基于PCI-E的北斗導航授時卡設計*

王　軍，孫慧婷，姜　志，王　磊，何　昕

（1.蘇州科技大學，江蘇蘇州215009；2.中國白城兵器實驗中心，吉林白城137001；3.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春130033）

基于PCI-E的北斗導航授時卡設計*

王軍1，3*，孫慧婷1，姜志2，王磊1，何昕3

（1.蘇州科技大學，江蘇蘇州215009；2.中國白城兵器實驗中心，吉林白城137001；3.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春130033）

為提高Linux系統時間的精確度，設計了基于PCI-Express總線接口的北斗導航授時卡。北斗導航衛星信號接收模塊輸出時間定位信息，FPGA（Field-Programmable Gate Array，現場可編程門陣列）解出標準時間存入雙口RAM，PCI-E驅動芯片將雙口RAM內數據送到PCI-E總線供上位機調用。實驗結果證明：授時卡在Linux系統下運行穩定，功耗較低，授時精度達到60 ns。

Linux；PCI-Express；FPGA；授時

計算機時間基本由網絡時間或主板時鐘芯片提供，導致時間誤差大，在工業控制、數據測量等領域無法完成特定任務。為解決計算機時間誤差較大問題，部分學者提出基于Windows系統PCI總線接口的GPS授時卡［1-2］。這種方法的不足在于：數據吞吐量、帶寬的限制使得PCI總線逐漸被PCI-E總線所取代，且GPS授時方式以及美國微軟Windows系統無法在國家安全敏感部門使用。針對上述不足，基于開源Linux系統，設計了PCI-E總線接口的北斗授時卡。

1　PCI-E授時卡總體設計

授時卡總體設計了3個模塊：北斗衛星解碼模塊、可編程邏輯器件以及PCI-E驅動模塊，總體框圖如圖1所示。北斗衛星解碼模塊通過天線接收北斗衛星授時信號，將$GPRMC格式碼流傳輸給FPGA串行通訊模塊，FPGA解出$GPRMC碼中的時間定位信息輸入到雙口RAM中。PCI-E驅動模塊在接收到計算機的命令后將時間信息傳輸到PCI-E總線上供計算機應用層軟件獲取［3-5］。

圖1　授時卡總體硬件框圖

2　授時卡硬件設計

可編程邏輯器件 FPGA采用 Altera公司CycloneⅣ系列中的EP4CE22E22C8N，該芯片具有144個IO端口、36個RAM塊、2個PLL鎖相環、18個嵌入式乘法器、4種配置方式和AS、JTAG下載調試接口。北斗衛星解碼模塊采用和芯星通UM220-III為主芯片，授時精度可高達15 ns，與FPGA采用串口通信且有多種波特率可供選擇，只要保證有一顆衛星連接正常，芯片就能輸出準確的時間信息。PCI-E驅動芯片采用PLX股份有限公司研發的PEX8612，支持I/O端口映射和擴展ROM以及中斷，大大簡化了授時卡硬件程序開發。授時卡部分硬件連接圖如圖2所示。

北斗衛星導航模塊UM220與FPGA采用串行通訊，RXD與FPGA串行模塊發射端連接，接收FPGA設置指令；TXD與FPGA接收端連接，輸出時間定位信息碼流；并通過PPS輸出標準時間秒頭至FPGA。PCI-E驅動芯片PEX8612將本地數據地址線分別與FPGA虛擬雙口RAM的8 bit雙向數據線、8 bit位單向地址線相連，通過讀寫信號線控制與FPGA進行數據交互；兩對差分信號連接PCI-E金手指與計算機PCIE總線通訊［3-5］。

圖2　授時卡部分硬件連接圖

3　授時卡軟件設計

3.1時間定位信息解碼程序設計

北斗導航衛星UM220-III模塊可輸出標準GPRMC格式信息，各部分信息之間采用“，”隔開，定義如表1所示。

表1　UM220-III輸出幀格式

FPGA解析數據幀主要采取狀態機檢測法，當檢測到$GPRMC幀頭，開始進入解碼狀態，檢測到第1個‘，'字符，進入時間狀態機，將時分秒h.min.s賦給時間變量；檢測第2個‘，'字符，進入定位狀態機，根據字符修改定位標志位；檢測第3個‘，'字符，進入緯度狀態機，將緯度賦給相應變量；之后按照上述思想，檢測‘，'字符從而進入相應的狀態機完成信息的提取。時間解碼流程圖如圖3所示。

3.2PCI-E驅動芯片控制軟件設計

FPGA利用IP核建立一個虛擬雙口RAM包括時鐘信號、讀寫使能信號、讀寫地址以及讀寫數據。FPGA將寫地址、時間數據放到地址線和數據線上，完成時間的解碼后產生一個寫使能信號，時間數據寫入到固定的寄存器。將北斗導航衛星接收模塊輸出的PPS信號當作PCI-E驅動芯片的硬件中斷信號，當Linux系統應用層軟件使能硬件中斷，進入中斷子程序對PCI-E總線設備端口讀時間數據，PCI-E驅動芯片將PCI-E總線協議數據讀寫轉化為讀取FPGA虛擬雙口RAM的讀寫［6-9］，流程圖如圖4。

