劉明波,陳 琳,趙乾宏,李生平

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

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基于Arduino的便攜式IRIG-B(DC)信號監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉明波,陳 琳,趙乾宏,李生平

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

為了提高對時間統(tǒng)一系統(tǒng)IRIG-B碼信號的監(jiān)測效率，需要一套自動監(jiān)測系統(tǒng)；本文結(jié)合某型號時間統(tǒng)一系統(tǒng)，針對該時統(tǒng)設(shè)備輸出的通用IRIG-B(DC)格式時間碼，介紹了一種基于Arduino的便攜式IRIG-B(DC)信號監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計過程，給出了以開放源代碼硬件項目平臺Arduino為核心構(gòu)建的“輸入控制+邏輯處理+數(shù)據(jù)處理+數(shù)據(jù)交互+數(shù)據(jù)存儲+網(wǎng)絡(luò)傳輸+實時顯示”的系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)；利用Arduino內(nèi)高度集成的AVR二次編譯封裝庫，將復雜的邏輯控制和數(shù)據(jù)處理等底層的指令封裝成簡單實用的函數(shù)調(diào)用，完成了整個系統(tǒng)的任務調(diào)度和管理，實現(xiàn)了對時間統(tǒng)一系統(tǒng)IRIG-B(DC)信號的波形采集、數(shù)據(jù)分析、時間解調(diào)、狀態(tài)監(jiān)視、實時顯示以及數(shù)據(jù)存儲等功能；測試結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計簡潔，工作穩(wěn)定可靠，設(shè)計指標滿足功能需求。

Arduino；IRIG-B(DC)；SD；實時顯示；網(wǎng)絡(luò)

0 引言

靶場時間統(tǒng)一系統(tǒng)是整個靶場協(xié)同工作的時間標準，各種測量設(shè)備都要接收時統(tǒng)信號，使自己的測量數(shù)據(jù)能夠與其他設(shè)備“同步”起來，因此，時統(tǒng)信號的傳輸質(zhì)量和傳輸狀態(tài)是完成測量任務的關(guān)鍵[1]。目前，時統(tǒng)設(shè)備輸出信號的狀態(tài)監(jiān)視主要是采用人員目視檢查的方式，存在人員疏漏導致故障現(xiàn)象“轉(zhuǎn)瞬即逝”而不能及早發(fā)現(xiàn)并處理的隱患，在設(shè)備的日常維護、指標測試以及應急處置過程中，人員都是依靠目視檢查示波器觀察波形或查看用戶終端解調(diào)時間的方式進行，無法對信號傳輸?shù)恼_性和連續(xù)性進行實時檢查，特別是在故障應急處置過程中，采用觀察波形和目視檢查的方式不能快速高效的定位故障。

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，從PC時代過渡到了以個人數(shù)字助理、手持個人電腦和信息家電為代表的3C(計算機、通信、消費電子)一體的后PC時代。后PC時代里，便攜式系統(tǒng)扮演了越來越重要的角色，被廣泛應用于設(shè)備監(jiān)視、信息電器、移動計算機設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、工控仿真等領(lǐng)域。單片機技術(shù)以其低功耗、低電壓、低價格以及多功能、高性能等突出優(yōu)點，為便攜式系統(tǒng)設(shè)計提供了強大的硬件支持。但是，單片機設(shè)計中各種復雜的寄存器操作也讓很多的便攜式系統(tǒng)設(shè)計者們望而生畏——要完成某項功能需要耗費大量的時間去熟悉單片機的底層。Arduino的出現(xiàn)徹底改變了這一局面，它將單片機中各種寄存器封裝起來，并提供了易用的接口、極其簡潔的界面、C語言編程方式、強大的第三方函數(shù)庫支持[2]，逐漸成為便攜式系統(tǒng)設(shè)計的中堅力量。

