李孝慶，王 艷，李 坤

(北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)

基于1553B總線星時(shí)精確產(chǎn)生硬件秒脈沖的方法

李孝慶，王 艷，李 坤

(北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)

本設(shè)計(jì)在整星不能提供硬件秒脈沖的情況下，利用單片機(jī)對(duì)1553B總線協(xié)議芯片進(jìn)行配置，使其只對(duì)星時(shí)數(shù)據(jù)產(chǎn)生中斷。該中斷觸發(fā)外圍電路自主產(chǎn)生硬件秒脈沖信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)校時(shí)。由于該方法為純硬件的觸發(fā)控制環(huán)節(jié)，在不考慮衛(wèi)星平臺(tái)發(fā)送星時(shí)數(shù)據(jù)隨機(jī)誤差的情況下，其誤差僅取決于硬件的延時(shí)誤差，通過(guò)標(biāo)定可達(dá)到與整星提供秒脈沖相同的校時(shí)精度，而大大優(yōu)于不采用校時(shí)的情況。此外，該成果通過(guò)對(duì)觸發(fā)電路外圍進(jìn)行配置，可以實(shí)現(xiàn)任意脈寬及方向的秒脈沖信號(hào)輸出，可滿足不同型號(hào)對(duì)不同類型秒脈沖信號(hào)的需求，具有很大的靈活性及廣泛的適用性。

遙感相機(jī)；1553B總線；星時(shí)；硬件秒脈沖

圖1 傳統(tǒng)校時(shí)過(guò)程數(shù)據(jù)流向示意圖Fig.1 The data flow diagram of traditional synchronization process

0 引言

在以1553B總線作為星載總線的衛(wèi)星平臺(tái)上，遙感相機(jī)大多采用硬件秒脈沖校時(shí)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間同步，即衛(wèi)星平臺(tái)的導(dǎo)航接收機(jī)鎖定導(dǎo)航信號(hào)的同時(shí)，產(chǎn)生嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的秒脈沖信號(hào)和絕對(duì)時(shí)間信息。秒脈沖信號(hào)為遙感相機(jī)提供精確的校準(zhǔn)時(shí)刻，絕對(duì)時(shí)間信息為遙感相機(jī)提供嚴(yán)格的維護(hù)信息[1]。遙感相機(jī)視頻單元以秒脈沖信號(hào)作為觸發(fā)啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)視頻單元接收到在內(nèi)部經(jīng)過(guò)一系列處理而累加了較大延時(shí)的絕對(duì)時(shí)間時(shí)，以內(nèi)部計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)對(duì)絕對(duì)時(shí)間進(jìn)行校時(shí)，從而得到高精度的與星時(shí)相符的本地時(shí)間[2]。傳統(tǒng)校時(shí)方法數(shù)據(jù)流如圖1所示。該方法的校時(shí)精度僅由遙感相機(jī)視頻單元內(nèi)部計(jì)時(shí)器的時(shí)間分辨率決定。

目前，遙感相機(jī)圖像幀頻最大為500Hz，為保證圖像精度，方便圖像處理，本地時(shí)間的校時(shí)精度必須小于2ms。而在圖1中，絕對(duì)時(shí)間信息傳輸鏈路具有較大的隨機(jī)延時(shí)，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，該鏈路的總延時(shí)約為40～50ms，其中，衛(wèi)星平臺(tái)的延時(shí)較小，約為0～1.5ms，而遙感相機(jī)分系統(tǒng)內(nèi)的延時(shí)約為38.5～48.5ms。

本設(shè)計(jì)在衛(wèi)星平臺(tái)不能提供硬件秒脈沖的情況下，采用軟硬件配合的方法，通過(guò)修改1553B協(xié)議芯片配置方式并配合部分新增電路，在相機(jī)分系統(tǒng)內(nèi)自主產(chǎn)生了與通過(guò)1553B總線傳輸?shù)慕^對(duì)時(shí)間嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的秒脈沖信號(hào)，然后利用該秒脈沖信號(hào)對(duì)累加了內(nèi)部處理延時(shí)及傳輸延時(shí)的絕對(duì)時(shí)間進(jìn)行校時(shí)，以較小的代價(jià)解決了校時(shí)精度問(wèn)題。該方法可完全校正絕對(duì)時(shí)間信息在遙感相機(jī)分系統(tǒng)內(nèi)處理及傳輸?shù)难訒r(shí)，校正后本地時(shí)間的準(zhǔn)確度僅由衛(wèi)星平臺(tái)延時(shí)決定，即小于1.5ms，可滿足目前所有遙感相機(jī)對(duì)校時(shí)精度的要求。

