基于Smartfusion2的IRIG-B碼編碼器設計與實現

安徽四創電子股份有限公司 陳 偉 王 宇 余飛俠 范曉東

基于Smartfusion2的IRIG-B碼編碼器設計與實現

安徽四創電子股份有限公司 陳 偉 王 宇 余飛俠 范曉東

旨在設計一種基于Smartfusion2的IRIG-B碼編碼器。該設備采用Smartfusion2作為主控制器并在其內部配置了Cortex-M3微處理器系統MSS，采用雙模授時機（GPS/BD）作為標準時鐘源。利用雙模授時機送出的1PPS以及時間信息觸發Cortex-M3微處理器系統MSS的編碼程序，利用雙模授時機送出的1PPS和10MHz及來自MSS的IRIG-B碼流觸發FPGA調制程序，從而完成DC碼的編碼。MSS節省了FPGA資源，提高調制效率，FPGA保證了B碼信號邊沿的精準。通過現場運行以及示波器觀測，該系統運行穩定、授時準確，達到了預期要求。

Smartfusion2；FPGA；Cortex-M3；IRIG-B

0 引言

我國工業控制、通信、氣象、航天、電力系統測量與保護等領域的測試設備均采用國際標準IRIG-B時間碼[1]（簡稱B碼）作為時統設備的時間同步標準。B碼具有世界通用、接口標準化、適用于遠距離傳輸等特點。目前國內的IRIG-B編碼大都以FPGA為核心控制器，資源消耗量大、編碼精度低、工作效率和穩定性差。因此，需要更高效的控制器，有效的編碼算法實現即插即用、授時精度高及運行穩定的新型編碼器。鑒于SmartFusion2[2-3]是Microsemi的最新65nm工藝的片上系統產品，即是基于Flash架構FPGA發展而來，內部集成166 MHz的ARM Cortex-M3的硬核處理器，且不占用FPGA的邏輯資源，為用戶提供高安全性、高可靠性及超低功耗等性能。本方案正是采用SmartFusion2作為編碼器核心控制器，將FPGA和微處理器Cortex-M3優勢相結合，實現高精度授時和高可靠性的時統設備IRIG-B碼編碼器。本方案正是采用SmartFusion2作為編碼器核心控制器，將FPGA和微處理器Cortex-M3優勢相結合，實現高精度授時和高可靠性的時統設備IRIG-B碼編碼器。

1 IRIG-B碼簡介

B碼是一種串行的時間格式碼[4-9]，用于各系統時間同步，IRIG-B碼的幀周期為1秒，由100個碼元組成，每個碼元10ms，碼元寬度有8ms、5ms和2ms三種，分別代表碼元P（位置識別標志或基準碼元）、二進制的1以及二進制的0，如圖1所示。為了便于傳輸和提取B碼中的信息，每10個碼元中有一個位置識別標識，分別稱為P1、P2、…、P9、P0。幀參考標志是由位置識別標志P0和相鄰的基準碼元Pr組成的，Pr的前沿即是每幀的準秒時刻，也就是從該準秒時刻起，按秒、分、時、天等時間信息進行編碼，最終形成IRIG-B碼，如圖2所示。

2 硬件電路設計

IRIG-B碼信號編碼器的整體硬件電路設計框架如圖3所示，這里的SmartFusion2在其內部配置了FPGA和Cortex-M3硬核處理器。

圖1 IRIG-B碼碼元圖

圖2 IRIG-B碼信號波形

圖3 硬件電路設計框架

本設計中時鐘源采用的是經過馴服的雙模授時機（GPS/BD），其可以輸出標準UTC（世界協調時）時間信息和同步1PPS（秒脈沖）及與其同源的10MHz時鐘。首先，作為標準時鐘源將UTC（世界協調時）時間信息和1PPS（秒脈沖）送入SmartFusion2，這里SmartFusion2采用Microsemi公司的M2S010芯片。接著，在SmartFusion2里，先經過Cortex-M3微處理器系統MSS進行編碼程序，根據IRIG-B碼標準格式，將UTC（世界協調時）時間信息轉換成標準二進制碼流并發送給FPGA編碼模塊；接著，FPGA編碼模塊對輸入的二進制碼流進行編碼輸出。

此處電源模塊，以滿足各芯片對供電電壓的需求，分別需要電壓為+5V、+3.3V，這里采用電源轉換芯片LT1963ES8以完成+6.5V到+5V的轉換，集成電路LT1963EST-3.3以完成+5V到+3.3V的轉換。