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)采用Arduino完成輸入信號的采集，包括模擬波形的采集和數(shù)字脈沖的采集，由內(nèi)置于Arduino硬件平臺上的脈寬測量模塊完成IRIG-B信號解調(diào)、AD轉(zhuǎn)換模塊完成模擬波形的模數(shù)轉(zhuǎn)換、液晶顯示驅(qū)動模塊完成波形和解調(diào)時間的實時顯示、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊完成遠程信息傳輸、SD控制模塊完成異常數(shù)據(jù)實時記錄、I2C傳輸模塊完成多個Arduino板卡間的數(shù)據(jù)同步。由于系統(tǒng)設(shè)計中AD轉(zhuǎn)換、信號解調(diào)和實時顯示等功能模塊對實時性要求較高，因此，系統(tǒng)設(shè)計中采用3個Arduino板卡，分別完成IRIG-B信號波形采集和實時顯示、IRIG-B時間解調(diào)和實時顯示、遠程網(wǎng)絡(luò)傳輸和SD卡數(shù)據(jù)存儲等功能。整個系統(tǒng)相當于一個IRIG-B信號監(jiān)視服務器，系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計模型

靶場時間統(tǒng)一系統(tǒng)一般采用IRIG-B碼進行時間信息的傳輸，考慮到信號傳輸距離和傳輸質(zhì)量，常采用RS422電平標準，而Arduino只能接收TTL電平標準。因此，將IRIG-B碼信號接入Arduino之前要進行電平轉(zhuǎn)換，將RS422電平轉(zhuǎn)換為TTL電平。圖1中，Arduino_1完成IRIG-B信號波形采集和實時顯示，Arduino_3完成IRIG-B信號解調(diào)、實時顯示和異常報警，同時，Arduino_1和Arduino_3將數(shù)據(jù)處理獲取的信號周期、幅值、解調(diào)時間等信息通過I2C協(xié)議送給Arduino_2，由Arduino_2匯總后進行分析，當出現(xiàn)異常時將異常信息及時記錄在外置SD卡上，提供后續(xù)故障排查的依據(jù)，同時通過網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊送給遠程監(jiān)控微機，監(jiān)控微機根據(jù)獲取到的數(shù)據(jù)信息判斷時統(tǒng)信號狀態(tài)。

整個系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。其中，系統(tǒng)硬件部分由電平轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、實時顯示模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)記錄模塊組成。電平轉(zhuǎn)換模塊完成輸入信號的電平轉(zhuǎn)換，使時統(tǒng)IRIG-B信號的電平標準能夠適應Arduino輸入電平標準；數(shù)據(jù)采集處理模塊由三塊Arduino板卡協(xié)調(diào)實現(xiàn)，主要完成IRIG-B信號波形的模數(shù)轉(zhuǎn)換、波形參數(shù)提取、時間解調(diào)以及數(shù)據(jù)分析等功能；實時顯示模塊由兩塊Arduino板卡控制LCD12864和LCD1602兩個液晶屏實現(xiàn)，主要完成信號波形、波形參數(shù)、解調(diào)時間和信號狀態(tài)等參數(shù)的實時顯示；網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)記錄模塊由一塊Arduino板卡控制網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊實現(xiàn)，完成相關(guān)參數(shù)和報警信息的實時傳輸和實時記錄功能。以上模塊的主要功能均由Arduino平臺輔以必要的外圍器件完成，通過軟件編程完成，大大簡化了設(shè)計工作。

本設(shè)計的關(guān)鍵是如何在基于AVR指令集的Arduino平臺上利用高度集成的底層驅(qū)動函數(shù)庫完成各類邏輯控制和數(shù)據(jù)處理工作，實現(xiàn)對靶場時統(tǒng)信號的實時狀態(tài)監(jiān)視和異常報警功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件設(shè)計工作主要包括兩個方面的內(nèi)容：硬件平臺的搭建和硬件功能的實現(xiàn)。

2.1 硬件平臺的搭建

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，系統(tǒng)主要實現(xiàn)IRIG-B信號監(jiān)視服務器的功能，進行信號采集分析、實時顯示、實時記錄和實時網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙ぷ?。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)圖