1 傳輸及處理延時(shí)分析

絕對(duì)時(shí)間信息在遙感相機(jī)分系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)及數(shù)據(jù)處理過(guò)程如圖2所示。圖2中共包含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程和A、B、C、D、E五個(gè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程。下面分別對(duì)各數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)及數(shù)據(jù)處理過(guò)程的延時(shí)情況進(jìn)行分析。

圖2 絕對(duì)時(shí)間信息在遙感相機(jī)分系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)流向示意圖Fig.2 The data flow diagram of absolute time in branch system of remote sensing camera

過(guò)程Ⅰ：該過(guò)程上傳輸?shù)男畔⑿问綖榇新鼜厮固卮a。該信息的發(fā)送開始時(shí)刻由衛(wèi)星平臺(tái)控制，為每秒一次的固定周期信號(hào)。在絕對(duì)時(shí)間信息的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度確定時(shí)，其傳輸延時(shí)為系統(tǒng)延時(shí)，不存在隨機(jī)延時(shí)。

過(guò)程A：該過(guò)程接收1553B總線上的串行曼徹斯特碼，在芯片內(nèi)部完成串并轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，然后根據(jù)配置的不同，生成中斷信號(hào)，或者將狀態(tài)寄存器置位。此過(guò)程延時(shí)由芯片內(nèi)部硬件電路決定，為系統(tǒng)延時(shí)[3]，可以通過(guò)測(cè)試得到，不存在隨機(jī)延時(shí)。

過(guò)程Ⅱ：該過(guò)程上傳輸?shù)男畔⑿问綖槲醇犹幚淼牟⑿袛?shù)據(jù)。該信息的發(fā)送開始時(shí)刻由管理單元的單片機(jī)決定。當(dāng)該單片機(jī)把1553B接口芯片配置成中斷模式且把該中斷設(shè)為最高優(yōu)先級(jí)中斷時(shí)，只要1553B接口芯片生成中斷，單片機(jī)立即讀取該數(shù)據(jù)，此過(guò)程不存在等待過(guò)程，延時(shí)為系統(tǒng)延時(shí)，可通過(guò)計(jì)算得出，不存在隨機(jī)誤差；當(dāng)單片機(jī)把1553B接口芯片配置成中斷模式但未把該中斷設(shè)為最高優(yōu)先級(jí)中斷時(shí)，如果1553B消息結(jié)束中斷到來(lái)時(shí)，單片機(jī)程序運(yùn)行在更高級(jí)別中斷程序上，則讀取過(guò)程存在等待時(shí)間且等待時(shí)間未知，除系統(tǒng)延時(shí)外，還存在隨機(jī)延時(shí)；當(dāng)單片機(jī)把1553B接口芯片配置成查詢模式時(shí)，單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)的時(shí)刻未知，除系統(tǒng)延時(shí)外，必然存在隨機(jī)延時(shí)。上述狀態(tài)總結(jié)為：受管理單元軟件設(shè)置及軟件當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)影響，該過(guò)程傳輸延時(shí)除系統(tǒng)延時(shí)外，可能存在隨機(jī)延時(shí)。

過(guò)程B：?jiǎn)纹瑱C(jī)把讀取的并行數(shù)據(jù)組包，為上述信息添加包頭、校驗(yàn)字等信息，然后把組包后的數(shù)據(jù)按內(nèi)部總線通信時(shí)序的要求以并行數(shù)據(jù)的形式發(fā)送出去。如果上述過(guò)程是在最高優(yōu)先級(jí)的中斷中完成，則程序運(yùn)行過(guò)程不會(huì)被打斷，延時(shí)為系統(tǒng)延時(shí)，不存在隨機(jī)延時(shí)；如果在較低優(yōu)先級(jí)的中斷或主程序中完成，該延時(shí)將受到程序當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)影響，除系統(tǒng)延時(shí)外，還存在隨機(jī)延時(shí)。

