基于FPGA的IRIG-B編碼器的設計

2.2 GPS授時模塊M12T

M12接收器是Motorola公司優秀ONCORE家族中的新成員，廣泛用于各類定位、導航、授時設備中，擁有全GPS行業內最快的初次定位時間和重捕獲衛星的時間。M12T是針對GPS授時推出的定時精度更高的增強型產品。M12T具有12個并行通道，可同時跟蹤12顆衛星，重捕獲時間小于1.0 s。當擁有當前天歷、位置、時間和星歷數據時，首次定位時間TTFF15 s。在位置保持狀態時，定時精度(1 pps或100 pps)小于12 ns。

2.3 FPGA和DAC

FPGA采用Altera CycloneⅡEPC2C5T144，該芯片有4 608個LE，26個M4K，兩個模擬鎖相環。DAC采用單通道、單電源、自帶基準的MAX5712。MAX5712是微型引腳，12 b解析度，片上精密輸出放大器提供滿擺幅輸出。MAX5712用兼容SPITM／QSPITM／MICROWIRETM和DSP標準接口的3線串行接口。所有輸入都兼容于CMOS邏輯，并經過施密特觸發器緩沖，允許直接接光電耦合器。MAX5712含有上電復位(POR)電路，確保上電時DAC處于零電壓輸出狀態。

3 時鐘模塊實現

3.1 基準時刻和索引脈沖的提取

要保證B碼每個碼元的上升沿時刻準確，需要100 pps的精確時基和pps的參考點。一般的做法是用pps作為基準，每個碼元的起點由前兩個秒脈沖的間隔等分得到。這種方法使用上一時刻來預測下一秒，每秒脈沖有抖動時會導致最后一個碼元寬度不足或超過10 ms，這將無法利用B碼來實現時間同步和數據等間隔同步的采集。本文直接使用M12T產生的100 pps信號作為每個碼元的起始時刻，然后再從100 pps信號中恢復出1 pps。由于B碼參考標記Pr=1 pps的上升沿，所以這種方法既保證Pr的準確性，又保證各個碼元和索引標記時刻的準確性。在有等間隔同步數據采樣要求的場合，可使用每個B碼碼元的上升沿校準本地時基，確保采樣同步和時間同步。

M12T輸出的100 pps信號(以下稱PPM12)如圖3所示，每個脈沖的上升沿時刻準確，周期10 ms，在pps的參考點，脈沖寬度為6～8 ms，其他時刻2～4 ms，脈沖寬度不是關注的重點。

B碼的每個碼元恰好與上述100 pps信號對應。首先在FPGA中構建一個模100的碼元計數器MMH和一個高電平脈沖寬度檢測器，通過下面的方法和步驟可以恢復pps。

(1)在PPM12信號的上升沿復位寬度檢測器，高電平計時，在下降沿停止并輸出Tb；

(2)在PPM12下降沿檢查Tb，當6 msb8 ms時，令MMH=1，否則執行下面的操作：

if MMH=99 then MMH=0

else MMH=MMH+1

(3)在PPM12信號的上升沿檢查MMH，如果MMH=0，則當前脈沖的上升沿是參考點Pr，觸發輸出8 ms高電平脈沖作為pps信號，重復步驟(1)～(3)，在PPM12信號上升沿檢查MMH；如果MMH的個位為9或者MMH=0，則當前脈沖標記為索引脈沖，即輸出8 ms高電平。

3.2 絕對時間獲取

通過在FPGA上構建一個UART與M12T互連。為了簡化FPGA對M12T的配置和輸出時間的獲取，將UART分成兩部分設計，即發送模塊txmit和接收模塊rcvr。發送模塊用一個M4K設計一個512×8 FIFO，在系統復位后的若干個時鐘，利用一個狀態機將M12T的配置數據寫入FIFO；然后通過txmit模塊配置M12T，配置結束后，UART模塊將M12T的時間碼轉發到外部RS 232接口，同時可以轉發外部接口的配置數據到M12T。接收模塊采用寄存器模式，只接收M12T發來的絕對時間信息，這樣后面的編碼模塊可以直接使用這些時間信息。做法如下：設計一個接收計數器rx_count，每接收一個字節計數器自加，并根據rx_count決定是否保存時間碼。由于M12T每秒中發送一幀，故在檢測到pps時復位該計數器。