BD2/GPS 高精度同步时钟装置的设计与应用

周大勇，刘 鹏，刘树昌，孙风雷，刘 冲，李 超

(长春理工大学a.电子信息工程学院;b.空地激光通信技术国防重点学科实验室，长春 130022)

BD2/GPS 高精度同步时钟装置的设计与应用

周大勇a，刘 鹏b，刘树昌a，孙风雷a，刘 冲a，李 超a

(长春理工大学a.电子信息工程学院;b.空地激光通信技术国防重点学科实验室，长春 130022)

针对CCD(Charge Coupled Device)相机在探测脉冲激光光斑过程中曝光时刻与脉冲激光同步的问题，提出一种利用超前预测方式同步触发CCD相机抓拍光斑图像的高精度时钟源设计方案。该装置主要采用北斗2导航系统(BD2：BeiDou2 navigation satellite system)/全球定位系统(GPS：Global Positioning System)，双模接收单元提供的协调世界时(UTC：Universal Time Coordinated)时间以及高精度秒脉冲(PPS：One-Pulse Per Second)时间基准作为同步时钟装置的基准源，并结合现场可编程门阵列(FPGA：Field-Programmable Gate Array)高速时序计算与微控制单元接口技术，保证CCD相机同步抓拍时间，从而完成高精度的同步触发。实验表明，该装置可以提供微秒级时间同步精度和标准授时信息，有效地缩短了CCD相机曝光时间，得到完整清晰的高信噪比脉冲激光光斑图像。

时间同步精度;北斗2导航系统;秒脉冲;现场可编程门阵列

0 引 言

随着传感器的飞速发展，以CCD(Charge Coupled Device)相机为主要组成部分的探测系统已被广泛的应用在激光光斑同步检测中。在使用CCD相机探测脉冲激光光斑时，脉冲宽度很窄，需要选择合适的时间触发CCD相机，从而保证每个激光脉冲恰好落在CCD相机的积分时间内，因此有效地触发CCD相机快门将变得至关重要。在激光脉冲探测器探测到激光脉冲后，对激光脉冲进行计数，同时通过同步时钟装置得出当前时刻值，将此时刻值发送给相机同步控制器作为超前预测的基准。通过微秒级的超前预测使相机得到合适的曝光时间，以便获得高信噪比的脉冲激光光斑图像［1-3］。

通过综合分析同步时钟装置的精度、稳定性、安全性和设计复杂程度，笔者提出一种以BD2(BeiDou2 Navigation Satellite System)/GPS(Global Positioning System)双模接收单元提供同步时间基准，以FPGA(Field-Programmable Gate Array)为核心计算同步时钟精度的设计方案。其中BD2是我国自主知识产权的导航定位系统，具有可靠的安全性和稳定性，其功能与GPS全球定位系统相同［4，5］。综上所述，该装置将实现微秒级的时间同步精度并输出标准的时间信息。

1 总体方案设计与原理

笔者提出的高精度同步时钟装置主要包括：BD2/GPS双模接收单元、FPGA同步检测单元、微控制单元、串行数据转换单元和显示单元等。其中BD2/GPS双模接收单元在整个系统中提供精准授时信息和时间基准PPS(One-Pulse Per Second)，保证授时和同步时间精度的准确性;FPGA同步检测单元主要负责时间同步精度的计算与超前预测触发CCD相机;微控制单元主要进行系统控制和数据处理。总体原理框图如图1所示。

图1 系统总体原理框图Fig.1 Block diagram of the system

实现过程：BD2/GPS双模接收单元定位启动完成后，输出时间基准PPS、授时时间、经纬度等信息。FPGA同步检测单元和微处理器单元同时检测PPS信号。当微控制单元检测到PPS上升沿信号时，将从BD2/GPS双模接收单元中读取精确到秒级的标准授时信息并进行数据处理，即更新授时时间信息。当FPGA同步检测单元检测到PPS上升沿信号时，其内部计数器清零并重新开始计数，以测量PPS的同步精度，即微秒级同步时间数据。

笔者采用的CCD相机触发方式分为外部信号触发和相机帧频触发两种。有外部触发信号时，FPGA同步检测单元根据外部触发信号到来时刻计算其时间间隔，且提前5μs作为超前预测时刻对CCD相机发送外触发信号。无外部触发信号时，FPGA同步检测单元根据CCD相机帧频发送触发信号即相机帧频触发。CCD相机打开快门采集图像数据，同时FPGA向微控制单元发送中断信号锁存超前预测触发时刻，将超前预测的触发时刻值和图像数据送至图像数据融合单元进行融合显示。