過(guò)程Ⅲ：該過(guò)程上傳輸?shù)男畔⑿问綖榻M包后的并行數(shù)據(jù)。該信息的發(fā)送開始時(shí)刻由過(guò)程B的單片機(jī)決定。其傳輸延時(shí)固定，不存在隨機(jī)延時(shí)。

過(guò)程C：該過(guò)程把組包后的并行數(shù)據(jù)鎖存后進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，并把串行化的數(shù)據(jù)以差分的形式按內(nèi)部通信波特率的要求發(fā)送。該過(guò)程由硬件電路完成，延時(shí)為系統(tǒng)延時(shí)，不存在隨機(jī)延時(shí)。

過(guò)程Ⅳ：該過(guò)程上傳輸?shù)男畔⑿问綖椴罘中盘?hào)，該信息的發(fā)送開始時(shí)刻由過(guò)程B的單片機(jī)控制，延時(shí)為系統(tǒng)延時(shí)，不存在隨機(jī)延時(shí)。

過(guò)程D：該過(guò)程把接收到的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)并完成串并轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以中斷的形式通知視頻單元CPU讀取。此過(guò)程延時(shí)由硬件完成，為系統(tǒng)延時(shí)，不存在隨機(jī)延時(shí)。

過(guò)程Ⅴ：該過(guò)程上傳輸?shù)男畔⑿问綖榻M包后的并行數(shù)據(jù)。該信息的發(fā)送開始時(shí)刻由視頻單元CPU決定。與過(guò)程Ⅱ同理，該過(guò)程的延時(shí)由視頻單元軟件的中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置及軟件當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)決定，除系統(tǒng)延時(shí)外，可能存在隨機(jī)延時(shí)。

過(guò)程E：該過(guò)程把接收到的并行數(shù)據(jù)進(jìn)行符合性校驗(yàn)、解包，把數(shù)據(jù)恢復(fù)成絕對(duì)時(shí)間信息。此過(guò)程由視頻單元軟件的中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置及軟件當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)決定，除系統(tǒng)延時(shí)外，可能存在隨機(jī)延時(shí)。

各傳輸過(guò)程及處理過(guò)程的延時(shí)情況如表1所示。

表1 遙感相機(jī)分系統(tǒng)內(nèi)各傳輸過(guò)程及處理過(guò)程延時(shí)情況表

2 設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

2.1 設(shè)計(jì)方案

通過(guò)上述分析可知，在不同的軟件設(shè)置及軟件運(yùn)行狀態(tài)下，過(guò)程Ⅱ、過(guò)程B、過(guò)程Ⅴ和過(guò)程E可能存在隨機(jī)延時(shí)。為消除此隨機(jī)延時(shí)，必須更改遙感相機(jī)分系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)。

視頻單元的運(yùn)算量巨大、對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，如果通過(guò)軟件校準(zhǔn)的方法，視頻單元軟件修改難度較大，而且標(biāo)定過(guò)程較繁瑣。本設(shè)計(jì)在管理單元內(nèi)，通過(guò)修改部分軟件，新增部分硬件，自主產(chǎn)生了與總線絕對(duì)時(shí)間嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的秒脈沖信號(hào)，使后續(xù)校時(shí)問(wèn)題回歸傳統(tǒng)方法。與傳統(tǒng)校時(shí)方法相比，該方法只需要修改管理單元部分軟硬件，不需要修改視頻單元，代價(jià)較小。

設(shè)計(jì)方案及原理如圖3所示，圖3相比圖2，增加了1、2、3、4四個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程和a、b、c三個(gè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程，其中，秒脈沖自主產(chǎn)生電路為新設(shè)計(jì)電路。

