基于FPGA的VPX时间统一系统设计-AET-电子技术应用

基于FPGA的VPX时间统一系统设计

2018年电子技术应用第1期

王振，李建宏，张大松，王肖楠，黄毅龙

华北计算机系统工程研究所，北京100083

摘要： IRIG-B时间码(B码)因其性能优越，实现和使用方法简单易行，被广泛应用于靶场时间信息传递和各系统的时间同步，成为时统设备首选的标准码型。但随着大规模集成电路和可编程技术的发展，以及靶场对时统设备的稳定性、精准性和集成度要求越来越高，原有的IRIG-B码时统设备已不能满足要求。为了解决这些问题，提出了一种基于FPGA的VPX时间统一系统设计方案。该方案具有可靠性高、集成度高、操作简单、功能拓展性强、体积小等优点, 并具有更广泛的实际应用价值。

关键词： 时统系统 FPGA IRIG-B码

中图分类号： TN911
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.172617
中文引用格式： 王振，李建宏，张大松，等. 基于FPGA的VPX时间统一系统设计[J].电子技术应用，2018，44(1)：65-67，71.
英文引用格式： Wang Zhen，Li Jianhong，Zhang Dasong，et al. VPX time unified system design based on FPGA[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(1)：65-67，71.

VPX time unified system design based on FPGA

Wang Zhen，Li Jianhong，Zhang Dasong，Wang Xiaonan，Huang Yilong

National Computer System Engineering Research Institute of China，Beijing 100083，China

Abstract： IRIG-B time code(B code) becomes the suitable standard code for time system equipment because of its superior capacity, simple implementation and easy deployment. IRIG-B code time system is used for time information transfer and time synchronization between different ranges in the shooting range system. However, with the development of large-scale integrated circuit and PLD，and with the enhancement of acquiring of integrability and programmability for timing equipment, conventional time unified system cannot meet the requirement. In order to solve those problems, we put forward a VPX time unified system design based on FPGA, which has the characters of high reliability and integrability, high operability and scalability, and small volume as well. In addition, the design implemented in this paper could support more applications.

Key words : time unified system；FPGA；IRIG-B code

0 引言

时间作为物理学的基本量纲之一，是系统运行的重要参考指标，而IRIG-B码作为国际标准时间码，其性能优越，实现和使用方法简单易行，十分适合应用于高精度时间传输系统中。

FGPA具有编程方便、集成度高、速度快等特性，可反复编程、擦除及使用，在不改动硬件设计的情况下，可实现不同的功能需求。采用FPGA实现授时、分频，产生时间信号和各种同步信号，可以使时统接口模块集成度更高，可维护性更强。

本文结合实际时统项目提出了一种基于FPGA的高速时间统一系统设计方案，它以Altera^[1]公司Cyclone系列FPGA^[2-3]芯片为核心，采用原理图和Verilog语言编程^[4]实现。通过接收GPS、北斗、B码等外部基准，并选择其中一路产生与其同步的IRIG-B码信号和各脉冲信号，供其他分系统使用。

1 系统总体设计

时统系统硬件包括时统卡(安装于服务器)和IRIG-B码终端^[6]。图1为时统系统设备组成图。

IRIG-B 码终端可以实现GPS卫星系统与北斗卫星系统的双系统时间信号冗余接收以及外来B码信号的直接接收，产生多路直流或交流IRIG-B码发送给时统卡。

时统卡通过直接接收IRIG-B码并通过解码电路自动获取标准时间信息，通过VPX总线向配有时统卡的服务器发送时统信息，服务器接收时统信息后，向服务器自身、网络内各工作站和终端进行网络授时，实现对设备自身信号严格的监控和输出，以提高系统的可靠性及满足时间同步要求。

2 IRIG-B码编码原理

IRIG-B码是国际通用的一种常用串行传输方式时间格式码，与并行传输方式相比，其物理连接简单、信息量大、分辨率高、传输距离远、抗干扰能力强、具有标准化接口。根据时间精度的不同要求及B码传输距离的不同，B码采用了两种码型：B(DC)直流码和B(AC)交流码。B(DC)码的每个码元是一个脉冲信号，可以实现较高精度的时间同步，但脉冲信号频谱丰富，窄带信道无法传输，适用于短距离电缆传输；B(AC)码则可以使用标准语音带宽（0.3 kHz～3.4 kHz）信道传输，传输距离更远，但传输精度有一定损失。B(AC)码可由B(DC)码对标准正弦波载波进行幅度调制得到。根据不同要求可选择不同码型传输，在本时统系统中，两种码型均有应用。

