摘要：在分析武器裝備靶場試驗(yàn)測控設(shè)備同步技術(shù)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，提出了一種多功能內(nèi)置式IRIG-B碼終端設(shè)計(jì)；給出了終端的組成、功能與工作過程，詳細(xì)介紹了IRIG-B碼采集模塊、IRIG-B碼產(chǎn)生模塊和軟件模塊的設(shè)計(jì)；終端具有通用性強(qiáng)、同步精度高、體積小等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：測控設(shè)備；GPS；IRIG-B；時(shí)間統(tǒng)一；單片機(jī)

    武器裝備靶場試驗(yàn)時(shí)需多臺(tái)／套測控設(shè)備(測量與控制設(shè)備的簡稱)參加，不同測控設(shè)備獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)在時(shí)間上密切相關(guān)。因此，要求參試測控設(shè)備(有時(shí)包括被試裝設(shè)備)在時(shí)間統(tǒng)一信號(hào)(簡稱時(shí)統(tǒng)信號(hào)。是各種時(shí)間編碼信號(hào)、各種頻率定時(shí)信號(hào)和時(shí)標(biāo)信號(hào)的統(tǒng)稱)協(xié)調(diào)下工作。為了保證各參試測控設(shè)備時(shí)鐘同步，靶場除設(shè)置時(shí)統(tǒng)中心站外，一般需根據(jù)參試測控設(shè)備、被試裝設(shè)備投入情況，設(shè)置多個(gè)時(shí)統(tǒng)分站。時(shí)統(tǒng)分站通過通信線路和時(shí)間碼與時(shí)統(tǒng)中心站聯(lián)系，并與時(shí)統(tǒng)中心站保持頻率和時(shí)間同步，再向用戶(測控設(shè)備或被試裝設(shè)備)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)。試驗(yàn)過程中由時(shí)統(tǒng)中心站接收國家授時(shí)臺(tái)發(fā)播的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)時(shí)，并向時(shí)統(tǒng)分站送出對(duì)時(shí)、校頻信號(hào)．統(tǒng)一靶場時(shí)間。
    隨著靶場時(shí)統(tǒng)設(shè)備(時(shí)間統(tǒng)一設(shè)備的簡稱。產(chǎn)生與輸出各種時(shí)間編碼、定時(shí)信號(hào)和接授時(shí)間碼對(duì)時(shí)同步的設(shè)備，包括時(shí)碼鐘、時(shí)統(tǒng)中心控制臺(tái)等)采用GPS時(shí)間作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，在測控設(shè)備中采用GPS授時(shí)技術(shù)自主同步靶場時(shí)間的條件已經(jīng)成熟，研究基于GPS衛(wèi)星時(shí)間的IRIG-B碼終端設(shè)備十分必要。

1 靶場測控設(shè)備同步技術(shù)現(xiàn)狀
    靶場測控設(shè)備經(jīng)歷了脈沖形式時(shí)統(tǒng)信號(hào)同步，IRIG-B時(shí)間碼(以下簡稱IRIG-B碼)同步，GPS衛(wèi)星時(shí)間同步等階段。脈沖同步信號(hào)傳輸距離有限，抗干擾能力弱，不能提供絕對(duì)時(shí)間信息，測控設(shè)備在試驗(yàn)飛機(jī)或艦船上安裝時(shí)需采用電臺(tái)傳送時(shí)統(tǒng)信號(hào)。此種同步模式在測控系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備間同步采樣時(shí)仍普遍采用。
    IRIG-B碼是IRIG(美國靶場時(shí)間測量組)制訂的一種串行BCD調(diào)制時(shí)間碼。IRIG-B時(shí)間編碼信息為天、時(shí)、分、秒，碼元速率為100脈沖／s，時(shí)幀周期為1 s，秒標(biāo)志和位置識(shí)別符脈沖寬度為8 ms，“1”碼寬度為5 ms，“0”碼和索引計(jì)數(shù)符脈沖寬度為2 ms。幅度調(diào)制的載波頻率為1 kHz，無載波調(diào)制時(shí)稱直流(DC)碼，有載波調(diào)制時(shí)稱交流(AC)碼。測控設(shè)備在試驗(yàn)飛機(jī)或艦船上安裝時(shí)仍需采用電臺(tái)傳送IRIG-B碼信號(hào)，此種同步模式目前在靶場測控設(shè)備中普遍采用。
    GPS衛(wèi)星時(shí)間是導(dǎo)航、遙測及精確時(shí)間傳遞等領(lǐng)域的時(shí)間基準(zhǔn)。在需要準(zhǔn)確時(shí)間的系統(tǒng)上加裝GPS衛(wèi)星時(shí)間的采集和本地時(shí)間校準(zhǔn)裝置，便可使系統(tǒng)時(shí)間始終與GPS衛(wèi)星時(shí)間同步。GPS接收機(jī)不受時(shí)間、地點(diǎn)和氣候的限制，只要能同時(shí)接收4顆以上衛(wèi)星信號(hào)即可提供高精度、連續(xù)實(shí)時(shí)授時(shí)信息。GPS衛(wèi)星時(shí)間目前已成為公認(rèn)的一種時(shí)間基準(zhǔn)，已開始在靶場測控設(shè)備中得到應(yīng)用。