圖2中，由于IRIG-B信號為RS422電平，需要兩根線纜進行傳輸，因此，SMA接口內(nèi)芯和表皮分別傳輸RS422+和RS422-兩個信號，由電平轉(zhuǎn)換芯片完成轉(zhuǎn)換后，分別送給兩個Arduino模塊；LCD12864和LCD1602完成信號波形、解調(diào)時間以及特征參數(shù)、告警信息的實時顯示；以太網(wǎng)接口和以太網(wǎng)控制器建立網(wǎng)絡(luò)客戶監(jiān)視微機與Arduino Pro mini間的數(shù)據(jù)傳輸鏈路。

為了滿足不同應用領(lǐng)域的要求，Arduino設(shè)計了多款不同型號的電路板，如UNO、Leonardo、Pro Mini、Duemilanove、Nano、BT、Fio等[3]。根據(jù)設(shè)計需求，本系統(tǒng)設(shè)計中信號采集和時間解調(diào)模塊選擇了Arduino Pro Mini。與其他型號電路板相比，Arduino Pro Mini具有較高的性價比，該型號電路板采用16 MHz晶振，AD采樣頻率最高可達1MHz，具有14個數(shù)字I/O口、6個模擬I/O口，具有2路外部中斷，提供串行、SPI及I2C等多類低速通信協(xié)議[4]。同時，Arduino Pro Mini體積很小，約為3.3 cm×1.7 cm，只有郵票大小，特別適合用于便攜式系統(tǒng)的設(shè)計。

系統(tǒng)采用以太網(wǎng)的接入方式，因此必須實現(xiàn)IEEE802.3標準。其實現(xiàn)通常采用兩種方案來執(zhí)行該標準：可編程邏輯器件實現(xiàn)和專用接口模塊實現(xiàn)。由于IEEE802.3標準的實現(xiàn)非常復雜，本系統(tǒng)設(shè)計中采用專用接口模塊實現(xiàn)，設(shè)計者可以不用理會網(wǎng)絡(luò)端接口部分，只需編程實現(xiàn)本地端的邏輯控制即可，用戶可以將精力集中到應用設(shè)計，而不是調(diào)試復雜煩瑣的IEEE802.3標準協(xié)議，明顯縮短開發(fā)周期，提高設(shè)計可靠性。目前常用的Arduino網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸解決方案主要有兩種：ENC28J60和W5100?？紤]到設(shè)計的復雜度和系統(tǒng)工作的可靠性，系統(tǒng)設(shè)計中采用Arduino官方推薦的“Android UNO+ Arduino專用網(wǎng)絡(luò)擴展模塊W5100”實現(xiàn)，設(shè)計簡單，工作穩(wěn)定。同時，該模塊提供了SD卡數(shù)據(jù)存取功能，系統(tǒng)設(shè)計中要求的異常數(shù)據(jù)存儲功能也是基于此模塊實現(xiàn)的。

IRIG-B信號實時波形和解調(diào)時間的顯示采用成熟的LCD技術(shù)實現(xiàn)。LCD是一種功耗很低的顯示設(shè)備，以其優(yōu)越的性能和寬泛的工作條件，被廣泛應用于數(shù)據(jù)顯示領(lǐng)域[5]?？紤]到便攜式設(shè)計對系統(tǒng)體積的要求，分別采用LCD12864和LCD1602兩種不同尺寸的點陣液晶顯示模塊，既能夠較清晰全面的完成所需信息的顯示，又能夠盡量的減少自身體積。LCD12864中前100列顯示IRIG-B信號實時波形，后28列顯示波形的頻率、幅值以及按鈕調(diào)節(jié)參數(shù)等信息；LCD1602的第一行顯示IRIG-B信號實時解調(diào)時間，第二行顯示解調(diào)時間走時錯誤次數(shù)。根據(jù)兩個液晶顯示模塊顯示的信息，使用人員可以大致的了解當前以及前一段時間內(nèi)靶場時統(tǒng)設(shè)備IRIG-B輸出信號質(zhì)量，當發(fā)現(xiàn)異常情況時，可以查閱SD卡中存儲數(shù)據(jù)查詢詳細信息。

2.2 硬件功能實現(xiàn)