3 B码终端

B码终端可以接收GPS/北斗的授时信号和外来B码信号，通过编解码处理生成1PPS脉冲信号与DC/AC时间编码信号，以供时间同步设备使用。

3.1 B码终端系统原理及组成

B码终端系统原理图如图2所示。

B码终端可同时接收GPS/北斗信号和外来B码信号。当GPS/北斗信号到来时，GPS/北斗模块通过天线接收授时信号，向ARM和FPGA发送1PPS脉冲信号，同时以串行方式向ARM发送时间信息；ARM将解出的时间信息及有效标志，通过自定义总线和通信协议发送至FPGA； FPGA在接收到1PPS与时间信息后，根据信息的有效性决定选用该时间信息或自守时的方式，生成多路AC/DC码和1PPS信号向外输出。当外来B码到来，通过AC/DC解码电路，将外来B码信号整形运放，然后传给FPGA进行编解码。

3.2 B码终端单元模块设计

(1)GPS/北斗模块

选用精度为30 ns、1 PPS的GPS/北斗模块，向FPGA和ARM传输时间信号，并支持通过串口命令对芯片进行配置。

GPS/北斗模块输出包含UTC年、月、日、时、分、秒。ARM处理器通过模块提供的1PPS中断接收整秒信号，并通过异步串行通信方式获取时间信息。

(2)外部B码解码电路

当采用外部B码信号作为产生IRIG-B码的基准时，需要对外部B码基准进行接收解调，以产生基准秒和串行时间数据。在本设计中，采用硬件电路完成对外部B码基准的解调工作。

(3)1PPS选择模块

FPGA对GPS/北斗信号及外来B码信号进行处理，产生AC_1PPS、DC_1PPS、GPS_1PPS信号，作为ARM与FPGA之间通信基准。

(4)FPGA各功能模块设计

FPGA作为B码终端的核心，实现了时码产生、同步分频、外来B码信号解码等功能，主要包含B(AC/DC)码生成模块、B(DC)码解码模块、B(AC)码解码模块等。各模块工作原理如图3所示。

B(AC)码生成模块：FPGA根据GPS/北斗模块的时间信息产生AC码，其每一位的高低电平的AC码实际输出对应ROM中一个周期的正弦波形，FPGA输出的波形控制字发送至DAC，DAC输出对应电流值，经运算放大电路转换后生成对应AC码高低电平的正弦波形，最后经1:1变压器将波形输出。

B(DC)码生成模块：FPGA根据GPS/北斗模块的时间信息直接产生DC码的TTL输出，经单端/差分转换后，输出至多路DC码输出。

B码解码模块：FPGA通过完成外来B码的解码，以实现精准时间信息的提取并输出。

4 时统卡

时统卡设计采用通用的VPX接口，可接收标准化时统的IRIG-B(DC)码、IRIG-B(AC)码输入，设备可以通过上层驱动从VPX总线^[5-6]上捕获当前时间信息，采集不同频率的中断信号。针对时统卡的具体要求，将时统卡划分为两个主要部分：硬件电路设计及IRIG-B码解码、时间获取软件设计。

4.1 硬件电路设计

时统卡硬件总体主要包括B码接收电路、VPX接口电路、B码解码电路和电源电路。具体硬件结构设计框图如图4所示。

B码接收电路包含两部分，即B(AC)码和B(DC)码两种码型的接收，通过接收电路后，最终两种码型都以TTL电平方式传输到B 码解码电路。

B码解码电路主要由FPGA芯片和外围电路组成，通过FPGA编程开发完成B码的解码，实现时间信息的提取。

4.2 FPGA

FPGA通过完成B码的解码，以实现精准时间信息的提取，并与VPX接口通信。

FPGA内部设计框图如图5所示。

FPGA的B码解码模块主要包括：B(DC)码解码模块、B(AC)码解码模块、时间选择模块、中断产生模块和VPX接口模块。FPGA程序可以完成时间信息的提取、B(DC)码和B(AC)码的自动切换，还可以通过B码解码过程产生的PPS 秒脉冲，实现不同时间的中断信号。VPX接口程序完成时间信息和中断信号的接收并传输到VPX总线。

B(AC)码解模块和B(DC)解码模块分别对两种时统信号根据B码的码型特点进行时间信息提取，并输出有效时间信息、时间有效标志和PPS秒脉冲。

有效时间选择模块根据B(AC)和B(DC)码解码输出的时间有效信号选择输出有效时间信号，这里优先选择B(DC)码时间信息。

中断产生模块根据PPS秒脉冲产生准确的、不同周期的中断时间信号，为上位机提供更高分辨率时间信号。

守时模块是FPGA在没有B码输入时，通过内部时钟计数产生秒脉冲和时间的更新。B码解码模块在没有成功解码时间信息时输出相应信号，通过时间选择模块完成守时时间的切换。守时模块在有B码输入时每个秒周期自动更新时间，并且自行进行时间计数，完成守时功能。

5 实验结果

将B码终端与时统卡相连接，在接入GPS/北斗信号条件下，采用上位机对时统卡输出的信号进行读取。在读取过程中，为了显示直观性与简洁性，只在每秒初始时刻打印一次信息。另外，为了更加准确地反映时统系统及上位机读取的延时，上位机测试软件中加入了每秒读取时各个中断的最大及最小延迟。图6为时统系统运行实验结果。