圖3　時間解碼流程圖

圖4　PCI-E總線時間信息讀取流程圖

4　測試結果

實驗計算機采用華碩主板，Intel酷睿i5-4590處理器主頻3.3 GHz，4G內存，操作系統為Ubuntu Kylin 15.04，內核版本Linux 3.19.0。打開終端窗口，使用insmod命令加載PCI-E驅動模塊如圖5，并且通過lsmod命令檢測驅動是否加載成功，驅動模塊顯示列表如圖6。

圖5　驅動加載命令圖

圖6　驅動模塊顯示列表圖

驅動加載完畢后，打開采用GTK+函數庫編寫的授時測試軟件出現圖7界面，輸入設備號點擊“下一步”按鈕就會出現圖8授時卡應用軟件主界面。從主界面中能夠查詢硬件商和設備編碼，以及I/O和寄存器基址。點擊“打開”按鈕打開授時卡中斷，狀態欄顯示ON狀態表示設備中斷打開，點擊“顯示”按鈕就能顯示標準北京時間。

圖7　授時卡應用軟件初始界面圖

圖8　授時卡應用軟件主界面

使用Tektronix公司的TDS-2014C示波器檢測北斗衛星標準秒頭（橙色）與授時卡授時秒頭（綠色）誤差60 ns，波形如圖9。

圖9　授時秒頭與標準秒頭波形圖

5　結論

Linux系統下設計的北斗授時卡采用 PCI-E橋接芯片，縮小PCI-E總線開發過程，簡化硬件語言開發難度。北斗衛星導航授時有效克服GPS授時安全問題，且授時精度高、兼容性好，在Linux系統下運行穩定，為Linux系統時間校對提供一種新方法。

［1］劉軍良，胡永輝，候雷.基于PCI總線的GPS授時卡設計［J］.電子測量與儀器學報，2008（s2）：122-127.

［2］趙志雄，李孝輝，劉婭，等.PCI總線的高精度大量程時間間隔計數器研制［J］.電子測量與儀器學報，2014，28（12）：1317-1323.

［3］鞠康.基于FPGA的PCI-E數據采集電路設計［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014.

［4］楊子元，包啟亮，王旭.基于PCIE/104總線的高速數據接口設計［J］.現代電子技術，2011，34（14）：75-78.

［5］李木國，黃影，劉于之.基于FPGA的PCIe總線接口的DMA傳輸設計［J］.計算機測量與控制，2013，21（1）：233-237.

［6］雷雨，任國強，孫健，等.基于PCIE的高速光纖圖像實時采集系統設計［J］.電子技術應用，2013，39（10）：136-140.

［7］李玉峰，韓曉紅，劉洋，等.基于FPGA的高速數據采集系統的實現與性能分析［J］.電子器件，2012，35（6）：709-712.

［8］信侃.基于Xilinx FPGA的PCIe總線接口設計與實現［J］.無線電通信技術，2014，40（4）：94-97.

［9］孫曉曄.基于PCIE的SG DMA高速數據傳輸系統［J］.計算機技術與發展，2013，23（9）：195-199.

王軍（1979-），男，漢，江蘇徐州，蘇州科技大學副教授，博士，主要研究方向為光電測控技術與儀器；

孫慧婷（1992-），女，漢，江蘇東臺，蘇州科技大學碩士研究生，碩士，主要研究方向為智能信息處理。

Design of Beidou Navigation Timing Card under Linux PCI-E Bus*

WANG Jun1，3*，SUN Huiting1，JIANG Zhi2，WANG Lei1，HE Xin3
（1.Suzhou University of Science and Technology，Suzhou Jiangsu 215009，China；2.Bai Cheng Ordnance Test Center of China，Baicheng Jilin 137001，China；3.Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Science，Changchun 130033，China）

To improve Linux system time accuracy，timing card was designed based on PCI-Express interface by Beidou navigation satellite.Module receives Beidou navigation satellite signal and outputs time location information，FPGA（Field-Programmable Gate Array）decodes time and puts it into dual-port RAM，PCI-E drive sent time data to the PCI-E bus for system transferring.Test results show that card is stable and low power，and the timing error is 60 ns under Linux system platform.

Linux；PCI-Express；FPGA；timing

TN927

A

1005-9490（2016）05-1063-04

項目來源：國家自然科學基金項目（61472267）；江蘇省普通高校研究生科研創新計劃項目（KYLX15_1311）；蘇州科技大學研究生創新項目（SKCX15_050）

2015-10-17修改日期：2015-11-18

EEACC:633010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.009