)時(shí)鐘周期高電平觸發(fā)計(jì)數(shù)模塊count。計(jì)數(shù)器count檢測到pps_為高時(shí)，計(jì)數(shù)器count自動清零并重新開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)周期為10 ns，計(jì)數(shù)器count中的數(shù)據(jù)為微秒級的同步時(shí)間。

在有外部觸發(fā)信號ex_signal時(shí)，ex_tri模塊將產(chǎn)生一個(gè)ex_int的上升沿信號，ex_int_detect模塊檢測到ex_int的上升沿時(shí)，ex_int_en拉高一個(gè)時(shí)鐘周期的高電平觸發(fā)計(jì)數(shù)器count的使能信號int_。int_一旦拉高，計(jì)數(shù)器count中的計(jì)數(shù)值將鎖存到current_cnt寄存器中，即當(dāng)前外部觸發(fā)時(shí)刻，利用當(dāng)前觸發(fā)時(shí)刻并根據(jù)自適應(yīng)控制原理計(jì)算超前預(yù)測值。當(dāng)達(dá)到超前預(yù)測時(shí)刻值時(shí)，將超前預(yù)測時(shí)刻值鎖存到20位的寄存器data_us［19∶0］中，F(xiàn)PGA同步檢測單元向MCU發(fā)送觸發(fā)信號，MCU進(jìn)行微秒級的超前預(yù)測值提取。同時(shí)FPGA向圖像融合單元發(fā)送觸發(fā)信號，圖像融合單元將觸發(fā)CCD相機(jī)。無外部觸發(fā)信號ex_signal時(shí)，ex_tri模塊根據(jù)CCD相機(jī)幀頻(如25 Hz)產(chǎn)生CCD相機(jī)觸發(fā)信號即ex_tri模塊將模擬周期為40 000 微秒的觸發(fā)信號［12-14］。

2 仿真波形與誤差分析

如圖4所示，PPS信號由BD2/GPS雙模接收單元提供。當(dāng)檢測到PPS上升沿時(shí)，計(jì)數(shù)器模塊清零并重新開始計(jì)數(shù)直到下一個(gè)PPS上升沿到來時(shí)，寄存器鎖存的時(shí)刻值為PPS秒脈沖同步時(shí)鐘精度。在兩個(gè)PPS秒脈沖的上升沿之間，計(jì)數(shù)器一共計(jì)數(shù)99 999 910個(gè)10 ns，其誤差為900 ns，完全滿足微秒級的精度。

圖4 PPS精度仿真波形圖Fig.4 PPS precision simulation waveform

如圖5所示，仿真波形是外部信號ex_signal觸發(fā)時(shí)刻值的鎖存，由于存在內(nèi)部延遲，是ex_signal觸發(fā)信號與int_管腳檢測信號存在小于10 ns的誤差，由此得出系統(tǒng)的整體累計(jì)誤差小于1μs。完全滿足提前5μs的超前預(yù)測，使系統(tǒng)準(zhǔn)確的發(fā)送觸發(fā)信號。

圖5 外部觸發(fā)仿真波形圖Fig.5 External trigger simulation waveform

上述仿真波形的誤差來源主要包括PPS的上升沿與晶振時(shí)鐘的上升沿不同步，晶振時(shí)鐘的上升沿要滯后于PPS的上升沿，F(xiàn)PGA中的門延時(shí)及計(jì)數(shù)器清零、計(jì)數(shù)所需的延時(shí)，以及微處理器和BD2/GPS授時(shí)模塊處理信號的硬件延遲誤差和軟件算法延遲誤差等，最后得到微秒級的時(shí)間同步精度［15］。

3 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，筆者的BD2/GPS高精度同步時(shí)鐘裝置實(shí)現(xiàn)了微秒級的時(shí)間同步精度以及標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間輸出，并利用超前預(yù)測方式實(shí)現(xiàn)了兩種觸發(fā)CCD相機(jī)信號的輸出。本裝置具有性能穩(wěn)定、低功耗、低成本和操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。在CCD相機(jī)探測激光光斑時(shí)，可使CCD相機(jī)獲得精準(zhǔn)到微秒級的同步觸發(fā)時(shí)間，有效地縮減少了CCD相機(jī)的積分時(shí)間，并且可得到高信噪比的脈沖激光光斑圖像，其完全適用于脈沖激光光斑同步檢測系統(tǒng)。

［1］張穎新，王云萍，王禹.基于CCD的遠(yuǎn)場激光光斑測量系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2011，26(4)：11-13，52.

ZHANG Yingxin，WANG Yunping，WANG Yu.Development and Application of Far-Field Laser Spot Measurement System Based on CCD［J］.Electro-Optic Technology Application，2011，26(4)：11-13，52.

［2］王書宏，胡謀法，陳曾平.天文CCD相機(jī)的噪聲分析與信噪比模型的研究［J］.半導(dǎo)體光電，2007，28(5)：731-734.

WANG Shuhong，HU Moufa，CHEN Zengping.Noise Analysis and the Study of SNR Model on the Astronomical CCD Camera［J］.Semiconductor Optoelectronics，2007，28(5)：731-734.

［3］ZHONG Ziguo，CHEN Pengpeng，HE Tian.On-Demand Time Synchronization with Predictable Accuracy［C］∥INFOCOM，2011 Proceedings IEEE.［S.l.］：IEEE，2011：2480-2488.

