基于1553B總線星時精確產生硬件秒脈沖的方法

李孝慶，王 艷，李 坤

(北京空間機電研究所，北京 100094)

基于1553B總線星時精確產生硬件秒脈沖的方法

李孝慶，王 艷，李 坤

(北京空間機電研究所，北京 100094)

本設計在整星不能提供硬件秒脈沖的情況下，利用單片機對1553B總線協議芯片進行配置，使其只對星時數據產生中斷。該中斷觸發外圍電路自主產生硬件秒脈沖信號，進而實現校時。由于該方法為純硬件的觸發控制環節，在不考慮衛星平臺發送星時數據隨機誤差的情況下，其誤差僅取決于硬件的延時誤差，通過標定可達到與整星提供秒脈沖相同的校時精度，而大大優于不采用校時的情況。此外，該成果通過對觸發電路外圍進行配置，可以實現任意脈寬及方向的秒脈沖信號輸出，可滿足不同型號對不同類型秒脈沖信號的需求，具有很大的靈活性及廣泛的適用性。

遙感相機；1553B總線；星時；硬件秒脈沖

圖1 傳統校時過程數據流向示意圖Fig.1 The data flow diagram of traditional synchronization process

0 引言

在以1553B總線作為星載總線的衛星平臺上，遙感相機大多采用硬件秒脈沖校時的方法來實現高精度時間同步，即衛星平臺的導航接收機鎖定導航信號的同時，產生嚴格對應的秒脈沖信號和絕對時間信息。秒脈沖信號為遙感相機提供精確的校準時刻，絕對時間信息為遙感相機提供嚴格的維護信息[1]。遙感相機視頻單元以秒脈沖信號作為觸發啟動內部計時器開始計時，當視頻單元接收到在內部經過一系列處理而累加了較大延時的絕對時間時，以內部計時器的計時對絕對時間進行校時，從而得到高精度的與星時相符的本地時間[2]。傳統校時方法數據流如圖1所示。該方法的校時精度僅由遙感相機視頻單元內部計時器的時間分辨率決定。

目前，遙感相機圖像幀頻最大為500Hz，為保證圖像精度，方便圖像處理，本地時間的校時精度必須小于2ms。而在圖1中，絕對時間信息傳輸鏈路具有較大的隨機延時，根據以往經驗，該鏈路的總延時約為40～50ms，其中，衛星平臺的延時較小，約為0～1.5ms，而遙感相機分系統內的延時約為38.5～48.5ms。

本設計在衛星平臺不能提供硬件秒脈沖的情況下，采用軟硬件配合的方法，通過修改1553B協議芯片配置方式并配合部分新增電路，在相機分系統內自主產生了與通過1553B總線傳輸的絕對時間嚴格對應的秒脈沖信號，然后利用該秒脈沖信號對累加了內部處理延時及傳輸延時的絕對時間進行校時，以較小的代價解決了校時精度問題。該方法可完全校正絕對時間信息在遙感相機分系統內處理及傳輸的延時，校正后本地時間的準確度僅由衛星平臺延時決定，即小于1.5ms，可滿足目前所有遙感相機對校時精度的要求。

1 傳輸及處理延時分析

絕對時間信息在遙感相機分系統內的數據傳輸狀態及數據處理過程如圖2所示。圖2中共包含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五個數據傳輸過程和A、B、C、D、E五個數據處理過程。下面分別對各數據傳輸狀態及數據處理過程的延時情況進行分析。

圖2 絕對時間信息在遙感相機分系統內數據流向示意圖Fig.2 The data flow diagram of absolute time in branch system of remote sensing camera

過程Ⅰ：該過程上傳輸的信息形式為串行曼徹斯特碼。該信息的發送開始時刻由衛星平臺控制，為每秒一次的固定周期信號。在絕對時間信息的數據長度確定時，其傳輸延時為系統延時，不存在隨機延時。

過程A：該過程接收1553B總線上的串行曼徹斯特碼，在芯片內部完成串并轉換、數據存儲，然后根據配置的不同，生成中斷信號，或者將狀態寄存器置位。此過程延時由芯片內部硬件電路決定，為系統延時[3]，可以通過測試得到，不存在隨機延時。

過程Ⅱ：該過程上傳輸的信息形式為未加處理的并行數據。該信息的發送開始時刻由管理單元的單片機決定。當該單片機把1553B接口芯片配置成中斷模式且把該中斷設為最高優先級中斷時，只要1553B接口芯片生成中斷，單片機立即讀取該數據，此過程不存在等待過程，延時為系統延時，可通過計算得出，不存在隨機誤差；當單片機把1553B接口芯片配置成中斷模式但未把該中斷設為最高優先級中斷時，如果1553B消息結束中斷到來時，單片機程序運行在更高級別中斷程序上，則讀取過程存在等待時間且等待時間未知，除系統延時外，還存在隨機延時；當單片機把1553B接口芯片配置成查詢模式時，單片機讀取數據的時刻未知，除系統延時外，必然存在隨機延時。上述狀態總結為：受管理單元軟件設置及軟件當前運行狀態影響，該過程傳輸延時除系統延時外，可能存在隨機延時。