2 總體設(shè)計(jì)
2．1 終端組成
    IRIG-B碼終端設(shè)計(jì)為PCI總線結(jié)構(gòu)形式，GPS OEM模塊固定在PCI卡上。終端由GPS OEM模塊，IRIG-B碼采集模塊，IRIG-B碼產(chǎn)生模塊等組成，其組成如圖1所示。

2．2 終端功能
    1)GPS衛(wèi)星時(shí)間同步；
    2)IRIG-B碼同步；
    3)IRIG-B碼產(chǎn)生；
    4)提供脈沖形式、電流環(huán)形式同步采樣信號(hào)；
    5)提供事件標(biāo)記中斷時(shí)間。
2．3 終端工作過程
    終端插入測控設(shè)備計(jì)算機(jī)擴(kuò)展槽，控制計(jì)算機(jī)加電后8031、8751復(fù)位。控制計(jì)算機(jī)通過對(duì)終端編程實(shí)現(xiàn)同步模式選擇，通過編程實(shí)現(xiàn)同步采樣信號(hào)頻率修改。
    選擇GPS衛(wèi)星時(shí)間同步模式時(shí)，GPS接收信號(hào)穩(wěn)定后終端對(duì)外輸出同步采樣信號(hào)。選擇IRIG-B碼同步模式時(shí)，大約1秒終端對(duì)外輸出同步采樣信號(hào)。
    事件標(biāo)記中斷出現(xiàn)時(shí)終端提供中斷時(shí)刻時(shí)間信息。
    GPS衛(wèi)星時(shí)間同步時(shí)，對(duì)外輸出基于GPS衛(wèi)星時(shí)間的IRIG-B碼時(shí)間信號(hào)，提供相當(dāng)于靶場時(shí)統(tǒng)分站的功能。

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)
3．1 IRIG-B碼采集模塊設(shè)計(jì)
    IRIG-B碼采集模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。8751單片機(jī)內(nèi)部有4 kB的EPROM存貯器，片內(nèi)EPROM已存入終端工作程序。當(dāng)選擇IRIG-B碼同步時(shí)，B碼時(shí)間的檢測由8751和一組并行十進(jìn)制計(jì)數(shù)器完成。當(dāng)終端選擇GPS衛(wèi)星時(shí)間同步時(shí)，秒以下時(shí)間信息的產(chǎn)生與選擇IRIG-B碼同步時(shí)一致，秒以上時(shí)間從NMEA 0183報(bào)文獲得(RS-232接口)。

