基于PCI-E的北斗导航授时卡设计*

王　军，孙慧婷，姜　志，王　磊，何　昕

（1.苏州科技大学，江苏苏州215009；2.中国白城兵器实验中心，吉林白城137001；3.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春130033）

基于PCI-E的北斗导航授时卡设计*

王军1，3*，孙慧婷1，姜志2，王磊1，何昕3

（1.苏州科技大学，江苏苏州215009；2.中国白城兵器实验中心，吉林白城137001；3.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春130033）

为提高Linux系统时间的精确度，设计了基于PCI-Express总线接口的北斗导航授时卡。北斗导航卫星信号接收模块输出时间定位信息，FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）解出标准时间存入双口RAM，PCI-E驱动芯片将双口RAM内数据送到PCI-E总线供上位机调用。实验结果证明：授时卡在Linux系统下运行稳定，功耗较低，授时精度达到60 ns。

Linux；PCI-Express；FPGA；授时

计算机时间基本由网络时间或主板时钟芯片提供，导致时间误差大，在工业控制、数据测量等领域无法完成特定任务。为解决计算机时间误差较大问题，部分学者提出基于Windows系统PCI总线接口的GPS授时卡［1-2］。这种方法的不足在于：数据吞吐量、带宽的限制使得PCI总线逐渐被PCI-E总线所取代，且GPS授时方式以及美国微软Windows系统无法在国家安全敏感部门使用。针对上述不足，基于开源Linux系统，设计了PCI-E总线接口的北斗授时卡。

1　PCI-E授时卡总体设计

授时卡总体设计了3个模块：北斗卫星解码模块、可编程逻辑器件以及PCI-E驱动模块，总体框图如图1所示。北斗卫星解码模块通过天线接收北斗卫星授时信号，将$GPRMC格式码流传输给FPGA串行通讯模块，FPGA解出$GPRMC码中的时间定位信息输入到双口RAM中。PCI-E驱动模块在接收到计算机的命令后将时间信息传输到PCI-E总线上供计算机应用层软件获取［3-5］。

图1　授时卡总体硬件框图

2　授时卡硬件设计

可编程逻辑器件 FPGA采用 Altera公司CycloneⅣ系列中的EP4CE22E22C8N，该芯片具有144个IO端口、36个RAM块、2个PLL锁相环、18个嵌入式乘法器、4种配置方式和AS、JTAG下载调试接口。北斗卫星解码模块采用和芯星通UM220-III为主芯片，授时精度可高达15 ns，与FPGA采用串口通信且有多种波特率可供选择，只要保证有一颗卫星连接正常，芯片就能输出准确的时间信息。PCI-E驱动芯片采用PLX股份有限公司研发的PEX8612，支持I/O端口映射和扩展ROM以及中断，大大简化了授时卡硬件程序开发。授时卡部分硬件连接图如图2所示。

北斗卫星导航模块UM220与FPGA采用串行通讯，RXD与FPGA串行模块发射端连接，接收FPGA设置指令；TXD与FPGA接收端连接，输出时间定位信息码流；并通过PPS输出标准时间秒头至FPGA。PCI-E驱动芯片PEX8612将本地数据地址线分别与FPGA虚拟双口RAM的8 bit双向数据线、8 bit位单向地址线相连，通过读写信号线控制与FPGA进行数据交互；两对差分信号连接PCI-E金手指与计算机PCIE总线通讯［3-5］。

图2　授时卡部分硬件连接图

3　授时卡软件设计

3.1时间定位信息解码程序设计

北斗导航卫星UM220-III模块可输出标准GPRMC格式信息，各部分信息之间采用“，”隔开，定义如表1所示。

表1　UM220-III输出帧格式

FPGA解析数据帧主要采取状态机检测法，当检测到$GPRMC帧头，开始进入解码状态，检测到第1个‘，'字符，进入时间状态机，将时分秒h.min.s赋给时间变量；检测第2个‘，'字符，进入定位状态机，根据字符修改定位标志位；检测第3个‘，'字符，进入纬度状态机，将纬度赋给相应变量；之后按照上述思想，检测‘，'字符从而进入相应的状态机完成信息的提取。时间解码流程图如图3所示。

