嵌入式北斗時間服務(wù)器的B碼授時實現(xiàn)

摘要

本文介紹了嵌入式北斗時間服務(wù)器的主要功能，B碼的實現(xiàn)原理，重點講述了設(shè)備中B碼編碼和B碼解碼的實現(xiàn)過程。

關(guān)鍵字

B碼、編碼、解碼、碼元、TOD+1PPS、BCD碼、定時器、中斷、I/O

北斗時間服務(wù)器功能描述

北斗衛(wèi)星接收終端接收北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的RNSS無線電信息，

通過內(nèi)部PVT解算，計算出用戶當(dāng)前的位置、速度以及當(dāng)前時間信息。北斗的時間信息具有非常好的特性，其中包括年、月、日、時、分、秒等完整信息，而且其輸出秒脈沖精度可達(dá)到20ns以內(nèi)，是一種非常好的時間基準(zhǔn)源。北斗終端設(shè)備對外輸出的標(biāo)準(zhǔn)對時接口是串口加秒脈沖，即TOD+1PPS，其中TOD（Time Of Data）包含年月日時分秒信息，1PPS是整秒脈沖，邊沿具有精確對時作用，一般以TTL電平脈沖形式或485差分脈沖形式實現(xiàn)。

IRIG-B碼（簡稱B碼）是在靶場測量、工業(yè)控制、計算、通信、氣象等時統(tǒng)和測試設(shè)備中采用的國際標(biāo)準(zhǔn)時間碼，因此，在北斗接收終端中添加B碼功能，可以將北斗時間引入上述行業(yè)中，實現(xiàn)利用北斗時間的高精度特性進(jìn)行對時的目標(biāo)。

B碼的原理

IRIG-B碼幀周期為1s，包含100個碼元，從秒準(zhǔn)時點起，按s、

min、h、d，y時間信息進(jìn)行編碼。每個碼元10ms，脈沖寬度編碼，2ms表示二進(jìn)制0、分隔標(biāo)志或未編碼位，5ms表示二進(jìn)制1，8ms表示整100ms基準(zhǔn)標(biāo)志。 秒準(zhǔn)時沿用連續(xù)兩個8ms寬度基準(zhǔn)標(biāo)志脈沖的第二個脈沖的前沿上升沿表示。 從起始標(biāo)志開始、秒（個位）、分隔標(biāo)志、秒（十位）、基準(zhǔn)標(biāo)志、分（個位）、分隔標(biāo)、分（十位）、基準(zhǔn)標(biāo)志、時（個位）、分隔標(biāo)志、時（十位）、基準(zhǔn)標(biāo)志、自當(dāng)年元旦開始的天（個位）、分隔標(biāo)志、天（十位）、基準(zhǔn)標(biāo)志、天（百位）、7個控制碼、自當(dāng)天0時整開始的秒數(shù)（為純二進(jìn)制整數(shù)）、結(jié)束標(biāo)志。根據(jù)TEEE Std 1344-1995規(guī)定，在IRIG-B P50-P58位增加年份，年、月、日、時、分、秒為BCD碼格式。 下圖為一個標(biāo)準(zhǔn)的B碼編碼時間例圖：

B碼編碼實現(xiàn)方法

在北斗時間服務(wù)器內(nèi)部采用STM32的Cortex-M4芯片作為主控MCU，B碼編碼在MCU內(nèi)部通過軟件編程實現(xiàn)，編碼邏輯確定后，通過Cortex-M4芯片的一個I/O管腳翻轉(zhuǎn)高低電平輸出TTL電平的B碼編碼邏輯，如果需要將TTL電平轉(zhuǎn)換成差分電平信號，可以通過外部增加硬件差分驅(qū)動芯片實現(xiàn)。軟件實現(xiàn)過程中，在主程序中獲取北斗終端設(shè)備PVT解算輸出的精確到秒的年月日時分秒時間信息，將時間信息在1PPS秒邊沿進(jìn)行精確對時，并且用1PPS對準(zhǔn)B碼輸出的起始沿，再將完整時間信息轉(zhuǎn)換成B碼格式，存儲到B碼編碼的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中等待1PPS秒邊沿到達(dá)。

typedef struct{

u32     allSec;       //一整天的秒數(shù)

u8   Year[2];   //Year 21

u8   totalDay[3];   //Day  0-365

u8   Hour[2];   //Hour 0-24

u8   Minute[2];   //Minute 0-59

u8   Second[2];   //second  0-59

}ENC_DATA;