過程B：單片機把讀取的并行數據組包，為上述信息添加包頭、校驗字等信息，然后把組包后的數據按內部總線通信時序的要求以并行數據的形式發送出去。如果上述過程是在最高優先級的中斷中完成，則程序運行過程不會被打斷，延時為系統延時，不存在隨機延時；如果在較低優先級的中斷或主程序中完成，該延時將受到程序當前運行狀態影響，除系統延時外，還存在隨機延時。

過程Ⅲ：該過程上傳輸的信息形式為組包后的并行數據。該信息的發送開始時刻由過程B的單片機決定。其傳輸延時固定，不存在隨機延時。

過程C：該過程把組包后的并行數據鎖存后進行并串轉換，并把串行化的數據以差分的形式按內部通信波特率的要求發送。該過程由硬件電路完成，延時為系統延時，不存在隨機延時。

過程Ⅳ：該過程上傳輸的信息形式為差分信號，該信息的發送開始時刻由過程B的單片機控制，延時為系統延時，不存在隨機延時。

過程D：該過程把接收到的差分信號轉換成單端信號并完成串并轉換、數據存儲，以中斷的形式通知視頻單元CPU讀取。此過程延時由硬件完成，為系統延時，不存在隨機延時。

過程Ⅴ：該過程上傳輸的信息形式為組包后的并行數據。該信息的發送開始時刻由視頻單元CPU決定。與過程Ⅱ同理，該過程的延時由視頻單元軟件的中斷優先級設置及軟件當前運行狀態決定，除系統延時外，可能存在隨機延時。

過程E：該過程把接收到的并行數據進行符合性校驗、解包，把數據恢復成絕對時間信息。此過程由視頻單元軟件的中斷優先級設置及軟件當前運行狀態決定，除系統延時外，可能存在隨機延時。

各傳輸過程及處理過程的延時情況如表1所示。

表1 遙感相機分系統內各傳輸過程及處理過程延時情況表

2 設計及驗證

2.1 設計方案

通過上述分析可知，在不同的軟件設置及軟件運行狀態下，過程Ⅱ、過程B、過程Ⅴ和過程E可能存在隨機延時。為消除此隨機延時，必須更改遙感相機分系統軟硬件設計。

視頻單元的運算量巨大、對實時性要求較高，如果通過軟件校準的方法，視頻單元軟件修改難度較大，而且標定過程較繁瑣。本設計在管理單元內，通過修改部分軟件，新增部分硬件，自主產生了與總線絕對時間嚴格對應的秒脈沖信號，使后續校時問題回歸傳統方法。與傳統校時方法相比，該方法只需要修改管理單元部分軟硬件，不需要修改視頻單元，代價較小。

設計方案及原理如圖3所示，圖3相比圖2，增加了1、2、3、4四個數據傳輸過程和a、b、c三個數據處理過程，其中，秒脈沖自主產生電路為新設計電路。

圖3 設計方案及原理示意圖Fig.3 The diagram of design and principle

方案機理如下：

1)在管理單元軟件初始化時，把1553B接口芯片配置成只有接收到1553B絕對時間消息時產生消息結束中斷，其余所有類型消息都不產生中斷的模式[4]，1553B接口的其他消息由管理單元采用查詢的方式訪問。

2)當1553B接口芯片接收到一個1553B總線星時數據時，即由該芯片產生一個消息結束中斷。該中斷信號為脈寬為500ns的負秒沖。

3)該中斷作為秒脈沖自主產生電路的觸發信號，通過調整電路參數，產生符合脈沖寬度及方向要求的秒脈沖信號。

4)該信號經秒脈沖接口電路發送給視頻單元，作為校時脈沖對絕對時間進行校時。

通過第1節分析可知，1553B接口芯片接收總線數據、完成轉換、存儲并生成中斷信號的處理延時為系統延時。秒脈沖傳輸的過程，即圖3中1-a-2-b-3-c-4-E的過程全部由硬件電路完成，其中不存在軟件的干預，所以鏈路上的傳輸延時為系統延時，不存在隨機延時。通過標定，可以在視頻單元CPU上得到與管理單元1553B接口芯片上完全同步的秒脈沖信號。

校時過程為：利用秒脈沖信號的上升沿或下降沿啟動狀態E的內部計時器，當狀態E收到內部總線接口發送的絕對時間信息時，在收到的時間數據上疊加內部計時器的當前記時，作為相機當前的本地時間。由于狀態E接收的秒脈沖信號和絕對時間信息是相對同步的，所以不論絕對時間信息的延時多大，校正后的本地時間與絕對時間都是同步的。兩者的誤差只由狀態E內部計時器的時間分辨率決定。