［4］劉永明，張?jiān)?，袁國?GPS/北斗-2組合定位性能的研究［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2013，21(14)：121-123，126.

LIU Yongming，ZHANG Yun，YUAN Guoliang.Study of Evalution of GPS/BeiDou-2 Combination Positioning Performance［J］.Electronic Design Engineering，2013，21(14)：121-123，126.

［5］EUWOO CHOI，DAVID CIEEI.Analysis of GPS Static Positioning Problems［J］.Applied Mathematics and Computation，2006，29(1)：42-46.

［6］龔小維.基于北斗二號_GPS授時(shí)的靶場時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.南京：南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，2013.

GONG Xiaowei.Design of Shooting Rang Timing System Based on DB2 and GPS Dual-Mode［D］.Nanjing：School of Electronic and Optical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，2013.

［7］吳瑞坤，賴儒華.基于單片機(jī)的全球定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，15(3)：143-146，153.

WU Riukun，LAIRuhua.Global Positioning Circuit Design Based on Singal Chip Microcontroller［J］.Journal of Chongqing University of Science and Technology：Natural Sciences Edition，2013，15(3)：143-146，153.

［8］黃敬堯，張超，何明川，等.電力系統(tǒng)GPS同步授時(shí)裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2012，20(12)：3355-3356，3360.

HUANG Jingyao，ZHANG Chao，HE Mingchuan，et al.Design and Application of Power System GPS Synchronous Clock Device［J］.Computer Measurement＆ Control，2012，20(12)：3355-3356，3360.

［9］黃賽帥.靶場時(shí)統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.南京：南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，2009.

HUANG Saishuai.Design of Shooting Rang Timing System ［D］.Nanjing：School of Electronic and Optical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，2009.

［10］LIQian，WANG Liduan，ZHAIChuanrun，etal.Time Synchronization Design Based on FPGA in Integrated GPS/INSSystem［C］∥Mechatronics and Automation，2009.ICMA 2009.International Conference on.［S.l.］：IEEE，2009：3769-3774.

［11］ALTERA CORPOTATION.Cyclone Device Handbook［EB/OL］.(2008-08-28).［2013-03-13］.http：//www.altera.corn/.

［12］蔣陸萍，曾祥君，李澤文，等.基于GPS實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)高精度同步時(shí)鐘［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(2)：201-206.

JIANG Luping，ZENG Xiangjun，LIZewen，etal.Realization of High Accuracy Synchronous Clock for Power System Based on GPS［J］.Power System Technology，2011，35(2)：201-206.

［13］KONG Yang，WU Jie，XIE M P，et al.A New Design for Precision Clock Synchronization Based on FPGA［C］∥Real Time Conference 2009.［S.l.］：IEEE，2009：411-414.

［14］劉喆.激光散射實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)的研究［D］.長春：長春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，2010.

LIU Zhe.Laser Light Scattering Study of Real-Time Counting［D］.Changchun：College of Electronic and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，2010.

［15］王建武，白古月，胡納德.GPS高精度同步時(shí)鐘的研制及開發(fā)［J］.企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2010，29(13)：12-14.

WANG Jianwu，BAIGuyue，HU Nade.Design and Application of High Precision GPS-Clock［J］.Technological Development of Enterprise，2010，29(13)：12-14.

Design and Application of High-Precision Time Synchronous Device Based on BD2/GPS

ZHOU Dayonga，LIU Pengb，LIU Shuchanga，SUN Fengleia，LIU Chonga，LIChaoa

(a.College of Electrical and Information Engineering;b.Fundamental Science on Space-Ground Laser Communication Technology Laboratory，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)

To dealwith the problems of time and pulse lager synchronization in the process of CCD(Charge Coupled Device)camera capturing laser spot images，an advanced forecasting method to trigger CCD camera synchronously to capture images of high-precision clock source is proposed.This device used the UTC(Universal Time Coordinated)and high-precision PPS(one-Pulse Per Second)as synchronous clock reference source provided by BD2(BeiDou2 navigation satellite system)/GPS(Global Positioning System)dual-mode receiving unit.Ensured the synchronization capture time of the CCD camera in combination with high-speed FPGA(Field-Programmable Gate Array)computing and microprocessor interface timing technology，thus accomplished the synchronization trigger action.The experiment shows that this device can provide microsecond level synchronization accuracy and standard timing information，shorten the exposure time of the CCD camera effectively，get a complete clear pulse laser spot image with a higher SNR(Signal-to-Noise Ratio).

time synchronization accuracy;BeiDou2 navigation satellite system;pulse per second(PPS);fieldprogrammable gate array(FPGA)

周大勇(1989— )，男，長春人，長春理工大學(xué)碩士研究生，主要從事檢測技術(shù)與過程控制研究，(Tel)86-13604302731(E-mail)zhoudayong1989@163.com;劉樹昌(1955— )，女，長春人，長春理工大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事檢測與處理技術(shù)研究，(Tel)86-13009126387(E-mail)lscjlcc@126.com;通訊作者：劉鵬(1982— )，男，長春人，長春理工大學(xué)博士研究生，主要從事信息檢測與處理技術(shù)研究，(Tel)86-13689814498(E-mail)Louis585760@126.com。

TN919.3

A

1671-5896(2014)03-0262-05

book=266,ebook=99

2013-11-19

總裝備部靶場測試基金資助項(xiàng)目

張潔)