3 軟件程序設計

IRIG-B碼信號編碼器的軟件設計主要是基于FPGA+Cortex-M3微處理器系統MSS而完成，如圖4所示，其中，Cortex-M3微處理器系統MSS主要根據輸入的1PPS，負責將時間信息轉換成標準二進制碼流的編碼程序設計，FPGA主要負責Cortex-M3微處理器系統MSS的構建、IRIG-B碼碼流編碼輸出程序設計等。

3.1 IRIG-B碼編碼方法簡述

根據IRIG-B碼波形，在本設計中每1ms視為1bit，有脈寬為高電平1，否則為低電平0，則IRIG-B碼中三種碼元“P”、“1”和“0”分別用二進制表示為1111111100、1111100000和1100000000，則一幀IRIG-B（DC）碼為100碼元即為1000bit二進制碼流。

MSS將輸入的一幀標準UTC（世界協調時）時間信息進行解算，得到秒、分、時、日、月、年等時間信息，并根據IRIG-B碼標準格式，將上述時間信息轉換成相應的碼元，并進行充實得到100碼元；再將該碼元“P”、“1”及“0”等，擴充轉換為1000bit時間碼流并存入大小為16bit的整形數組EncodeBuf[64]中；當1PPS脈沖到來時，將EncodeBuf[64]同步發送給FPGA編碼模塊；FPGA編碼模塊根據1PPS同步將收到的時間信息碼流EncodeBuf[64]存入到雙端口RAM中；同時由同源的1PPS和10MHz產生同源的1KHz時鐘，根據此1KHz時鐘，雙端口RAM輪流將內存中時間碼流以1bit字長，輸出1000bit，即輸出與輸入1PPS同步的IRIG-B碼波形，FPGA程序如圖5、6所示。

圖5 IRIG-B碼編碼核的FPGA程序

3.2 MSS程序設計簡述

MSS里完成的程序設計，主要有以下幾個方面：（1）對Cortex-M3微處理器系統MSS進行初始化。配置一個GPIO端口作為中斷引腳，映射來自時鐘源的1PPS（秒脈沖）中斷；配置一個APB總線主模塊，以輸出已轉換好的時間碼流EncodeBuf[64]；配置一個UART模塊，接收來自時鐘源的標準UTC（世界協調時）時間信息。（2）讀取時鐘源的標準UTC時間信息并進行解算，得到秒、分、時、日、月、年等時間信息，并根據IRIG-B碼標準格式，將上述時間信息轉換成相應的碼元，并進行充實得到一幀100碼元；再將該碼元“P”、“1”及“0”等，擴充轉換為1000bit二進制時間碼流并存入大小為16bit的整形數組EncodeBuf[64]中。（3）當1PPS中斷到來時，將上述時間碼流EncodeBuf[64]發送給FPGA編碼模塊。

3.3 FPGA程序設計簡述

在FPGA里完成的程序設計主要有以下幾個方面：

（1）設計鎖相環PLL、復位電路，給FPGA程序里相應模塊提供參考時鐘與復位，并根據同源的1PPS（秒脈沖）和10MHz時鐘，得到同源的1KHz時鐘用于IRIG-B碼流輸出時鐘，如圖7所示。

（2）構建Cortex-M3微處理器系統MSS，包括CPU、GPIO模塊、UART模塊、APB總線等，如圖8所示。

圖4 總體軟件設計程序

圖6 IRIG-B碼編碼核的FPGA內部程序

圖7 時鐘模塊的FPGA程序

圖8 Cortex-M3微處理器系統MSS的FPGA程序

（3）定制碼流接收模塊，通過APB總線，以100MHz時鐘，每成功讀取大小為16bit的二進制碼流，即刻將其輸出，并使RE輸出腳使能，如圖9所示。

圖9 碼流接收模塊的FPGA程序

（4）定制雙端口RAM模塊，FPGA程序采用了乒乓操作，即寫RAM1操作的同時，進行讀RAM2操作，而寫RAM2操作的同時，進行讀RAM1操作，如此循環操作，如圖10所示，RAM寫時鐘為100MHz，寫字長為16bit，而RAM讀時鐘為1KHz，其與1PPS同源，讀字長為1bit，其中，RAM控制程序通過1PPS來控制RAM1、RAM2的讀寫切換及IRIG-B碼波形輸出，通過100MHz控制RAM寫地址，通過1KHz控制RAM讀地址。