圖3 設(shè)計(jì)方案及原理示意圖Fig.3 The diagram of design and principle

方案機(jī)理如下：

1)在管理單元軟件初始化時(shí)，把1553B接口芯片配置成只有接收到1553B絕對(duì)時(shí)間消息時(shí)產(chǎn)生消息結(jié)束中斷，其余所有類型消息都不產(chǎn)生中斷的模式[4]，1553B接口的其他消息由管理單元采用查詢的方式訪問(wèn)。

2)當(dāng)1553B接口芯片接收到一個(gè)1553B總線星時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，即由該芯片產(chǎn)生一個(gè)消息結(jié)束中斷。該中斷信號(hào)為脈寬為500ns的負(fù)秒沖。

3)該中斷作為秒脈沖自主產(chǎn)生電路的觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)調(diào)整電路參數(shù)，產(chǎn)生符合脈沖寬度及方向要求的秒脈沖信號(hào)。

4)該信號(hào)經(jīng)秒脈沖接口電路發(fā)送給視頻單元，作為校時(shí)脈沖對(duì)絕對(duì)時(shí)間進(jìn)行校時(shí)。

通過(guò)第1節(jié)分析可知，1553B接口芯片接收總線數(shù)據(jù)、完成轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)并生成中斷信號(hào)的處理延時(shí)為系統(tǒng)延時(shí)。秒脈沖傳輸?shù)倪^(guò)程，即圖3中1-a-2-b-3-c-4-E的過(guò)程全部由硬件電路完成，其中不存在軟件的干預(yù)，所以鏈路上的傳輸延時(shí)為系統(tǒng)延時(shí)，不存在隨機(jī)延時(shí)。通過(guò)標(biāo)定，可以在視頻單元CPU上得到與管理單元1553B接口芯片上完全同步的秒脈沖信號(hào)。

校時(shí)過(guò)程為：利用秒脈沖信號(hào)的上升沿或下降沿啟動(dòng)狀態(tài)E的內(nèi)部計(jì)時(shí)器，當(dāng)狀態(tài)E收到內(nèi)部總線接口發(fā)送的絕對(duì)時(shí)間信息時(shí)，在收到的時(shí)間數(shù)據(jù)上疊加內(nèi)部計(jì)時(shí)器的當(dāng)前記時(shí)，作為相機(jī)當(dāng)前的本地時(shí)間。由于狀態(tài)E接收的秒脈沖信號(hào)和絕對(duì)時(shí)間信息是相對(duì)同步的，所以不論絕對(duì)時(shí)間信息的延時(shí)多大，校正后的本地時(shí)間與絕對(duì)時(shí)間都是同步的。兩者的誤差只由狀態(tài)E內(nèi)部計(jì)時(shí)器的時(shí)間分辨率決定。

2.2 秒脈沖自主產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

秒脈沖自主產(chǎn)生電路以單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為核心，以1553B接口芯片的中斷信號(hào)作為輸入脈沖，通過(guò)調(diào)節(jié)電路參數(shù)，可在互為反相的兩個(gè)輸出管腳上獲得任意寬度及方向的脈沖信號(hào)，其電路原理如圖4所示。

圖4 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路原理圖Fig.4 The diagram of the principle of monostable trigger circuit

圖4中，CLR信號(hào)設(shè)置為“0”，輸入信號(hào)A接在1553B接口芯片的中斷管腳上，輸入信號(hào)B設(shè)置為“0”。通過(guò)調(diào)節(jié)配置管腳REXT和CEXT腳上的阻容值，可在輸出管腳上獲得任意寬度的脈沖信號(hào)。當(dāng)R1>10kΩ并且C1>10nF時(shí)，脈沖寬度TW與電阻R1和電容C1的關(guān)系為[5]

TW≈0.45×R1×C1

(1)

通過(guò)選擇焊接電阻R3或者是R4，可以獲得任意方向的脈沖信號(hào)。由于1553B接口芯片輸出的中斷信號(hào)為脈寬為500ns的負(fù)秒沖，如果期望脈沖為正脈沖，則選擇焊接電阻R4且不焊接電阻R3；如果期望脈沖為負(fù)脈沖，則選擇焊接電阻R3且不焊接電阻R4。

