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摘要：针对传统授时监控系统复杂、时间精度低等不足，本文提出了基于GPS授时监控系统，该系统由授时模块、ZigBee无线数据发送模块、监控模块三部分组成。授时模块完成GPS时间解码、校正及IRIG_B码编码；无线模块完成数据的传送，实现远程、实时数据传输；数据检测模块完成被监控对象的数据采集且将数据传输出去。与传统授时监控系统比，论文中的系统具有稳定度高、时间精度高、实时性好的优点。
关键词：GPS授时 ZigBee 解码 校正
一、 引言
本论文针对时间要求严格的监控系统，设计了基于GPS授时监控系统，GPS时间作为监控系统的标准时间，使监控系统各部分在GPS精确时间控制下有条不紊的工作。
二、系统设计
论文中的系统由三个模块组成：授时模块、无线数据传送模块、监控模块，其原理框图如图1所示。GPS接收器接收GPS信息，FPGA对GPS接收器输出的NMEA信息进行解码、校正，校正后的时间信息再转化为IRIG_B码格式，编码后的时间信息作为标准时间用到监控系统各部分。监控模块采集被监控对象的工作状态信息，并将状态信息通过ZigBee模块发送给控制中心。控制中心在GPS精确时间下，根据状态信息检测被监控对象是否正常工作，若不正常发命令控制监控对象的工作，且在检测信息中插上时间标签，以方便故障分析。监控系统各部分在授时模块产生的精确时间下工作，监控模块采集被监控对象的检测量，通过ZigBee模块发送给控制中心，控制中心在精确时间下，严格的协调系统各部分的工作，同时保证各部分在统一的时间系统下工作。
1、基于FPGA的授时模块：GPS接收器对卫星时间进行实时采集，然后通过FPGA对GPS接收器输出的时间信号进行解码、校正，校正算法根据GPS接收器的工作状态对接收到的时间信息进行实时校正，以及将校正后的时间信息转化为标准格式IRIG_B码，以方便应用到各类时间要求严格的系统中，校正后的时间作为本监控系统运行的标准时间，以协调各功能模块的正常工作。
（1）IRIG_B码编码
IRIG_B中的时间信息主要是用BCD码表示，是网络授时的主要格式，一般是将IRIG_B码用485协议通过以太网传给网络，所以本系统采用IRIG_B码输出，且还用BCD码加控制段信息的串口传输。
①、cnt_ms——1毫秒计数器
cnt_10ms——10毫秒计数器，
cnt_100ms——100毫秒计数器
pulse_1ms——1毫秒脉冲，
pulse_10ms——10毫秒脉冲
pulse_100ms——100毫秒脉冲，
NB——pulse_1ms脉冲的计数器
NC——pulse_10ms脉冲的计数器
ND——pulse_100ms脉冲的计数器
TSD——IRIG_B码寄存器。
P0~P1——引索位；
②、算法基本思路
1、判断是否有秒脉冲的上升沿，有的将上面的计数器全部清零。
2、根据ND来判断属于P0—P9识别标志间的哪段，NB来判断某段的那个脉冲序列，根据要发送的时间来控制脉冲的宽度，通过判断NC的值来改变脉冲的宽度，如：1的脉冲序列的脉宽为5ms，NC<5是TSD置“1”，之后，TSD置零。
③、具体分析
a 、ND值判断P0——P9之间的哪个区间，P0——P1是秒信息，P1——P2是分信息，P2——P3是小时信息，P3——P5是天信息，后面的是控制信息，本系统后面是该时刻的秒信息，即到现在为止已经是多少秒。
b 、根据具体的时间信息决定引索标志之间的各个脉冲的宽度，具体的可以宽度如图5（图中的时间是173天21时18分42秒）
2、监控模块 监控模块中的传感器采集被监控对象的状态信息，MCU将采集的数据进行初步处理，得到控制中心需要的数据并将数据发送给控制中心。
3、无线发送接收模块 监控模块采集被监控对象的状态信息，通过ZigBee无线发送模块将采集的数据发送到控制中心，控制中心对接收到得数据进行分析处理，判断被监控对象工作是否正常，对于需要调整的下发控制命令，控制命令通过ZigBee模块发送给被监控对象，调整其工作状态，使其与系统其它部分严格同步，保证系统稳定运行。
4、系统工作流程框图
图2 系统工作流程框图
三、系统测试结果
在所实现的基于FPGA授时模块上，输入GPS接收器输出的PPS（秒脉冲）、NMEA码，用Tektronix TDS1002示波器跟踪授时模块输出的时间信息IRIG_B码。图3是工作时授时模块的输出的IRIG_B码时间的测试结果，图中有三种脉宽不同的秒冲，每个脉冲的周期为10ms，脉宽最宽的是引索标志-8ms， 脉宽最窄的是二进制0-2ms，剩下的是二进制1-5ms。
图3 IRIG_B码测试波形
四、结束语