圖10 RAM讀寫模塊的FPGA程序

4 實驗測試結果

基于SmartFusion2芯片方案設計中FPGA部分采用Libero SoC v11.0設計軟件，用Verilog HDL語言實現設計，Cortex-M3微處理器系統MSS部分采用Microsemi SoftConsole IDE v3.4編程軟件設計，利用雙模授時機（GPS/BD）作為時鐘源，其可輸出經過馴服的標準UTC（世界協調時）時間信息和同步1PPS（秒脈沖）及與其同源的10MHz時鐘。根據本設計方案，接入時鐘源信號，系統上電，測試結果如下：

圖11 實驗測試結果

用示波器監測1PPS輸入端和IRIG-B碼波形輸出端口，從圖11所示可看出，每1PPS對應一幀IRIG-B碼數據。

圖12 實驗測試結果

根據IRIG-B碼標準波形，如圖2所示，將圖12中任一幀IRIG-B波形展開，可得到幀參考標志P0Pr，準秒時刻及對應的10個位置識別標志，及各碼元格式符合標準。用示波器上升沿觸發方式捕捉1PPS上升沿，可獲得如圖13所示波形，可看出，輸出的IRIG-B碼準秒時刻與輸入的1PPS誤差優于20ns，則本設計的編碼誤差優于20ns，因此該B碼信號編碼器的設計完全符合標準要求。

圖13 實驗測試結果

5 結束語

本文分析了目前IRIG-B碼編碼技術實現的現狀及存在的問題，介紹了IRIG-B碼解碼的基本原理，提出基于FPGA和Cortex-M3設計實現的IRIG-B碼編碼器，并結合某型雙模授時機進行了監測。監測結果表明，新的IRIG-B碼編碼器完全滿足時統設備授時的需求，明顯提高了IRIG-B碼的授時精度、提升了IRIG-B碼編碼效率、加強了系統運行的可靠性。

[1]IRIG Standard 200-98 IRIG Serial Time Code Formats(Format B)[S]．

[2]ARM Cortex-M3 Processor and Microcontroller Subsystem in Smartfusion2 SoC FPGA Devices User’s Guide．SmartFusion2_CortexM3_UM．pdf[EB/OL]．www．microsemi．com/soc/support/search/default．aspx．2012-12-03．

[3]Smartfusion2 SoC FPGA Fabric Architecture User’s Guide．SmartFusion2_Fabric_UM．pdf[EB/OL]．www．microsemi．com/soc/support/search/default．aspx．2012-12-03．

[4]馮勝民,陳娟花等．基于FPGA的IRIG-B碼產生器設計與實現[J]．電子測量技術,2015,38(5):67-71．

[5]張建春,任記達．基于FPGA的IRIG-B碼調制解調實現[J]．現代導航,2012,8(4):305-308．

[6]龐吉耀．基于FPGA的IRIG-B碼編碼器實現[J]．現代電子技術,2009(24):113-117．

[7]吳煒,周燁,黃子強．FPGA實現IRIG-B(DC)碼編碼和解碼的設計[J]．電子設計工程,2010,18(12):162-164．

[8]朱敏,雷斌．基于FPGA的IRIG-B碼編解碼的設計與實現[J]．新特器件應用,2010(11):15-18．

[9]顧陽陽,付道文．基于FPGA的IRIG-B碼編解器設計[J]．電子科技,2015,28(5):39-42．

Design and Implementation of IRIG-B signal encoder based on Smartfusion2

Chen Wei Wang Yu Yu Feixia Fan Xiaodong
(Anhui Suncreate Electronics Co.,Ltd.,Hefei 230031)

A IRIG-B signal encoder based on Smartfusion2 is designed.This device selects Smartfusion2 as the controller which confi gure Cortex-M3 processor and Microcontroller Subsystem in Smartfusion2 (MSS)，and selects GPS/BD as standard time source.The encoding procedure in MSS is triggered by 1PPS and time info from GPS/BD timing，then IRIG-B code stream obtained.The modulating procedure in FPGA is triggered by 1PPS and 10MHz from GPS/BD timing and IRIG-B code stream from MSS，then DC code obtained.MSS achieve save FPGA resources and improve modulate efficiency，FPGA make the rising edge of B-format code be accurate.The system run stability and the expected timing goals are achieved perfectly，which are proved by the fi eld application and oscilloscope.

Smartfusion2；FPGA；Cortex-M3；IRIG-B

陳偉（1987—），女，安徽合肥人，碩士研究生，安徽四創電子股份有限公司工程師。

國家電子信息產業發展基金項目，項目編號：工信部財[2013]472號。