3.2PCI-E驱动芯片控制软件设计

FPGA利用IP核建立一个虚拟双口RAM包括时钟信号、读写使能信号、读写地址以及读写数据。FPGA将写地址、时间数据放到地址线和数据线上，完成时间的解码后产生一个写使能信号，时间数据写入到固定的寄存器。将北斗导航卫星接收模块输出的PPS信号当作PCI-E驱动芯片的硬件中断信号，当Linux系统应用层软件使能硬件中断，进入中断子程序对PCI-E总线设备端口读时间数据，PCI-E驱动芯片将PCI-E总线协议数据读写转化为读取FPGA虚拟双口RAM的读写［6-9］，流程图如图4。

图3　时间解码流程图

图4　PCI-E总线时间信息读取流程图

4　测试结果

实验计算机采用华硕主板，Intel酷睿i5-4590处理器主频3.3 GHz，4G内存，操作系统为Ubuntu Kylin 15.04，内核版本Linux 3.19.0。打开终端窗口，使用insmod命令加载PCI-E驱动模块如图5，并且通过lsmod命令检测驱动是否加载成功，驱动模块显示列表如图6。

图5　驱动加载命令图

图6　驱动模块显示列表图

驱动加载完毕后，打开采用GTK+函数库编写的授时测试软件出现图7界面，输入设备号点击“下一步”按钮就会出现图8授时卡应用软件主界面。从主界面中能够查询硬件商和设备编码，以及I/O和寄存器基址。点击“打开”按钮打开授时卡中断，状态栏显示ON状态表示设备中断打开，点击“显示”按钮就能显示标准北京时间。

图7　授时卡应用软件初始界面图

图8　授时卡应用软件主界面

使用Tektronix公司的TDS-2014C示波器检测北斗卫星标准秒头（橙色）与授时卡授时秒头（绿色）误差60 ns，波形如图9。

图9　授时秒头与标准秒头波形图

5　结论

Linux系统下设计的北斗授时卡采用 PCI-E桥接芯片，缩小PCI-E总线开发过程，简化硬件语言开发难度。北斗卫星导航授时有效克服GPS授时安全问题，且授时精度高、兼容性好，在Linux系统下运行稳定，为Linux系统时间校对提供一种新方法。

［1］刘军良，胡永辉，候雷.基于PCI总线的GPS授时卡设计［J］.电子测量与仪器学报，2008（s2）：122-127.

［2］赵志雄，李孝辉，刘娅，等.PCI总线的高精度大量程时间间隔计数器研制［J］.电子测量与仪器学报，2014，28（12）：1317-1323.

［3］鞠康.基于FPGA的PCI-E数据采集电路设计［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

［4］杨子元，包启亮，王旭.基于PCIE/104总线的高速数据接口设计［J］.现代电子技术，2011，34（14）：75-78.

［5］李木国，黄影，刘于之.基于FPGA的PCIe总线接口的DMA传输设计［J］.计算机测量与控制，2013，21（1）：233-237.

［6］雷雨，任国强，孙健，等.基于PCIE的高速光纤图像实时采集系统设计［J］.电子技术应用，2013，39（10）：136-140.

［7］李玉峰，韩晓红，刘洋，等.基于FPGA的高速数据采集系统的实现与性能分析［J］.电子器件，2012，35（6）：709-712.

［8］信侃.基于Xilinx FPGA的PCIe总线接口设计与实现［J］.无线电通信技术，2014，40（4）：94-97.

［9］孙晓晔.基于PCIE的SG DMA高速数据传输系统［J］.计算机技术与发展，2013，23（9）：195-199.

王军（1979-），男，汉，江苏徐州，苏州科技大学副教授，博士，主要研究方向为光电测控技术与仪器；

孙慧婷（1992-），女，汉，江苏东台，苏州科技大学硕士研究生，硕士，主要研究方向为智能信息处理。

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

项目来源：国家自然科学基金项目（61472267）；江苏省普通高校研究生科研创新计划项目（KYLX15_1311）；苏州科技大学研究生创新项目（SKCX15_050）

2015-10-17修改日期：2015-11-18

EEACC:633010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.009