基于PCI-E的北斗導(dǎo)航授時(shí)卡設(shè)計(jì)*

王　軍，孫慧婷，姜　志，王　磊，何　昕

（1.蘇州科技大學(xué)，江蘇蘇州215009；2.中國白城兵器實(shí)驗(yàn)中心，吉林白城137001；3.中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春130033）

基于PCI-E的北斗導(dǎo)航授時(shí)卡設(shè)計(jì)*

王軍1，3*，孫慧婷1，姜志2，王磊1，何昕3

（1.蘇州科技大學(xué)，江蘇蘇州215009；2.中國白城兵器實(shí)驗(yàn)中心，吉林白城137001；3.中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春130033）

為提高Linux系統(tǒng)時(shí)間的精確度，設(shè)計(jì)了基于PCI-Express總線接口的北斗導(dǎo)航授時(shí)卡。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)接收模塊輸出時(shí)間定位信息，F(xiàn)PGA（Field-Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）解出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間存入雙口RAM，PCI-E驅(qū)動(dòng)芯片將雙口RAM內(nèi)數(shù)據(jù)送到PCI-E總線供上位機(jī)調(diào)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：授時(shí)卡在Linux系統(tǒng)下運(yùn)行穩(wěn)定，功耗較低，授時(shí)精度達(dá)到60 ns。

Linux；PCI-Express；FPGA；授時(shí)

計(jì)算機(jī)時(shí)間基本由網(wǎng)絡(luò)時(shí)間或主板時(shí)鐘芯片提供，導(dǎo)致時(shí)間誤差大，在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)測(cè)量等領(lǐng)域無法完成特定任務(wù)。為解決計(jì)算機(jī)時(shí)間誤差較大問題，部分學(xué)者提出基于Windows系統(tǒng)PCI總線接口的GPS授時(shí)卡［1-2］。這種方法的不足在于：數(shù)據(jù)吞吐量、帶寬的限制使得PCI總線逐漸被PCI-E總線所取代，且GPS授時(shí)方式以及美國微軟Windows系統(tǒng)無法在國家安全敏感部門使用。針對(duì)上述不足，基于開源Linux系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了PCI-E總線接口的北斗授時(shí)卡。

1　PCI-E授時(shí)卡總體設(shè)計(jì)

授時(shí)卡總體設(shè)計(jì)了3個(gè)模塊：北斗衛(wèi)星解碼模塊、可編程邏輯器件以及PCI-E驅(qū)動(dòng)模塊，總體框圖如圖1所示。北斗衛(wèi)星解碼模塊通過天線接收北斗衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)，將$GPRMC格式碼流傳輸給FPGA串行通訊模塊，F(xiàn)PGA解出$GPRMC碼中的時(shí)間定位信息輸入到雙口RAM中。PCI-E驅(qū)動(dòng)模塊在接收到計(jì)算機(jī)的命令后將時(shí)間信息傳輸?shù)絇CI-E總線上供計(jì)算機(jī)應(yīng)用層軟件獲取［3-5］。

圖1　授時(shí)卡總體硬件框圖

2　授時(shí)卡硬件設(shè)計(jì)

可編程邏輯器件 FPGA采用 Altera公司CycloneⅣ系列中的EP4CE22E22C8N，該芯片具有144個(gè)IO端口、36個(gè)RAM塊、2個(gè)PLL鎖相環(huán)、18個(gè)嵌入式乘法器、4種配置方式和AS、JTAG下載調(diào)試接口。北斗衛(wèi)星解碼模塊采用和芯星通UM220-III為主芯片，授時(shí)精度可高達(dá)15 ns，與FPGA采用串口通信且有多種波特率可供選擇，只要保證有一顆衛(wèi)星連接正常，芯片就能輸出準(zhǔn)確的時(shí)間信息。PCI-E驅(qū)動(dòng)芯片采用PLX股份有限公司研發(fā)的PEX8612，支持I/O端口映射和擴(kuò)展ROM以及中斷，大大簡(jiǎn)化了授時(shí)卡硬件程序開發(fā)。授時(shí)卡部分硬件連接圖如圖2所示。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航模塊UM220與FPGA采用串行通訊，RXD與FPGA串行模塊發(fā)射端連接，接收FPGA設(shè)置指令；TXD與FPGA接收端連接，輸出時(shí)間定位信息碼流；并通過PPS輸出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間秒頭至FPGA。PCI-E驅(qū)動(dòng)芯片PEX8612將本地?cái)?shù)據(jù)地址線分別與FPGA虛擬雙口RAM的8 bit雙向數(shù)據(jù)線、8 bit位單向地址線相連，通過讀寫信號(hào)線控制與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；兩對(duì)差分信號(hào)連接PCI-E金手指與計(jì)算機(jī)PCIE總線通訊［3-5］。

圖2　授時(shí)卡部分硬件連接圖

3　授時(shí)卡軟件設(shè)計(jì)

3.1時(shí)間定位信息解碼程序設(shè)計(jì)

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星UM220-III模塊可輸出標(biāo)準(zhǔn)GPRMC格式信息，各部分信息之間采用“，”隔開，定義如表1所示。

表1　UM220-III輸出幀格式

FPGA解析數(shù)據(jù)幀主要采取狀態(tài)機(jī)檢測(cè)法，當(dāng)檢測(cè)到$GPRMC幀頭，開始進(jìn)入解碼狀態(tài)，檢測(cè)到第1個(gè)‘，'字符，進(jìn)入時(shí)間狀態(tài)機(jī)，將時(shí)分秒h.min.s賦給時(shí)間變量；檢測(cè)第2個(gè)‘，'字符，進(jìn)入定位狀態(tài)機(jī)，根據(jù)字符修改定位標(biāo)志位；檢測(cè)第3個(gè)‘，'字符，進(jìn)入緯度狀態(tài)機(jī)，將緯度賦給相應(yīng)變量；之后按照上述思想，檢測(cè)‘，'字符從而進(jìn)入相應(yīng)的狀態(tài)機(jī)完成信息的提取。時(shí)間解碼流程圖如圖3所示。

