1. 引言

在民用飛機飛行試驗中，為了保證圖像測試數據的準確可靠，機上圖像測試系統中不同測試設備時間需要嚴格的統一。原子鐘是一種非常穩定的時鐘源，可以提供精確的時間信息用于時間同步。但是在機載環境下，安裝空間狹小，安裝位置受限，無法使用原子鐘作為時鐘源。

使用導航衛星對機載高速攝像機進行時間同步，可以滿足圖像測試系統對時間同步的精度要求。隨著我國北斗二代衛星導航系統一期組網完成和接口控制文件的公布，北斗衛星導航系統開始向亞太大部分地區正式提供連續無源定位、導航、授時等服務，本文研究了使用北斗衛星導航系統對機載高速攝像機進行時間同步的技術，設計了基于北斗衛星系統的機載高速攝像機時間同步器。

2. 時間同步技術方案

目前絕大多數機載高速攝像機外部同步時間輸入都支持IRIG-B碼，時間同步器接收北斗衛星時間信息，將衛星發送的UTC時間編碼轉換為IRIG-B時間碼需要的格式，并產生IRIG-B時間碼的波形輸出，IRIG-B時間碼的起始位置必須和整秒的起始位置嚴格對齊。同步器內部邏輯框圖如下圖：

圖1 時間同步器方案框圖

UM220-T接收北斗二代衛星時間信息，將時間信息以NMEA-0183語句輸出至STM32，STM32將解碼UTC時間，將其編碼為IRIG-B需要的時間信息，通過串行總線送入FPGA中，同時STM32通過SPI接口控制OLED顯示屏，實時顯示當前定位狀態和時間信息。FPGA將接收的時間信息編碼為IRIG-B（DC）碼和IRIG-B（AC）碼輸出，由于FPGA輸出的IRIG-B（AC）碼實際上為IRIG-B（AC）碼的數字信號，需要通過高速DA轉換以及運放信號調理來實現將數字IRIG-B（AC）碼轉換成模擬信號用于機載高速攝像機時間同步。

2.1 UM220-T北斗衛星接收模塊

UM220-T 模塊是針對授時應用領域推出的北斗/GPS雙系統精密授時產品，支持靜態授時，單星授時，集成度高、功耗低，適合北斗授時領域的應用。采用先進的多路徑抑制技術，以及優化的授時算法，提供精確的1PPS 輸出。創新的多系統融合開放式架構，保證不同系統的可用衛星均可參與聯合定位、授時，提高可靠性，保障長時間連續可靠的授時輸出。支持單星授時功能，在僅有一顆可見衛星時，仍能保持精確、穩定的 1PPS 輸出。

2.2 STM32微控制器

STM32系列32位微控制器使用來ARM公司設計的Cortex-M3內核，該內核是專門設計于滿足集高性能、低功耗、實時應用的嵌入式領域的要求。Cortex-M3相比以往的微控制器在系統結構上進行了增強，使用的Thumb-2指令集帶來了更高的指令效率和更強的性能;緊耦合的嵌套矢量中斷控制器，對中斷事件的響應比以往更迅速。

時間同步器設計方案中使用STM32完成接收UM220-T發送的時間信息，從中解碼出當前UTC時間，將其轉換為標準的IRIG-B時間后通過自定義串行輸出口輸出至FPGA，同時STM32還負責驅動OLED顯示屏，實時的顯示當前的定位狀態和時間信息，方案設計中還增加了實時時鐘芯片（RTC），以便于在收星條件不好時，為測試系統提供一個參考時間。

設計中使用的STM32F103RB具有擴展工業級的工作溫度范圍，可達72MHz的主頻，可以實現在將UTC時間編碼為IRIG-B時間的同時完成驅動OLED顯示屏的功能。

2.3 FPGA芯片實現IRIG-B編碼

當前絕大多數機載高速攝像機都支持使用IRIG-B進行時間同步，IRIG是美國靶場儀器組的簡稱。IRIG時間標準有兩大類：一類是并行時間碼格式，這類碼由于是并行格式，傳輸距離較近，且是二進制，因此遠不如串行格式廣泛;另一類是串行時間碼，共有六種格式，即A、B、D、E、G、H。它們的主要差別是時間碼的幀速率不同，IRIG-B即為其中的B型碼。B型碼的時幀速率為1幀/S。

北斗時間同步器設計中使用FPGA直接數字頻率合成技術實現時間信息的IRIG-B碼型產生。直接數字頻率合成（DDS）是一種全數字化的頻率合成器，由相位累加器、波形ROM、D/A轉換器和低通濾波器構成，它具有頻率分辨率高、頻率切換快、頻率切換時相位連續等優點。

3 時間同步器設計

3.1 硬件電路設計

3.1.1 供電部分電路

同步器內部設計中UM220-T、STM32、RTC供電電壓為3.3V，FPGA的IO供電電壓為3.3V，FPGA內核以及PLL供電電壓為1.2V，高速DA運放供電為±5V，機上電源提供28V供電，故需要將28V電壓轉換為各個部分需要的電壓， 設計中采用北京新雷能科技有限公司生產的DPB16-24D5-5EB電源，它具有18~36V的寬范圍輸入電壓，輸出±5V。通過LM1085-3.3的LDO芯片，將5V電壓降壓得到3.3V電壓。此芯片最大電流支持到3A。再通過AMS1117-1.2獲取1.2V電壓，由于1.2V電壓是提供給FPGA內核的工作電壓，以及FPGA內部PLL的工作電壓，1.2V電壓的純凈程度要求比較高，需采用鉭電容濾波，設計中電源輸入部分還加入了SS14二極管反接保護電路。