2.2 秒脈沖自主產生電路設計

秒脈沖自主產生電路以單穩態觸發器為核心，以1553B接口芯片的中斷信號作為輸入脈沖，通過調節電路參數，可在互為反相的兩個輸出管腳上獲得任意寬度及方向的脈沖信號，其電路原理如圖4所示。

圖4 單穩態觸發電路原理圖Fig.4 The diagram of the principle of monostable trigger circuit

圖4中，CLR信號設置為“0”，輸入信號A接在1553B接口芯片的中斷管腳上，輸入信號B設置為“0”。通過調節配置管腳REXT和CEXT腳上的阻容值，可在輸出管腳上獲得任意寬度的脈沖信號。當R1>10kΩ并且C1>10nF時，脈沖寬度TW與電阻R1和電容C1的關系為[5]

TW≈0.45×R1×C1

(1)

通過選擇焊接電阻R3或者是R4，可以獲得任意方向的脈沖信號。由于1553B接口芯片輸出的中斷信號為脈寬為500ns的負秒沖，如果期望脈沖為正脈沖，則選擇焊接電阻R4且不焊接電阻R3；如果期望脈沖為負脈沖，則選擇焊接電阻R3且不焊接電阻R4。

2.3 設計驗證

如果利用秒脈沖的上升沿啟動計數器，通過焊接電阻R4且不焊接電阻R3，取R1阻值為10kΩ，C1容值為10nF時，得到的系統延時測量典型波形如圖5所示。

圖5 系統延時測量典型波形圖Fig.5 The typical waveform of the measurement of system delay

圖5中，C1通道為管理單元1553B總線上接收到的總線絕對時間，C2通道為視頻單元接收到的秒脈沖信號，C3通道為管理單元1553B接口芯片輸出的中斷信號。從大量測試數據得出，本設計得到的秒脈沖信號系統延時為6.89μs，需要在標定中扣除。

當衛星平臺提供的絕對時間信息誤差在0～1.5ms范圍內時，本設計得到的秒脈沖測量典型波形如圖6所示。通過大量測試數據分析，該設計秒脈沖信號相對絕對時間的誤差范圍為0～1.5ms，與衛星平臺的絕對時間信息誤差一致，即本設計本身不引入隨機誤差。

圖6 秒脈沖測量典型波形圖Fig.6 The typical waveform of the measurement of pulse per second

3 結論

本設計采用總線觸發同步響應的方式，解決了相機分系統在整星不能提供秒脈沖信號的情況下系統校時精度低的問題，提升了相機分系統對衛星平臺的適應性。

本設計可以作為整星秒脈沖的冗余設計，以提高遙感相機分系統的可靠性。

本設計思路還可以應用于其他從總線數據解析、對精度要求較高、對電平或脈沖敏感的控制信號的產生過程，具有廣泛的適用性。

[1] 田賀祥,王同桓,李璇，等.遙感衛星星上時間管理方法[J].傳感器與微系統,2013,32(4):80-82.

[2] 江澄,何紅艷.色散推掃型高光譜數據系統殘余誤差校正[J].航天返回與遙感, 2014,35(6):91-98.

[3] Data device corporation, Mil-sed-1553A/B notice 2 RT and BC/RT/MT, Advanced communication engine[EB/OL]. http://www.ddc-web.com.

[4] GJB 289A-1997數字式時分制指令/響應型多路傳輸數據總線[S].

[5] Stmicroelectronics group of companies, Rad-hard dual retriggerable monostable multivibrato[EB/OL].http://www.st.com.

The Method to Precisely Produce Hardware Pulse Per Second Based on the Satellite Time of 1553B Data Bus

LI Xiao-qing, WANG Yan, LI Kun

(Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China)

The major point of this method is to apply the process of satellite time, and use hardware pulse per second produced by 1553B peripheral circuit which is controlled by single chip micyoco to achieve synchronization in case the satellite platform cannot provide hardware pulse per second. Since this method only involves hardware trigger and control, errors are all about delays caused by hardware, without considering accidental errors of satellite time transmitted by satellite platform. Through calibration, this method achieves synchronization as precise as that of the pulse per second provided by satellite platform, which is much better than the method that cannot realize synchronization. In addition, this method achieved outputting pulse per second in any width and any direction by arranging peripheral trigger circuit, and can also meet the needs of different models for different types of pulse per second, which is flexible and has wide application.

Remote sensing camera; 1553B data bus; Satellite time; Hardware pulse per second

10.19306/j.cnki.2095-8110.2016.04.012

2016-02-02；

2016-03-18。

李孝慶(1984-)，男，碩士，工程師，主要從事遙感器電子學設計工作。E-mail：lixiaoqing1984@yeah.net

V443

A

2095-8110(2016)04-0065-05