在硬件平臺搭建完成的基礎(chǔ)上，硬件功能的實現(xiàn)主要通過編寫Arduino內(nèi)部的配置程序來完成。主要包括IRIG-B波形信號采集與特征參數(shù)提取、IRIG-B信號實時解調(diào)與走時狀態(tài)分析、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸以及Arduino板間通信的實現(xiàn)。

2.2.1 IRIG-B波形信號采集與特征參數(shù)提取

信號采集模塊的實現(xiàn)主要有兩種方式：(1)專用ADC芯片+Arduino;(2)利用Arduino內(nèi)部的ADC模塊進行轉(zhuǎn)換。第一種方式設(shè)計靈活，但是實現(xiàn)電路較復雜，能夠?qū)崿F(xiàn)較高采樣率和采樣位數(shù)的數(shù)模轉(zhuǎn)換；第二種方式結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，但是采樣率和采樣位數(shù)都較小，適用于對采樣要求較低的場合。IRIG-B信號可以近似看做為頻率為100 Hz的脈沖信號，而Arduino內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換模塊的最高采樣速率為1 MHz，采樣位數(shù)為10位，完全能夠滿足要求。因此，本系統(tǒng)設(shè)計利用Arduino內(nèi)部集成的AD轉(zhuǎn)換模塊完成IRIG-B波形信號的采集，使用時只需要將信號接入Arduino的模擬輸入端即可。

通過理論分析我們知道，由于顯示模塊為LCD12864，橫軸最多顯示數(shù)據(jù)點數(shù)為128個，因此，在進行信號采集時，每個采樣周期只需采集128個點，并根據(jù)其冒泡算法獲取128個數(shù)據(jù)點中的最大值和最小值，從而計算出Vpp值；根據(jù)兩次過零點間的時間間隔計算周期值。在實際程序設(shè)計過程中，考慮到信號的同步觸發(fā)功能，一個周期內(nèi)采集192個點，從192個點中找出共同的起始點后，只顯示其中的128個點即可。

2.2.2 IRIG-B信號實時解調(diào)與走時狀態(tài)分析

如前所述，IRIG-B碼是每秒一幀的時間串碼，每個碼元寬度為10 ms，一個時幀周期包括100個碼元，為脈寬編碼。碼元的“準時”參考點是其脈沖前沿，時幀的參考標志由一個位置識別標志和相鄰的參考碼元組成，其寬度為8 ms；每10個碼元有一個位置識別標志：P1,P2,P3…P9,P0,它們均為8 ms時寬；PR為幀參考點；二進制“1”和“0”的脈沖時寬分別為5 ms和2 ms[6]。IRIG-B碼幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 IRIG—B(DC)時間碼格式

一個時間格式幀從幀參考標志開始，因此連續(xù)兩個8 ms寬脈沖表明秒的開始，幀開始之后的38個碼元(不包含位置識別標志)為有效數(shù)據(jù)，天、時、分、秒信息位于其中的30個碼元，其中，天的百位位于36至37碼元，天的十位位于32至35碼元，天的個位位于27至30碼元，時的十位位于23至24碼元，時的個位位于18至21碼元，分的十位位于14至16碼元，分的個位位于9至12碼元，秒的十位位于6至8碼元，秒的個位位于1至4碼元。因此，在進行時間解調(diào)的過程中，首先檢測2個8 ms脈沖，然后根據(jù)時間信息中天、時、分、秒所在的碼元序號，依次解調(diào)出相應的信息，并按照一定的格式將百位、十位、個位信息進行整合計算，得到完整的時間信息。

由于B碼信號是以脈沖的時間寬度來代表二進制‘0’、‘1’和標志位的，所以無論采取何種技術(shù)體制，其關(guān)鍵點都在于碼元時寬的正確識別。Arduino提供了專門用于讀取指定引腳脈沖寬度的函數(shù)，可以精確(精確到1 us)獲取到脈沖高/低電平的持續(xù)時間，并根據(jù)時間信息的碼元分布規(guī)律依次解調(diào)出天、時、分、秒信息，解調(diào)流程如圖4所示。

