基于Smartfusion2的IRIG-B码编码器设计与实现

安徽四创电子股份有限公司 陈 伟 王 宇 余飞侠 范晓东

基于Smartfusion2的IRIG-B码编码器设计与实现

安徽四创电子股份有限公司 陈 伟 王 宇 余飞侠 范晓东

旨在设计一种基于Smartfusion2的IRIG-B码编码器。该设备采用Smartfusion2作为主控制器并在其内部配置了Cortex-M3微处理器系统MSS，采用双模授时机（GPS/BD）作为标准时钟源。利用双模授时机送出的1PPS以及时间信息触发Cortex-M3微处理器系统MSS的编码程序，利用双模授时机送出的1PPS和10MHz及来自MSS的IRIG-B码流触发FPGA调制程序，从而完成DC码的编码。MSS节省了FPGA资源，提高调制效率，FPGA保证了B码信号边沿的精准。通过现场运行以及示波器观测，该系统运行稳定、授时准确，达到了预期要求。

Smartfusion2；FPGA；Cortex-M3；IRIG-B

0 引言

我国工业控制、通信、气象、航天、电力系统测量与保护等领域的测试设备均采用国际标准IRIG-B时间码[1]（简称B码）作为时统设备的时间同步标准。B码具有世界通用、接口标准化、适用于远距离传输等特点。目前国内的IRIG-B编码大都以FPGA为核心控制器，资源消耗量大、编码精度低、工作效率和稳定性差。因此，需要更高效的控制器，有效的编码算法实现即插即用、授时精度高及运行稳定的新型编码器。鉴于SmartFusion2[2-3]是Microsemi的最新65nm工艺的片上系统产品，即是基于Flash架构FPGA发展而来，内部集成166 MHz的ARM Cortex-M3的硬核处理器，且不占用FPGA的逻辑资源，为用户提供高安全性、高可靠性及超低功耗等性能。本方案正是采用SmartFusion2作为编码器核心控制器，将FPGA和微处理器Cortex-M3优势相结合，实现高精度授时和高可靠性的时统设备IRIG-B码编码器。本方案正是采用SmartFusion2作为编码器核心控制器，将FPGA和微处理器Cortex-M3优势相结合，实现高精度授时和高可靠性的时统设备IRIG-B码编码器。

1 IRIG-B码简介

B码是一种串行的时间格式码[4-9]，用于各系统时间同步，IRIG-B码的帧周期为1秒，由100个码元组成，每个码元10ms，码元宽度有8ms、5ms和2ms三种，分别代表码元P（位置识别标志或基准码元）、二进制的1以及二进制的0，如图1所示。为了便于传输和提取B码中的信息，每10个码元中有一个位置识别标识，分别称为P1、P2、…、P9、P0。帧参考标志是由位置识别标志P0和相邻的基准码元Pr组成的，Pr的前沿即是每帧的准秒时刻，也就是从该准秒时刻起，按秒、分、时、天等时间信息进行编码，最终形成IRIG-B码，如图2所示。

2 硬件电路设计

IRIG-B码信号编码器的整体硬件电路设计框架如图3所示，这里的SmartFusion2在其内部配置了FPGA和Cortex-M3硬核处理器。

图1 IRIG-B码码元图

图2 IRIG-B码信号波形

图3 硬件电路设计框架

本设计中时钟源采用的是经过驯服的双模授时机（GPS/BD），其可以输出标准UTC（世界协调时）时间信息和同步1PPS（秒脉冲）及与其同源的10MHz时钟。首先，作为标准时钟源将UTC（世界协调时）时间信息和1PPS（秒脉冲）送入SmartFusion2，这里SmartFusion2采用Microsemi公司的M2S010芯片。接着，在SmartFusion2里，先经过Cortex-M3微处理器系统MSS进行编码程序，根据IRIG-B码标准格式，将UTC（世界协调时）时间信息转换成标准二进制码流并发送给FPGA编码模块；接着，FPGA编码模块对输入的二进制码流进行编码输出。

此处电源模块，以满足各芯片对供电电压的需求，分别需要电压为+5V、+3.3V，这里采用电源转换芯片LT1963ES8以完成+6.5V到+5V的转换，集成电路LT1963EST-3.3以完成+5V到+3.3V的转换。

3 软件程序设计

IRIG-B码信号编码器的软件设计主要是基于FPGA+Cortex-M3微处理器系统MSS而完成，如图4所示，其中，Cortex-M3微处理器系统MSS主要根据输入的1PPS，负责将时间信息转换成标准二进制码流的编码程序设计，FPGA主要负责Cortex-M3微处理器系统MSS的构建、IRIG-B码码流编码输出程序设计等。

3.1 IRIG-B码编码方法简述

根据IRIG-B码波形，在本设计中每1ms视为1bit，有脉宽为高电平1，否则为低电平0，则IRIG-B码中三种码元“P”、“1”和“0”分别用二进制表示为1111111100、1111100000和1100000000，则一帧IRIG-B（DC）码为100码元即为1000bit二进制码流。

MSS将输入的一帧标准UTC（世界协调时）时间信息进行解算，得到秒、分、时、日、月、年等时间信息，并根据IRIG-B码标准格式，将上述时间信息转换成相应的码元，并进行充实得到100码元；再将该码元“P”、“1”及“0”等，扩充转换为1000bit时间码流并存入大小为16bit的整形数组EncodeBuf[64]中；当1PPS脉冲到来时，将EncodeBuf[64]同步发送给FPGA编码模块；FPGA编码模块根据1PPS同步将收到的时间信息码流EncodeBuf[64]存入到双端口RAM中；同时由同源的1PPS和10MHz产生同源的1KHz时钟，根据此1KHz时钟，双端口RAM轮流将内存中时间码流以1bit字长，输出1000bit，即输出与输入1PPS同步的IRIG-B码波形，FPGA程序如图5、6所示。