针对传统授时电路复杂程度高、精度提高困难的不足，本论文提出了基于FPGA实现的GPS时间信息解码、校正，其精度高，在GPS接收器的时间出现误码、丢失及不能工作等情况下，时间精度都保持在较高水平，且时间输出的格式是IRIG_B码，方便时间的应用。检测数据的传输采用ZigBee模块传输，实时性好且适合环境比较恶劣的情况。整个系统在GPS时间下严格同步，保证了监控系统稳定运行。
关键词：GPS授时 ZigBee 解码 校正
一、 引言
本论文针对时间要求严格的监控系统，设计了基于GPS授时监控系统，GPS时间作为监控系统的标准时间，使监控系统各部分在GPS精确时间控制下有条不紊的工作。
二、系统设计
论文中的系统由三个模块组成：授时模块、无线数据传送模块、监控模块，其原理框图如图1所示。GPS接收器接收GPS信息，FPGA对GPS接收器输出的NMEA信息进行解码、校正，校正后的时间信息再转化为IRIG_B码格式，编码后的时间信息作为标准时间用到监控系统各部分。监控模块采集被监控对象的工作状态信息，并将状态信息通过ZigBee模块发送给控制中心。控制中心在GPS精确时间下，根据状态信息检测被监控对象是否正常工作，若不正常发命令控制监控对象的工作，且在检测信息中插上时间标签，以方便故障分析。监控系统各部分在授时模块产生的精确时间下工作，监控模块采集被监控对象的检测量，通过ZigBee模块发送给控制中心，控制中心在精确时间下，严格的协调系统各部分的工作，同时保证各部分在统一的时间系统下工作。
1、基于FPGA的授时模块：GPS接收器对卫星时间进行实时采集，然后通过FPGA对GPS接收器输出的时间信号进行解码、校正，校正算法根据GPS接收器的工作状态对接收到的时间信息进行实时校正，以及将校正后的时间信息转化为标准格式IRIG_B码，以方便应用到各类时间要求严格的系统中，校正后的时间作为本监控系统运行的标准时间，以协调各功能模块的正常工作。
（1）IRIG_B码编码
IRIG_B中的时间信息主要是用BCD码表示，是网络授时的主要格式，一般是将IRIG_B码用485协议通过以太网传给网络，所以本系统采用IRIG_B码输出，且还用BCD码加控制段信息的串口传输。
①、cnt_ms——1毫秒计数器
cnt_10ms——10毫秒计数器，
cnt_100ms——100毫秒计数器
pulse_1ms——1毫秒脉冲，
pulse_10ms——10毫秒脉冲
pulse_100ms——100毫秒脉冲，
NB——pulse_1ms脉冲的计数器
NC——pulse_10ms脉冲的计数器
ND——pulse_100ms脉冲的计数器
TSD——IRIG_B码寄存器。
P0~P1——引索位；
②、算法基本思路
1、判断是否有秒脉冲的上升沿，有的将上面的计数器全部清零。
2、根据ND来判断属于P0—P9识别标志间的哪段，NB来判断某段的那个脉冲序列，根据要发送的时间来控制脉冲的宽度，通过判断NC的值来改变脉冲的宽度，如：1的脉冲序列的脉宽为5ms，NC<5是TSD置“1”，之后，TSD置零。
③、具体分析
a 、ND值判断P0——P9之间的哪个区间，P0——P1是秒信息，P1——P2是分信息，P2——P3是小时信息，P3——P5是天信息，后面的是控制信息，本系统后面是该时刻的秒信息，即到现在为止已经是多少秒。
b 、根据具体的时间信息决定引索标志之间的各个脉冲的宽度，具体的可以宽度如图5（图中的时间是173天21时18分42秒）
2、监控模块 监控模块中的传感器采集被监控对象的状态信息，MCU将采集的数据进行初步处理，得到控制中心需要的数据并将数据发送给控制中心。
3、无线发送接收模块 监控模块采集被监控对象的状态信息，通过ZigBee无线发送模块将采集的数据发送到控制中心，控制中心对接收到得数据进行分析处理，判断被监控对象工作是否正常，对于需要调整的下发控制命令，控制命令通过ZigBee模块发送给被监控对象，调整其工作状态，使其与系统其它部分严格同步，保证系统稳定运行。
4、系统工作流程框图
图2 系统工作流程框图
三、系统测试结果
在所实现的基于FPGA授时模块上，输入GPS接收器输出的PPS（秒脉冲）、NMEA码，用Tektronix TDS1002示波器跟踪授时模块输出的时间信息IRIG_B码。图3是工作时授时模块的输出的IRIG_B码时间的测试结果，图中有三种脉宽不同的秒冲，每个脉冲的周期为10ms，脉宽最宽的是引索标志-8ms， 脉宽最窄的是二进制0-2ms，剩下的是二进制1-5ms。
图3 IRIG_B码测试波形
四、结束语
针对传统授时电路复杂程度高、精度提高困难的不足，本论文提出了基于FPGA实现的GPS时间信息解码、校正，其精度高，在GPS接收器的时间出现误码、丢失及不能工作等情况下，时间精度都保持在较高水平，且时间输出的格式是IRIG_B码，方便时间的应用。检测数据的传输采用ZigBee模块传输，实时性好且适合环境比较恶劣的情况。整个系统在GPS时间下严格同步，保证了监控系统稳定运行。