1.1 BD2/GPS双模接收单元

该方案的BD2/GPS双模接收单元采用和芯星通公司的UM220芯片，由BD2和GPS双系统集成，能同时支持BD2的B1和GPS的L1两个频点，可以单独或组合定位［6］。支持UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)、SPI(Serial Peripheral Interface)、I2C(Inter-Integrated Circuit)等多种数据接口，输出包含时间和定位信息在内的NMEA 0183语句，其格式为ASCII码。笔者选择的消息格式为：

BD2/GPS双模接收单元提供的PPS信号可以应用于高精度的时间测量，该信号将连续输出。PPS输出脉宽和极性可调，每秒更新一次，输出精度是20 ns，保证了同步触发信号的实现。UM220的内部RTC(Real-Time Clock)时钟可由电池供电，即使外部掉电，模块也可以通过电池供电正常工作。

1.2 微控制单元

微控制单元主要负责授时时间数据和超前预测时刻值的读取与处理，并将处理后的标准数据传送至图像数据融合单元和液晶显示单元。微控制单元选择的是美国的Atmel公司的ATmega 128L单片机，具有高保密性，Flash具有多重密码保护锁死功能，中断响应快速，处理数据性能稳定，拥有较多GPIO(General Purpose Input Output)端口和多种类型数据接口。

当微控制单元检测到PPS秒脉冲上升沿时，将触发ATmega 128L外部中断0，即每秒更新时间数据，其中断优先级最高。在中断服务程序0中通过Uart0(串口0)接收BD2/GPS双模接收单元的数据，并对数据进行处理。可分为两个过程。1)仅截取UTC(Universal Time Coordinated)时间数据，即精确到秒的标准授时时间数据。将从BD2/GPS接收单元接收到的数据存放在一维数组中，根据$--GGA的消息格式将时分秒信息解调出来。2)由于UTC时间与北京时间相差8 h，故将接收到的ASCII码时间数据转换成十进制数据，加上相差的8 h，再对24取模运算，得到的数据转换成ASCII码数据，变为标准时间信息后进行传输［7，8］。

当FPGA向微控制单元发送INT1中断信号时，在中断服务程序1中，微控制单元通过检测FPGA的GPIO端口的电平变换，进行数据提取，将微秒级的超前预测时间数据通过20个I/O端口并行通信，以保证数据传输速率。最后将标准时间数据和微秒级的超前预测时间数据综合处理后，通过Uart1(串口1)传输至图像数据融合单元进行融合和显示。微控制单元通过SPI接口将标准授时时间信息送入液晶显示［9，10］。

微控制单元在软件设计上，首先需要对各个函数和端口进行初始化，根据上述过程顺序执行各函数功能。图2为微控制单元程序流程图。

图2 微控制单元程序流程图Fig.2 Flow chart of the MCU software

1.3 FPGA同步检测单元

笔者选用CycloneIIIFPGA的EP3C25Q240C8芯片，其内部资源丰富，可配置成多种操作模式，适合于同步时序电路系统［11］。图3为FPGA同步检测单元的顶层模块。

图3 顶层模块Fig.3 The top module

FPGA同步检测单元使用50 MHz外部晶振，为提高同步精度，将50 MHz外部晶振通过内部锁相环倍频为100 MHz，即将PPS秒脉冲进行108分频计数。在clk的上升沿到来时计数，计数周期为10 ns，倍频模块为bd_pll。reset_n为复位脚，低电平有效。pps_detect模块检测PPS信号，检测到PPS上升沿时，pps_en将拉高一个时钟周期高电平触发计数模块count。计数器count检测到pps_为高时，计数器count自动清零并重新开始计数，计数周期为10 ns，计数器count中的数据为微秒级的同步时间。

