小型/低功耗的靶场时间统一装置设计*

钱礼华，杜剑英，申晓敏，康 强，张 洁

(中国兵器工业试验测试研究院， 陕西华阴 714200)

0 引言

在靶场测量任务中，一般由弹道雷达、光电经纬仪、遥测站和高速成像设备等共同完成数据的获取和记录。多类型的测量数据和事件都必须按照严格统一的时间标准对它们进行分析和处理，这样才具有综合分析的价值[1-4]。

目前大型测量设备均具有时间统一设备，但小型的高速成像设备、遥测移动站和区截速度测量设备不具有时统功能[5]。文中针对以上设备的需求进行小型、低功耗的时间统一装置的设计论述。

1 主要技术指标

时间统一装置主要技术指标包含授时模块、触发端口、输出端口、内部时基和电源等部分。技术指标如下：

1)授时精度：20 ns

2)锁时精度：优于1 μs

3)触发方式：通断、断通、TTL、28 V

4)输出方式：通断输出、断通输出、TTL

5)供电方式：内部锂电池

6)工作温度：-20～50 ℃

2 工作原理

时间统一装置主要由信号调理模块、单稳态模块、授时模块、单片机、CPLD信号处理模块和LCD2004A显示模块等组成。工作原理见图1。

图1 工作原理图

授时模块[6]为时间统一装置提供UTC时间信息和PPS秒脉冲，利用内部单片机电路和CPLD电路分别对时间信息解读和秒信号进行处理；当外部触发信号到来时，锁定当前时间信息和秒时刻并利用LCD进行显示。

工作流程如下：

1)单片机接收卫星模块串口TXD1发送的信息并解析，当接收卫星有效数量大于5时，单片机控制LCD2004A显示当前卫星数量和时、分、秒时间信息，点亮TB-LED指示灯。

2)时间统一装置接收到外部的触发(启动)信号后，经信号调理和单稳态电路处理，对外输出2路通断、2路断通和2路TTL信号共6路。

3)当触发信号到来时，Stop跳变为低电平，即关闭计数器脉冲，6位同步计数器锁定当前微秒时刻xμs，微秒数据通过串口模块以9 600波特率传给STC单片机的串口2。

4)单片机收到CPLD发送的trg触发信号后，控制LCD2004A显示当前为锁定状态和锁定的时、分、秒、微秒时间信息，单片机将时间信息处理后，在LCD2004A上显示了触发时刻的时、分、秒、微秒信息。

3 电路和时序设计

3.1 卫星授时模块

时间统一装置内部为一款高性能BDS/GNSS 全星座定位授时模块[6]，采用低功耗AT6558芯片，支持BDS、GPS、GLONASS和GALILEO等多种卫星导航系统。

图2 卫星授时模块的应用电路

卫星授时模块的应用电路如图2所示。模块输出精确秒脉冲PPS，脉冲上升沿与UTC时间对齐。设计时采用单片机异步串行通信方式与卫星授时模块进行信息交换。卫星授时模块输出兼容国际标准NMEA0183 协议。

设计中只读取输出＄GNGGA信息。该语句包含时间、纬度、经度、卫星数量、速度、高程等信息。

3.2 单片机数据解析

利用STC15L2K60S2单片机串口接收卫星授时模块发送的信息，提取出时间、状态和卫星数量等10位数据。LCD2004A的显示效果见图3。可以读出当前时间为11时、 56分、 53秒；卫星模式为1(差分状态)；接收到有效卫星数量为8颗；时统装置处于同步状态。

图3 LCD2004A显示图

单片机数据解析＄GNGGA 信息的中断子函数如下：

void RECEIVE_DATA(void) interrupt 4 using 3

{

unsigned char temp=0; ES=0;

temp=SBUF;

RI=0;

LED1=～LED1;

if(temp == '＄')

{

RX_Count=0;

Flag_GPS_OK=0;

}

RX_Buffer[RX_Count++]=temp;

if(RX_Count >= 68)

{

RX_Count=68;

Flag_GPS_OK=1;

}

ES=1;

}

3.3 CPLD内部逻辑控制单元

CPLD作为控制核心，负责PPS信号处理及锁时时刻获取。CPLD在接收到单片机发送来的同步信号后，打开与门使GPS-PPS信号通过，该信号进一步处理，输出稳定的内部PPS信号；因此当时间统一装置同步一次后，即使出现卫星接收机短时失步，内部PPS信号也可保证时间统一。由于设计采用的晶体振荡器为0.1PPM，因此在失步大于10 s以内时，同步误差也能小于1 μs。图4为PPS处理电路。

图4 PPS处理电路

3.4 锁时电路设计

当锁时信号(stop)到来时，CPLD内部设计的6位同步计数器锁定当前时刻。图5为锁时处理电路。

图5 锁时处理电路

3.5 低功耗设计

时间统一装置主要工作在野外试验场地，一般由电池供电，因此在设计中进行低功耗设计。

主要工作核心电路和显示期间均选取3.3 V低电压、低功耗器件：如MCU选用了STC公司低功耗处理器STC15L2K60S2单片机；控制器选用EPM570；显示器件选用LCD2004A；晶体振荡器选用TCXO温补型。在设计中对于未使用单片机I/O口均采用Input和pull-up模式，其单端口电流消耗仅为0.4 μA；因此电路总电流约120 mA。经实测采用3.7 V/2 600 mAH的锂电池供电，连续工作时间大于10 h。

4 检测与验证

时间统一装置在检测性能时，先利用安捷伦53132A高精度计数器进行时钟的频率准确度、频率稳定度检测；然后利用比对的方法对锁时误差进行比对校准。校准示意如图6。

同步触发器发出两路同步信号分别是T0输入至时间统一装置和高精度计数器；高精度计数器的两路输入信号，一路为PPS时间，另一路为T0。当时间统一装置发出触发信号T0时，时间统一装置锁定触发时刻时间，记为T1；同时高精度计数器也测量得到T0和PPS时间的差值，记为T2。通过比对T1记录下的秒以下时间数据和T2的差值，就可得出锁时误差值。装置经计量检验，锁时差值为0.5 μs。

5 结论

严格统一的时间基准是多数据综合测试任务中至关重要的参数之一。从靶场测试实际出发，基于时间统一装置的主要功能和技术指标要求，对卫星授时、CPLD内部逻辑控制、STC单片机数据解析、锁时及低功耗等模块进行优化设计，研制了一种小型、低功耗的靶场时间统一装置。该装置经检验,锁时误差仅为0.5 μs。在靶场外场使用内部电池的情况下，可连续工作10 h以上，且能够可靠触发连接的高速录像和区截速度测量设备。各项指标均满足设计要求，具有良好的应用前景。