圖4 IRIG-B信號時間解調(diào)流程

圖4中，脈寬檢測是采用Arduino內(nèi)置的脈寬計數(shù)函數(shù)PulseIn()進行的，計數(shù)值為輸入脈沖的高電平持續(xù)時間，單位為微秒(us)，當計數(shù)值大于7 000小于9 000時，判定為8 ms碼元，當計數(shù)值大于1 000小于3 000時，判定為2 ms碼元，當計數(shù)值大于4 000小于6 000時，判定為5 ms脈寬。之所以將脈寬判定門限設(shè)定為“標準值±1 000”，主要是為了防止輸入IRIG-B信號由于受到干擾等原因?qū)е麓a元偶發(fā)變形而無法正確解調(diào)現(xiàn)象的發(fā)生，該門限可以根據(jù)使用條件進行相應的調(diào)整。當檢測到連續(xù)兩個碼元為8 ms脈寬時，系統(tǒng)置位幀起始標志，后續(xù)根據(jù)碼元序號值依次判定對應時間位的脈寬為5 ms或2 ms，并置位或復位對應的時間位，判定過程中將直接忽略8 ms脈寬的位置識別標志。當識別出足夠的時間信息后(碼元序號>39)，系統(tǒng)將鎖存該時間信息，送給實時顯示模塊和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，并復位相應的標志位，進行下一幀數(shù)據(jù)的識別判定工作。

同時，在完成一幀數(shù)據(jù)的解調(diào)后，系統(tǒng)將當前幀的解調(diào)時間與上一幀解調(diào)時間進行比對，若不連續(xù)則置位報警標志位，送實時顯示模塊和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，并在本地進行聲光報警。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸功能的實現(xiàn)是由Arduino UNO模塊與以太網(wǎng)擴展板W5100協(xié)調(diào)完成的。Arduino Ethernet W5100 以太網(wǎng)擴展板上的W5100 是一款多功能的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片，內(nèi)部集成有 10/100 Mbps 以太網(wǎng)控制器，包含TCP/UDP的網(wǎng)絡(luò)(IP)協(xié)議棧，可以實現(xiàn)沒有操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接，它和Arduino UNO采用SPI的方式通信[7]。

Arduino UNO利用捆綁在其內(nèi)部的Ethernet庫完成與以太網(wǎng)擴展板W5100的配置和協(xié)議傳輸工作。系統(tǒng)加電啟動時，Arduino 向W5100發(fā)送IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，控制W5100芯片完成寄存器的初始化，隨后W5100啟動Server服務，進入數(shù)據(jù)收發(fā)等待狀態(tài)。當接收到監(jiān)視微機發(fā)送的客戶端連接請求時，及時進行連接確認。當Arduino檢測到以太網(wǎng)擴展板的Server服務有客戶端連接時，通過SPI總線逐位將待發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌U展板W5100的數(shù)據(jù)發(fā)送緩存中，由W5100根據(jù)IEEE802.3標準，將緩存的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)幀信息進行MAC組幀，并發(fā)送出去。圖5為Arduino調(diào)度下的網(wǎng)絡(luò)傳輸任務處理流程。

圖5 網(wǎng)絡(luò)傳輸任務處理流程

另外，W5100以太網(wǎng)擴展板上集成有microSD卡槽，Arduino UNO可以利用內(nèi)置的SD庫進行SD卡文件的讀取和存儲操作。有一點需要說明的是，由于W5100芯片和SD卡都要通過SPI總線與Arduino UNO通信，而Arduino UNO板上的SPI引腳固定為11、12、13號引腳，10號引腳用于選通W5100芯片，4號引腳用于選通SD卡，因此同一時刻只能激活一個，在實際使用過程中交替選通10號和4號引腳，可以同時完成網(wǎng)絡(luò)傳輸和SD卡數(shù)據(jù)存儲功能。