在有外部触发信号ex_signal时，ex_tri模块将产生一个ex_int的上升沿信号，ex_int_detect模块检测到ex_int的上升沿时，ex_int_en拉高一个时钟周期的高电平触发计数器count的使能信号int_。int_一旦拉高，计数器count中的计数值将锁存到current_cnt寄存器中，即当前外部触发时刻，利用当前触发时刻并根据自适应控制原理计算超前预测值。当达到超前预测时刻值时，将超前预测时刻值锁存到20位的寄存器data_us［19∶0］中，FPGA同步检测单元向MCU发送触发信号，MCU进行微秒级的超前预测值提取。同时FPGA向图像融合单元发送触发信号，图像融合单元将触发CCD相机。无外部触发信号ex_signal时，ex_tri模块根据CCD相机帧频(如25 Hz)产生CCD相机触发信号即ex_tri模块将模拟周期为40 000 微秒的触发信号［12-14］。

2 仿真波形与误差分析

如图4所示，PPS信号由BD2/GPS双模接收单元提供。当检测到PPS上升沿时，计数器模块清零并重新开始计数直到下一个PPS上升沿到来时，寄存器锁存的时刻值为PPS秒脉冲同步时钟精度。在两个PPS秒脉冲的上升沿之间，计数器一共计数99 999 910个10 ns，其误差为900 ns，完全满足微秒级的精度。

图4 PPS精度仿真波形图Fig.4 PPS precision simulation waveform

如图5所示，仿真波形是外部信号ex_signal触发时刻值的锁存，由于存在内部延迟，是ex_signal触发信号与int_管脚检测信号存在小于10 ns的误差，由此得出系统的整体累计误差小于1μs。完全满足提前5μs的超前预测，使系统准确的发送触发信号。

图5 外部触发仿真波形图Fig.5 External trigger simulation waveform

上述仿真波形的误差来源主要包括PPS的上升沿与晶振时钟的上升沿不同步，晶振时钟的上升沿要滞后于PPS的上升沿，FPGA中的门延时及计数器清零、计数所需的延时，以及微处理器和BD2/GPS授时模块处理信号的硬件延迟误差和软件算法延迟误差等，最后得到微秒级的时间同步精度［15］。

3 结语

通过实验数据表明，笔者的BD2/GPS高精度同步时钟装置实现了微秒级的时间同步精度以及标准时间输出，并利用超前预测方式实现了两种触发CCD相机信号的输出。本装置具有性能稳定、低功耗、低成本和操作简单等优点。在CCD相机探测激光光斑时，可使CCD相机获得精准到微秒级的同步触发时间，有效地缩减少了CCD相机的积分时间，并且可得到高信噪比的脉冲激光光斑图像，其完全适用于脉冲激光光斑同步检测系统。

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Design and Application of High-Precision Time Synchronous Device Based on BD2/GPS

ZHOU Dayonga，LIU Pengb，LIU Shuchanga，SUN Fengleia，LIU Chonga，LIChaoa

(a.College of Electrical and Information Engineering;b.Fundamental Science on Space-Ground Laser Communication Technology Laboratory，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)

To dealwith the problems of time and pulse lager synchronization in the process of CCD(Charge Coupled Device)camera capturing laser spot images，an advanced forecasting method to trigger CCD camera synchronously to capture images of high-precision clock source is proposed.This device used the UTC(Universal Time Coordinated)and high-precision PPS(one-Pulse Per Second)as synchronous clock reference source provided by BD2(BeiDou2 navigation satellite system)/GPS(Global Positioning System)dual-mode receiving unit.Ensured the synchronization capture time of the CCD camera in combination with high-speed FPGA(Field-Programmable Gate Array)computing and microprocessor interface timing technology，thus accomplished the synchronization trigger action.The experiment shows that this device can provide microsecond level synchronization accuracy and standard timing information，shorten the exposure time of the CCD camera effectively，get a complete clear pulse laser spot image with a higher SNR(Signal-to-Noise Ratio).

time synchronization accuracy;BeiDou2 navigation satellite system;pulse per second(PPS);fieldprogrammable gate array(FPGA)

周大勇(1989— )，男，长春人，长春理工大学硕士研究生，主要从事检测技术与过程控制研究，(Tel)86-13604302731(E-mail)zhoudayong1989@163.com;刘树昌(1955— )，女，长春人，长春理工大学教授，硕士生导师，主要从事检测与处理技术研究，(Tel)86-13009126387(E-mail)lscjlcc@126.com;通讯作者：刘鹏(1982— )，男，长春人，长春理工大学博士研究生，主要从事信息检测与处理技术研究，(Tel)86-13689814498(E-mail)Louis585760@126.com。

TN919.3

A

1671-5896(2014)03-0262-05

book=266,ebook=99

2013-11-19

总装备部靶场测试基金资助项目

张洁)