3.2PCI-E驅(qū)動(dòng)芯片控制軟件設(shè)計(jì)

FPGA利用IP核建立一個(gè)虛擬雙口RAM包括時(shí)鐘信號(hào)、讀寫使能信號(hào)、讀寫地址以及讀寫數(shù)據(jù)。FPGA將寫地址、時(shí)間數(shù)據(jù)放到地址線和數(shù)據(jù)線上，完成時(shí)間的解碼后產(chǎn)生一個(gè)寫使能信號(hào)，時(shí)間數(shù)據(jù)寫入到固定的寄存器。將北斗導(dǎo)航衛(wèi)星接收模塊輸出的PPS信號(hào)當(dāng)作PCI-E驅(qū)動(dòng)芯片的硬件中斷信號(hào)，當(dāng)Linux系統(tǒng)應(yīng)用層軟件使能硬件中斷，進(jìn)入中斷子程序?qū)CI-E總線設(shè)備端口讀時(shí)間數(shù)據(jù)，PCI-E驅(qū)動(dòng)芯片將PCI-E總線協(xié)議數(shù)據(jù)讀寫轉(zhuǎn)化為讀取FPGA虛擬雙口RAM的讀寫［6-9］，流程圖如圖4。

圖3　時(shí)間解碼流程圖

圖4　PCI-E總線時(shí)間信息讀取流程圖

4　測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)采用華碩主板，Intel酷睿i5-4590處理器主頻3.3 GHz，4G內(nèi)存，操作系統(tǒng)為Ubuntu Kylin 15.04，內(nèi)核版本Linux 3.19.0。打開終端窗口，使用insmod命令加載PCI-E驅(qū)動(dòng)模塊如圖5，并且通過lsmod命令檢測(cè)驅(qū)動(dòng)是否加載成功，驅(qū)動(dòng)模塊顯示列表如圖6。

圖5　驅(qū)動(dòng)加載命令圖

圖6　驅(qū)動(dòng)模塊顯示列表圖

驅(qū)動(dòng)加載完畢后，打開采用GTK+函數(shù)庫編寫的授時(shí)測(cè)試軟件出現(xiàn)圖7界面，輸入設(shè)備號(hào)點(diǎn)擊“下一步”按鈕就會(huì)出現(xiàn)圖8授時(shí)卡應(yīng)用軟件主界面。從主界面中能夠查詢硬件商和設(shè)備編碼，以及I/O和寄存器基址。點(diǎn)擊“打開”按鈕打開授時(shí)卡中斷，狀態(tài)欄顯示ON狀態(tài)表示設(shè)備中斷打開，點(diǎn)擊“顯示”按鈕就能顯示標(biāo)準(zhǔn)北京時(shí)間。

圖7　授時(shí)卡應(yīng)用軟件初始界面圖

圖8　授時(shí)卡應(yīng)用軟件主界面

使用Tektronix公司的TDS-2014C示波器檢測(cè)北斗衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)秒頭（橙色）與授時(shí)卡授時(shí)秒頭（綠色）誤差60 ns，波形如圖9。

圖9　授時(shí)秒頭與標(biāo)準(zhǔn)秒頭波形圖

5　結(jié)論

Linux系統(tǒng)下設(shè)計(jì)的北斗授時(shí)卡采用 PCI-E橋接芯片，縮小PCI-E總線開發(fā)過程，簡(jiǎn)化硬件語言開發(fā)難度。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)有效克服GPS授時(shí)安全問題，且授時(shí)精度高、兼容性好，在Linux系統(tǒng)下運(yùn)行穩(wěn)定，為L(zhǎng)inux系統(tǒng)時(shí)間校對(duì)提供一種新方法。

［1］劉軍良，胡永輝，候雷.基于PCI總線的GPS授時(shí)卡設(shè)計(jì)［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2008（s2）：122-127.

［2］趙志雄，李孝輝，劉婭，等.PCI總線的高精度大量程時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器研制［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2014，28（12）：1317-1323.

［3］鞠康.基于FPGA的PCI-E數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

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王軍（1979-），男，漢，江蘇徐州，蘇州科技大學(xué)副教授，博士，主要研究方向?yàn)楣怆姕y(cè)控技術(shù)與儀器；

孫慧婷（1992-），女，漢，江蘇東臺(tái)，蘇州科技大學(xué)碩士研究生，碩士，主要研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚怼?/p>

Design of Beidou Navigation Timing Card under Linux PCI-E Bus*

WANG Jun1，3*，SUN Huiting1，JIANG Zhi2，WANG Lei1，HE Xin3
（1.Suzhou University of Science and Technology，Suzhou Jiangsu 215009，China；2.Bai Cheng Ordnance Test Center of China，Baicheng Jilin 137001，China；3.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Science，Changchun 130033，China）

To improve Linux system time accuracy，timing card was designed based on PCI-Express interface by Beidou navigation satellite.Module receives Beidou navigation satellite signal and outputs time location information，F(xiàn)PGA（Field-Programmable Gate Array）decodes time and puts it into dual-port RAM，PCI-E drive sent time data to the PCI-E bus for system transferring.Test results show that card is stable and low power，and the timing error is 60 ns under Linux system platform.

Linux；PCI-Express；FPGA；timing

TN927

A

1005-9490（2016）05-1063-04

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61472267）；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（KYLX15_1311）；蘇州科技大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目（SKCX15_050）

2015-10-17修改日期：2015-11-18

EEACC:633010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.009