2.2.4 Arduino板間通信

系統(tǒng)設(shè)計中，波形采集板Arduino Pro Mini要將信號波形特征參數(shù)傳送給遠程監(jiān)視微機，時間解調(diào)板要將解調(diào)時間信息和報警信息傳送給遠程監(jiān)視微機，因此，需要實現(xiàn)Arduino Pro Mini模塊和Arduino UNO模塊間的數(shù)據(jù)通信。

目前，串口協(xié)議、SPI、I2C以及自定義協(xié)議均可應用于板間低速數(shù)據(jù)傳輸。綜合分析Arduino模塊和各協(xié)議標準特點，選擇I2C作為Arduino板間通信標準。I2C在低速數(shù)據(jù)通信中具有明顯的優(yōu)點：只需要兩路信號接口，可以連接多個設(shè)備，并且數(shù)據(jù)發(fā)送接收的過程可以經(jīng)過確認，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽總鬏敚貏e適用于不需要發(fā)送大量數(shù)據(jù)的場合。本系統(tǒng)中，波形采集板向網(wǎng)絡(luò)控制板發(fā)送的特征參數(shù)主要包括峰峰值和周期值供16 bit數(shù)據(jù)，時間解調(diào)板向網(wǎng)絡(luò)控制板發(fā)送的時間信息和報警信息共32bit，發(fā)送頻率均為1 Hz，數(shù)據(jù)量很小，因此，使用I2C標準完全能夠滿足要求。

根據(jù)標準規(guī)定，I2C采用兩線制，由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL構(gòu)成，為同步傳輸總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸采用主從方式。為了控制方便，本系統(tǒng)設(shè)計中網(wǎng)絡(luò)控制板Arduino UNO作為主控制器，波形采集板Arduino Pro Mini和時間解調(diào)板Arduino Pro Mini作為被控制器，其電路連接關(guān)系如圖6所示。

圖6 Arduino板間通信電路連接關(guān)系

Arduino利用內(nèi)置Wire庫進行I2C數(shù)據(jù)傳輸。圖7中，Arduino UNO作為主機，連接兩個Arduino Pro Mini作為從機，并設(shè)置從機通信地址分別為0xAE和0xAF，為了防止數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生沖突，數(shù)據(jù)傳輸過程兩個從機模塊采用“一主一被”的方式進行，即時間解調(diào)模塊每隔1秒主動向主機發(fā)送一次時間信息和報警信息，而波形采集模塊則采用被動上報的方式，由主機每隔1秒發(fā)送一次數(shù)據(jù)查詢命令后才進行數(shù)據(jù)上報。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

應用軟件是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與顯示終端，運行于遠程監(jiān)視微機上，主要完成與服務器的網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)傳輸功能，方便用戶對靶場時統(tǒng)設(shè)備IRIG-B信號質(zhì)量和主要參數(shù)進行實時監(jiān)視，并提供異常告警功能。

軟件設(shè)計為工作于Microsoft Windows2000/XP操作系統(tǒng)的獨立應用程序，具有靈活的操作方式和友好的人機界面。采用NI公司的虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI，該軟件不僅具有友好、豐富的界面編輯方式，而且附加了各種軟件開發(fā)包，如數(shù)據(jù)庫軟件包、Internet軟件包、數(shù)據(jù)分析軟件包等，利用LabWindows/CVI開發(fā)監(jiān)測軟件可以獲得意想不到的方便，大大節(jié)省開發(fā)時間，增強了軟件的性能[8]。

本系統(tǒng)客戶端軟件設(shè)計使用LabWindows/CVI的TCP/IP開發(fā)包，在Arduino Server服務器啟動之后，通過IP地址和監(jiān)聽端口號與其進行網(wǎng)絡(luò)連接，完成設(shè)備的遠程監(jiān)控功能。該系統(tǒng)主要完成對某型號時間統(tǒng)一系統(tǒng)輸出IRIG-B(DC)信號主要參數(shù)的實時監(jiān)視和異常報警，并提供數(shù)據(jù)記錄功能。

4 系統(tǒng)測試與應用

系統(tǒng)主要完成靶場某型號時間統(tǒng)一系統(tǒng)輸出IRIG-B信號狀態(tài)的本地和遠程實時監(jiān)視功能，為了檢驗系統(tǒng)設(shè)計的可靠性，對其所實現(xiàn)的功能進行相應的測試。系統(tǒng)測試時的連接關(guān)系如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)測試連接關(guān)系圖