2.3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

如果利用秒脈沖的上升沿啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，通過(guò)焊接電阻R4且不焊接電阻R3，取R1阻值為10kΩ，C1容值為10nF時(shí)，得到的系統(tǒng)延時(shí)測(cè)量典型波形如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)延時(shí)測(cè)量典型波形圖Fig.5 The typical waveform of the measurement of system delay

圖5中，C1通道為管理單元1553B總線上接收到的總線絕對(duì)時(shí)間，C2通道為視頻單元接收到的秒脈沖信號(hào)，C3通道為管理單元1553B接口芯片輸出的中斷信號(hào)。從大量測(cè)試數(shù)據(jù)得出，本設(shè)計(jì)得到的秒脈沖信號(hào)系統(tǒng)延時(shí)為6.89μs，需要在標(biāo)定中扣除。

當(dāng)衛(wèi)星平臺(tái)提供的絕對(duì)時(shí)間信息誤差在0～1.5ms范圍內(nèi)時(shí)，本設(shè)計(jì)得到的秒脈沖測(cè)量典型波形如圖6所示。通過(guò)大量測(cè)試數(shù)據(jù)分析，該設(shè)計(jì)秒脈沖信號(hào)相對(duì)絕對(duì)時(shí)間的誤差范圍為0～1.5ms，與衛(wèi)星平臺(tái)的絕對(duì)時(shí)間信息誤差一致，即本設(shè)計(jì)本身不引入隨機(jī)誤差。

圖6 秒脈沖測(cè)量典型波形圖Fig.6 The typical waveform of the measurement of pulse per second

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用總線觸發(fā)同步響應(yīng)的方式，解決了相機(jī)分系統(tǒng)在整星不能提供秒脈沖信號(hào)的情況下系統(tǒng)校時(shí)精度低的問(wèn)題，提升了相機(jī)分系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的適應(yīng)性。

本設(shè)計(jì)可以作為整星秒脈沖的冗余設(shè)計(jì)，以提高遙感相機(jī)分系統(tǒng)的可靠性。

本設(shè)計(jì)思路還可以應(yīng)用于其他從總線數(shù)據(jù)解析、對(duì)精度要求較高、對(duì)電平或脈沖敏感的控制信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程，具有廣泛的適用性。

[1] 田賀祥,王同桓,李璇，等.遙感衛(wèi)星星上時(shí)間管理方法[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(4):80-82.

[2] 江澄,何紅艷.色散推掃型高光譜數(shù)據(jù)系統(tǒng)殘余誤差校正[J].航天返回與遙感, 2014,35(6):91-98.

[3] Data device corporation, Mil-sed-1553A/B notice 2 RT and BC/RT/MT, Advanced communication engine[EB/OL]. http://www.ddc-web.com.

[4] GJB 289A-1997數(shù)字式時(shí)分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線[S].

[5] Stmicroelectronics group of companies, Rad-hard dual retriggerable monostable multivibrato[EB/OL].http://www.st.com.

The Method to Precisely Produce Hardware Pulse Per Second Based on the Satellite Time of 1553B Data Bus

LI Xiao-qing, WANG Yan, LI Kun

(Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China)

The major point of this method is to apply the process of satellite time, and use hardware pulse per second produced by 1553B peripheral circuit which is controlled by single chip micyoco to achieve synchronization in case the satellite platform cannot provide hardware pulse per second. Since this method only involves hardware trigger and control, errors are all about delays caused by hardware, without considering accidental errors of satellite time transmitted by satellite platform. Through calibration, this method achieves synchronization as precise as that of the pulse per second provided by satellite platform, which is much better than the method that cannot realize synchronization. In addition, this method achieved outputting pulse per second in any width and any direction by arranging peripheral trigger circuit, and can also meet the needs of different models for different types of pulse per second, which is flexible and has wide application.

Remote sensing camera; 1553B data bus; Satellite time; Hardware pulse per second

10.19306/j.cnki.2095-8110.2016.04.012

2016-02-02；

2016-03-18。

李孝慶(1984-)，男，碩士，工程師，主要從事遙感器電子學(xué)設(shè)計(jì)工作。E-mail：lixiaoqing1984@yeah.net

V443

A

2095-8110(2016)04-0065-05