    8751 P0端口和P2端口用作地址總線和數(shù)據(jù)總線，P1端口的P1．1接收IRIG-B碼，P1．2接收事件標(biāo)記，P1．0用于精確計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器修正量的置入。P3．0用于接收GPS衛(wèi)星時(shí)間報(bào)文，P3．2用于B碼每個(gè)碼元的中斷INT0：P3．3用作外部中斷(INT1)入口，用于接收GPS 1PPS作為GPS衛(wèi)星時(shí)間報(bào)文的基準(zhǔn)。定時(shí)器0用作定時(shí)中斷產(chǎn)生，用于B碼檢測；定時(shí)器1用作串行口波特率發(fā)生器。
    可編程計(jì)數(shù)器用于時(shí)間量的精確計(jì)時(shí)，最大計(jì)數(shù)值1 s。為使計(jì)數(shù)器和IRIG-B碼同步，需對(duì)計(jì)數(shù)器初值進(jìn)行修正。修正量可通過理論計(jì)算或?qū)崪y得到，并由8751寫入鎖存器。當(dāng)8751檢測到IRIG-B碼參考標(biāo)志時(shí)，P1．0端發(fā)出一個(gè)置入脈沖，將鎖存器中的修正量置入計(jì)數(shù)器，達(dá)到同步目的。
    IRIG-B碼檢測和時(shí)間信息的讀出由軟件完成，IRIG-B碼同時(shí)接到P1．1和INT0(P3．2)，每個(gè)碼元脈沖前沿均引起一次中斷，進(jìn)入中斷后由軟件判斷碼元脈沖寬度，當(dāng)連續(xù)檢測到2個(gè)8 ms寬碼元時(shí)，即表示檢測到IRIG-B碼參考標(biāo)志，在P1．0端口發(fā)出一個(gè)計(jì)數(shù)器修正量置入脈沖，之后進(jìn)入數(shù)碼判讀程序。在數(shù)碼碼元位置檢測到5 ms寬碼元時(shí)記作“1”，檢測到2 ms寬的碼元時(shí)記作“0”。
    B碼采集模塊設(shè)置一組分頻器用于產(chǎn)生各種頻率采樣信號(hào)，分頻器的輸入是時(shí)間計(jì)數(shù)器輸出的100 kHz脈沖，通過分頻器輸出不同頻率脈沖形式同步采樣信號(hào)和電流環(huán)形式同步采樣信號(hào)。
    當(dāng)選擇GPS衛(wèi)星時(shí)間同步時(shí)，秒以上時(shí)間信息從GPSOEM模塊NMEA 0183報(bào)文獲得，秒以下時(shí)間信息從六位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的高四位中讀出。兩部分時(shí)間信息合并組成當(dāng)前時(shí)間信息，并自動(dòng)寫入雙端口RAM供控制計(jì)算機(jī)讀取。當(dāng)選擇IRIG-B碼同步時(shí)，秒以上時(shí)間信息的檢出每秒一次，秒以下時(shí)間信息的獲得同GPS衛(wèi)星時(shí)間同步模式。
3．2 IRIG-B碼產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)
    IRIG-B碼產(chǎn)生模塊與GPS OEM模塊的連接如圖3所示。利用GPS OEM接收機(jī)輸出的NMEA 0183報(bào)文和外部1PPS信號(hào)得出GPS時(shí)間的年、月、日、時(shí)、分、秒信息，分別作為IRIG-B碼產(chǎn)生模塊的時(shí)間編碼信息和1PPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)。對(duì)外部5 MHz進(jìn)行隔離、放大、分頻得到1 MHz頻率信號(hào)，再將1 MHz頻率信號(hào)分別送2 ms、5 ms、8 ms產(chǎn)生模塊，由2 ms、5 ms、8 ms產(chǎn)生模塊分別對(duì)1 MHz頻率信號(hào)進(jìn)行500、200、125分頻，產(chǎn)生頻率為100 Hz、脈沖寬度分別為2 ms、5 ms、8 ms時(shí)鐘信號(hào)。

    8051根據(jù)年、月、日、時(shí)、分、秒信息和標(biāo)準(zhǔn)1PPS信號(hào)，控制兩路IRIG-B(DC)碼產(chǎn)生模塊產(chǎn)生IRIG-B(DC)碼信號(hào)。供戰(zhàn)位附近其他測控設(shè)備與靶場時(shí)間同步時(shí)使用。
3．3 軟件模塊設(shè)計(jì)
    軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序如圖4所示、B碼中斷服務(wù)程序如圖5所示、定時(shí)器0中斷服務(wù)等程序如圖6所示組成。

    1)主程序
    控制計(jì)算機(jī)加電后8751復(fù)位，主程序?qū)Υ锌诔跏蓟?，取?jì)數(shù)修正量并開中斷。根據(jù)中斷程序設(shè)置的狀態(tài)位判斷本IRIG-B碼碼元是“0”或是“1”、還是B碼同步頭(標(biāo)志碼)。一幀IRIG-B碼結(jié)束后讀取瞬時(shí)時(shí)間并送雙端口RAM，然后進(jìn)行下一幀的檢測。
    2)IRIG-B碼中斷服務(wù)程序
    每個(gè)IRIG-B碼脈沖前沿均引起一次中斷，進(jìn)入中斷后由軟件判斷碼元脈沖寬度，當(dāng)連續(xù)檢測到2個(gè)8 ms寬碼元時(shí)，即表示檢測到了IRIG-B碼標(biāo)志。在P1．0端口發(fā)出一個(gè)計(jì)數(shù)器修正量置入脈沖，之后進(jìn)入數(shù)碼判讀程序。檢測到5 ms寬碼元時(shí)記作“1”，檢測到2 ms寬碼元時(shí)記作“0”。
    3)定時(shí)器0中斷服務(wù)程序
    定時(shí)器0中斷是定時(shí)器0的溢出中斷，用于判斷B碼是否存在，此中斷只置中斷次數(shù)標(biāo)記。
    4)事件標(biāo)記
    事件標(biāo)記用于確定重要事件發(fā)生時(shí)的絕對(duì)時(shí)間。如彈動(dòng)時(shí)間，導(dǎo)彈起飛時(shí)間等。終端可將事件出現(xiàn)時(shí)間寫入雙端口RAM，供控制計(jì)算機(jī)讀取。

4 結(jié)束語
    靶場測控設(shè)備普遍采用GPS衛(wèi)星時(shí)間自主同步后，不用再在試驗(yàn)現(xiàn)場設(shè)置時(shí)統(tǒng)分站，免除在試驗(yàn)飛機(jī)、艦船、車輛等載體上加裝時(shí)統(tǒng)設(shè)備。有利于減少參試兵力，方便試驗(yàn)組織與指揮，提高試驗(yàn)綜合效益。