圖7中，系統(tǒng)采用SMA接口與靶場某型號時統(tǒng)設(shè)備相連，將輸出的IRIG-B(DC)信號送給終端設(shè)備時，經(jīng)過分線盒分出一路送給監(jiān)視系統(tǒng)；遠程監(jiān)測微機通過交換路由設(shè)備連接至監(jiān)視系統(tǒng)，系統(tǒng)運行過程中，LCD12864和LCD1602能夠正確顯示信號波形、波形參數(shù)以及解調(diào)時間和走時狀態(tài)等信息，遠程監(jiān)測微機能夠每隔1秒更新監(jiān)視參數(shù)。出現(xiàn)異常時，SD卡會及時存儲異?，F(xiàn)象，監(jiān)視系統(tǒng)本地和遠程監(jiān)測微機均通過聲光方式報警，提醒崗位人員及時處置。

超過6個月的測試表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，各項監(jiān)測顯示任務正常，滿足設(shè)計指標以及各項功能要求。需要指出的是，由于時間解調(diào)模塊是在幀起始位之后的第39個碼元將解調(diào)出的時間送給顯示模塊和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的，因此解調(diào)出的時間比時統(tǒng)設(shè)備送出的實際時間滯后約39×10 ms=390 ms,可以采取檢測到起始位時送加一秒解調(diào)時間的方式解決。由于本模塊主要用來監(jiān)視時統(tǒng)走時的連續(xù)性的，對該滯后時間可以接受。

5 結(jié)束語

本文介紹的便攜式IRIG-B(DC)信號監(jiān)視系統(tǒng)采用Arduino為核心進行設(shè)計，利用其內(nèi)嵌的多種成熟庫文件完成外圍器件的控制和內(nèi)部數(shù)據(jù)處理，增加了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性，同時也大大降低了系統(tǒng)開發(fā)的復雜度，實現(xiàn)了對靶場某型號時統(tǒng)設(shè)備輸出的IRIG-B信號的全方位監(jiān)視功能，在出現(xiàn)異常情況時及時通過多種方式實施報警，提高了設(shè)備監(jiān)視效率。在實際應用中，本設(shè)計方案可以根據(jù)不同的監(jiān)視信號類型，改變數(shù)據(jù)處理函數(shù)即可實現(xiàn)不同類型信號的監(jiān)視功能。本方案所實現(xiàn)的監(jiān)視系統(tǒng)具有成本低、可視化、與平臺無關(guān)等特點，可以廣泛應用在工業(yè)控制領(lǐng)域，有一定的工程實用價值。

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Design and Implement of Portable IRIG-B(DC) Signal Monitoring System Based on Arduino

Liu Mingbo, Chen Lin, Zhao Qianhong, Li Shengping

(China Satellite Maritime Tracking and Commanding Department, Jiangyin 214431,China)

In order to improve the monitoring efficiency of IRIG-B code signal, a set of automatic monitoring system is needed. Aimed at the general IRIG-B (DC) format time code output from a certain model timing system, this article introduces the design process of the portable IRIG-B(DC) signal monitoring system, and puts forward the system design frame centered with Arduino of “input control+ logical control+ data processing+ data interactive+ data storage+ net transferring+ real-time displaying”. The system using the technology of highly integrated AVR second compiling packaging library embedded in Arduino, which makes low-level instructors including complicated logical control and data processing be packaged in simple function callings. It accomplishes the function of IRIG-B(DC) signal’s real-time acquisition、analysis and time decoding、status monitoring and data storage. Tests show that system works stably and is designed simple, satisfies the requirement.

Arduino; IRIG-B(DC); SD, real-time display; net

2015-12-14；

2016-05-19。

劉明波(1984-)，男，河南蘭考人，碩士，工程師，主要從事高速數(shù)字信號處理與應用方向的研究。

1671-4598(2016)09-0113-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.031

TP271;TP216

A