圖2 電源供電部分設計電路

3.1.2 FPGA編碼部分電路

FPGA使用EP2C5T144I8主要實現IRIG-B時間同步碼的編碼工作，STM32將解碼到的時間信息編碼成天、時、分、秒的8421碼，在數據有效脈沖的使能下將數據送入FPGA，FPGA精確檢測秒脈沖（PPS）的上升沿，在秒脈沖的上升沿開始時開始一整秒B碼時間數據的發送。本設計FPGA將數據編碼輸出的數據為12位的并行數字信號，需要使用DA信號將并行的數字信號轉換成模擬信號，本設計中我們選用美信公司的MAX7541，它具有0.6us的轉換時間和12位的分辨率，MAX7541輸出數據經運OPA690放信號調理和阻抗變換后產生標準的IRIG-B（AC）碼。

IRIG-B（AC）碼實際上是用IRIG-B（DC）碼對標準正弦波載頻進行幅度調制，標準正弦波載頻的頻率與碼元速率嚴格相關，一般為碼元速率的十倍。B碼的標準正弦波載頻頻率為1KHz。同時，其正交過零點與所調制格式碼元的前沿相符合，標準的調制比為10:3。

正弦波的產生是采用FPGA來產生的，利用Quartus自帶的LMP模塊來進行ROM建模，存儲了256個點的SIN函數的波形值，首先計算256個SIN函數的值。由于點數比較多，我們利用MATLAB工具產生一個完整周期的SIN函數的256個點的值。由于FPGA處理整數相對簡單因此需要對SIN函數值進行整數化。

3.1.3 STM32編解碼顯示電路

STM32解碼UM220-T的輸出的NMEA-0183語句，從中解算出當前的UTC時間，將其編碼后送入FPGA，STM32通過I2C接口與RTC時鐘芯片SD2400通信，提供當無法接收衛星時間時的參考時間輸出。

OLED顯示技術作為下一代顯示，由于OLED顯示屏為全固態器件，因此具有高低溫范圍寬，抗震特性好的特點。本設計中采用的并行接口驅動OLED顯示，完成時間、定位狀態的顯示功能。STM32接口電路如下圖所示：

圖4 OLED顯示驅動電路

3.2 軟件程序設計

3.2.1 NMEA-0183解碼

NMEA 0183 是美國國家海洋電子協會（National Marine Electronics Association）為海用電子設備制定的標準格式。目前業已成了 GPS 導航設備統一的 RTCM（Radio Technical Commission for Maritime services）標準協議。

NMEA-0183 常用命令如下表所示：

每條語句都有固定的格式，輸出的各個參數之間使用逗號隔開。UM220-T北斗衛星接收模塊也使用這些標準語句進行導航數據的輸出。本設計主要用于時間同步，所以僅需要對數據中的時間信息解碼，因此僅需要對GPRMC語句中的定位狀態進行解碼。

STM32F103RCT6先在內存中開辟兩塊緩沖區A和B， 使用中斷模式接收到UM220-T發送的數據，當接收到$符號表示數據幀開始，接下來將數據存入在內存中開辟的數據緩沖區A中，當接收到回車換行符表示一條數據幀接收完成，置A區數據完成標志位，等待下一幀數據到來時采用同樣的方式存入數據緩沖區B。

當主程序檢測到緩沖區接收完成標志位置位時，從緩沖區中取出數據完成數據解碼［6］，解算出當前UTC時間，清空數據緩沖區和標志位，將時間信息編碼成串行數據送入FPGA中，編碼時需要注意閏年B碼天數的處理，主程序實現的流程圖如下圖：

圖5 NMEA-0183數據解碼程序流程圖

3.2.2 FPGA實現IRIG-B時間碼

IRIG-B碼是每秒一幀的時間串碼，每個碼元寬度為10ms，一個時幀周期包括100個碼元，為脈寬編碼。碼元的“準時”參考點是其脈沖前沿，每一幀的參考標志由一個位置識別標志和相鄰的參考碼元組成，其寬度為8ms;每10個碼元有一個位置識別標志：P1，P2，P3，…，P9，P0，它們均為8ms寬度;二進制“1”和“0”的脈寬為5ms和2ms。

使用Verilog語言進行編碼邏輯的設計，首先根據STM32輸出的時間，產生相應的IRIG-B（DC）碼，再使用DC碼調制正弦載波，產生AC碼信號，運放調理電路實現對DA輸出的信號低通濾波以及分配為多路的功能。

4 實驗結果與應用

為了驗證北斗時間同步器時間同步精度，課題組將北斗時間同步器輸出的波形與中國科學院國家授時中心的標準時碼發生器進行了對比實驗，實驗結果表明北斗時間同步器的同步精度很高，滿足設計要求，對比實驗結果如下圖所示。

圖6 與標準時碼發生器時序對比

課題組將北斗時間同步器用于機載高速攝像機和模擬視頻采集記錄器進行時間同步，結果表明北斗時間同步器輸出的IRIG-B（AC）碼可以實現對機載高速攝像機的時間同步功能，同步時間精度優于10us。

5 結論

基于我國自主知識產權的北斗衛星導航系統，使用基于FPGA的數字頻率合成技術，設計了北斗衛星時間同步器，用于對機載高速攝像機進行精確的時間同步，并將其應用于飛行試驗中，為飛行試驗高速攝像機時間同步提供了一種新的方式，具有廣泛的應用前景。