图5 IRIG-B码编码核的FPGA程序

3.2 MSS程序设计简述

MSS里完成的程序设计，主要有以下几个方面：（1）对Cortex-M3微处理器系统MSS进行初始化。配置一个GPIO端口作为中断引脚，映射来自时钟源的1PPS（秒脉冲）中断；配置一个APB总线主模块，以输出已转换好的时间码流EncodeBuf[64]；配置一个UART模块，接收来自时钟源的标准UTC（世界协调时）时间信息。（2）读取时钟源的标准UTC时间信息并进行解算，得到秒、分、时、日、月、年等时间信息，并根据IRIG-B码标准格式，将上述时间信息转换成相应的码元，并进行充实得到一帧100码元；再将该码元“P”、“1”及“0”等，扩充转换为1000bit二进制时间码流并存入大小为16bit的整形数组EncodeBuf[64]中。（3）当1PPS中断到来时，将上述时间码流EncodeBuf[64]发送给FPGA编码模块。

3.3 FPGA程序设计简述

在FPGA里完成的程序设计主要有以下几个方面：

（1）设计锁相环PLL、复位电路，给FPGA程序里相应模块提供参考时钟与复位，并根据同源的1PPS（秒脉冲）和10MHz时钟，得到同源的1KHz时钟用于IRIG-B码流输出时钟，如图7所示。

（2）构建Cortex-M3微处理器系统MSS，包括CPU、GPIO模块、UART模块、APB总线等，如图8所示。

图4 总体软件设计程序

图6 IRIG-B码编码核的FPGA内部程序

图7 时钟模块的FPGA程序

图8 Cortex-M3微处理器系统MSS的FPGA程序

（3）定制码流接收模块，通过APB总线，以100MHz时钟，每成功读取大小为16bit的二进制码流，即刻将其输出，并使RE输出脚使能，如图9所示。

图9 码流接收模块的FPGA程序

（4）定制双端口RAM模块，FPGA程序采用了乒乓操作，即写RAM1操作的同时，进行读RAM2操作，而写RAM2操作的同时，进行读RAM1操作，如此循环操作，如图10所示，RAM写时钟为100MHz，写字长为16bit，而RAM读时钟为1KHz，其与1PPS同源，读字长为1bit，其中，RAM控制程序通过1PPS来控制RAM1、RAM2的读写切换及IRIG-B码波形输出，通过100MHz控制RAM写地址，通过1KHz控制RAM读地址。

图10 RAM读写模块的FPGA程序

4 实验测试结果

基于SmartFusion2芯片方案设计中FPGA部分采用Libero SoC v11.0设计软件，用Verilog HDL语言实现设计，Cortex-M3微处理器系统MSS部分采用Microsemi SoftConsole IDE v3.4编程软件设计，利用双模授时机（GPS/BD）作为时钟源，其可输出经过驯服的标准UTC（世界协调时）时间信息和同步1PPS（秒脉冲）及与其同源的10MHz时钟。根据本设计方案，接入时钟源信号，系统上电，测试结果如下：

图11 实验测试结果

用示波器监测1PPS输入端和IRIG-B码波形输出端口，从图11所示可看出，每1PPS对应一帧IRIG-B码数据。

图12 实验测试结果

根据IRIG-B码标准波形，如图2所示，将图12中任一帧IRIG-B波形展开，可得到帧参考标志P0Pr，准秒时刻及对应的10个位置识别标志，及各码元格式符合标准。用示波器上升沿触发方式捕捉1PPS上升沿，可获得如图13所示波形，可看出，输出的IRIG-B码准秒时刻与输入的1PPS误差优于20ns，则本设计的编码误差优于20ns，因此该B码信号编码器的设计完全符合标准要求。

图13 实验测试结果

5 结束语

本文分析了目前IRIG-B码编码技术实现的现状及存在的问题，介绍了IRIG-B码解码的基本原理，提出基于FPGA和Cortex-M3设计实现的IRIG-B码编码器，并结合某型双模授时机进行了监测。监测结果表明，新的IRIG-B码编码器完全满足时统设备授时的需求，明显提高了IRIG-B码的授时精度、提升了IRIG-B码编码效率、加强了系统运行的可靠性。

[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]冯胜民,陈娟花等．基于FPGA的IRIG-B码产生器设计与实现[J]．电子测量技术,2015,38(5):67-71．

[5]张建春,任记达．基于FPGA的IRIG-B码调制解调实现[J]．现代导航,2012,8(4):305-308．

[6]庞吉耀．基于FPGA的IRIG-B码编码器实现[J]．现代电子技术,2009(24):113-117．

[7]吴炜,周烨,黄子强．FPGA实现IRIG-B(DC)码编码和解码的设计[J]．电子设计工程,2010,18(12):162-164．

[8]朱敏,雷斌．基于FPGA的IRIG-B码编解码的设计与实现[J]．新特器件应用,2010(11):15-18．

[9]顾阳阳,付道文．基于FPGA的IRIG-B码编解器设计[J]．电子科技,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

陈伟（1987—），女，安徽合肥人，硕士研究生，安徽四创电子股份有限公司工程师。

国家电子信息产业发展基金项目，项目编号：工信部财[2013]472号。