在1PPS秒邊沿到達(dá)后，給剛才的時間信息加1，啟動1毫秒定時器，在1毫秒定時中斷程序中，全局變量bcode_1ms開始從零計數(shù)，bcode_1ms變量每毫秒累加1次，根據(jù)bcode_1ms累加數(shù)與對應(yīng)B碼碼元寬度比對，翻轉(zhuǎn)相應(yīng)MCU的I/O口輸出電平狀態(tài)，完成一輪B碼編碼。在上一輪B碼編碼過程中，同時在主程序中取下一輪的編碼時間信息，重復(fù)上述過程，保證時間的連續(xù)性。

B碼解碼實現(xiàn)方法

北斗時間服務(wù)器也可以通過B碼的輸入獲取時間信息，通過B碼解碼將B碼信息轉(zhuǎn)換成TOD+1PPS形式的時間信息供其它標(biāo)準(zhǔn)北斗設(shè)備使用。

需要解碼的B碼信息通過北斗時間服務(wù)器內(nèi)部的Cortex-M4芯片的一個I/O管腳輸入，在Cortex-M4芯片的嵌入式軟件編程中，將這個I/O管腳的輸入狀態(tài)配置為中斷接收狀態(tài)，并同時用上升沿+下降沿的中斷觸發(fā)方式（EXTI_Trigger_Rising_Falling）啟動中斷輸入程序。在中斷輸入程序中，上升沿啟動1毫秒定時器，開始全局變量high_1ms的累加計數(shù)（high_1ms++，），下降沿終止1毫秒定時器中high_1ms的累加計數(shù)，開始全局變量low_1ms的累加計數(shù)（low_1ms++，），上升沿終止1毫秒定時器中l(wèi)ow_1ms的累加計數(shù)，通過這兩個毫秒計數(shù)值的累加計數(shù)結(jié)果，判斷當(dāng)前碼元狀態(tài)：是0或者是1或者是分隔標(biāo)志等。對于1秒的B碼時間信息，因為有100個碼元，在數(shù)據(jù)存儲上采用200個字節(jié)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（DutyBuf[200]）循環(huán)冗余存儲碼元的高電平持續(xù)時間計數(shù)值，在嵌入式主程序中，首先檢索到秒起始標(biāo)志，然后循環(huán)讀取DutyBuf[200]中的每個值，將存儲的高電平毫秒計數(shù)通過比對翻譯、拼包，形成實時的完整的年月日時分秒的時間信息，此時間信息可以通過串口作為TOD輸出，另外根據(jù)B碼的起始沿，可以對時1PPS邊沿，對外輸出標(biāo)準(zhǔn)的1PPS秒脈沖。

需要注意的是，在B碼解碼的過程中，對于MCU的I/O口輸入，要采取適當(dāng)?shù)姆蓝洞胧乐拐`碼，防抖的方法可以采用中斷輸入結(jié)合查詢讀取端口狀態(tài)的方法。

結(jié)束語

北斗時間服務(wù)器的B碼輸出功能，補充了北斗設(shè)備的時間信息輸出形式，為各種行業(yè)利用北斗高精度時間基準(zhǔn)提供了可能，充分利用了我國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星資源。B碼解碼功能可以在北斗導(dǎo)航信號受遮擋等原因中斷的情況下，使北斗時間服務(wù)器可以從其它外部設(shè)備獲取相當(dāng)精度的時間信息，保證了北斗時間服務(wù)器中時間信息的連續(xù)性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

2）、IRIG-B碼格式與原理

3）、STM32F4XX參考手冊

1）、《2022年中國衛(wèi)星應(yīng)用行業(yè)全景圖譜》

4）、《北斗三號民用終端通用數(shù)據(jù)接口要求》

5）、《CASIC 多模衛(wèi)星導(dǎo)航接收機協(xié)議規(guī)范》