摘要：在分析了IRIG-B(DC)碼碼型特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種IRIG-B(DC)時(shí)間碼解碼的設(shè)計(jì)方法。該方法由少量外圍電路與一片現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)芯片組成，來實(shí)現(xiàn)對(duì)IRG-B(DC)碼的解碼、1 PPS信號(hào)輸出、實(shí)時(shí)時(shí)間顯示以及串行異步通信。與傳統(tǒng)的方法相比，該設(shè)計(jì)方案具有體積小、成本低、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，完全能夠替代傳統(tǒng)的B碼機(jī)箱的功能。
關(guān)鍵詞：IRIG-B(DC)；FPGA；硬件描述語言；串行通信

    隨著電力自動(dòng)化水平的提高，電力對(duì)時(shí)間的同步要求越來越迫切、時(shí)間同步的精度要求越來越高。采用GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的時(shí)間同步功能，是提高電力生產(chǎn)和管理自動(dòng)化水平、確保運(yùn)行質(zhì)量的一條最佳途徑。國家電力公司、各大電網(wǎng)和省電力公司，高度重視電力系統(tǒng)的時(shí)間同步系統(tǒng)的建設(shè)，明確要求電力的生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)裝置采用衛(wèi)星時(shí)鐘進(jìn)行校時(shí)。由于目前GPS接收機(jī)采用IRIG-B(DC)時(shí)間碼的格式輸出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息，所以本文提出了一種基于FPGA來實(shí)現(xiàn)的IRIG-B(DC)時(shí)間碼解碼設(shè)計(jì)方案。

1 IRIG-B碼簡(jiǎn)介
    IRIG-B(DC)時(shí)間碼(簡(jiǎn)稱B碼)是由IRIG所屬的TCG(Telecommunication Group)制訂的一種串行時(shí)間碼。B碼是一種串行時(shí)間碼，幀長(zhǎng)為1 s，共包含100個(gè)碼元。它采用脈寬調(diào)制方式編碼，共有三種寬度的碼元，分別表示“0”，“1”．“P”，其中“P”為標(biāo)志位，如圖1所示，碼元的總寬度為10 ms，“0”的脈寬為2 ms；“1”的脈寬為5 ms；“P”的脈寬為8 ms。

    B碼的1幀從連續(xù)兩個(gè)“P”開始，其中第一個(gè)標(biāo)志位為P0，第二個(gè)標(biāo)志位為PR，PR的上升沿是1 s的準(zhǔn)秒時(shí)刻，即當(dāng)前幀表示的秒時(shí)刻的起點(diǎn)。如果規(guī)定PR所在位置為第0個(gè)碼元，那么每幀分別有編號(hào)為0，1，2，…，99的碼元。標(biāo)志位P1，P2，P3，…，P0的位置分別在9，19，29，…，99。B碼包含了當(dāng)前時(shí)刻的秒，分，時(shí)，天信息和每天按秒計(jì)時(shí)的秒數(shù)(TIME OF DAY，TOD)，如圖2所示。

    秒信息從00～59，分為“秒”和“十秒”兩部分，分別使用BCD碼表示。“秒”使用1，2，3，4碼元，“十秒”使用6，7，8碼元。分信息也是從00～59，分為“分”和“十分”，“分”使用10，11，12，13碼元，“十分”使用15，16，17碼元。小時(shí)信息從00～23，分為“時(shí)”和“十時(shí)”，“時(shí)”使用20，21，22，23碼元，“十時(shí)”使用25，26碼元。天表示的是從1月1日到當(dāng)前日期的總天數(shù)，如1月1日，天數(shù)為1。天數(shù)從1～365(閏年為366)，分為“天”，“十天”和“百天”三部分，“天”使用30，31，32，33碼元，“十天”使用35，36，37，38碼元，“百天”使用40，41碼元，TOD時(shí)間使用80，81，82，83，84，85，86，87，88，90，91，92，93，94，95，96，97共17個(gè)碼元，采用直接二進(jìn)制表示從每天的第一秒到當(dāng)前時(shí)刻的總秒數(shù)。23點(diǎn)59分59秒對(duì)應(yīng)的TOD時(shí)間為86 399 s的IRIG-B(DC)碼如圖2所示。注意，秒、分、時(shí)、天、TOD表示都是低位在前，高位在后；第5、14、24、34碼元為索引標(biāo)志碼元。另外，標(biāo)志位P5到P8之間的碼元為控制碼元，可以根據(jù)實(shí)際使用時(shí)的協(xié)議來制訂使用方法。

2 FPGA解碼方案
    FPGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field ProgrammableGate Array)的簡(jiǎn)稱。FPGA器件及其開發(fā)系統(tǒng)是開發(fā)大規(guī)模數(shù)字集成電路的新技術(shù)。在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中有較廣泛的應(yīng)用。在本設(shè)計(jì)中采用的是Xilinx公司Spartan3系列中的XC3S1500芯片。它具有29952個(gè)邏輯單元，150萬個(gè)門。XC 3S1500具有333個(gè)管腳，采用FG456封裝，支持在線可編程。
    Xilinx公司提供了支持FPGA開發(fā)的軟件ISE，通過它可以進(jìn)行原理圖編輯，VHDL文本語言編輯，并支持這兩種編輯方式的混合設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中采用的是ISE 10．1軟件。完成了設(shè)計(jì)輸入并成功地進(jìn)行了編譯，只能說明設(shè)計(jì)符合一定的語法規(guī)范，并不能保證設(shè)計(jì)可以獲得所期望的功能，這時(shí)就需要通過仿真對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。ModelSim是業(yè)界十分優(yōu)秀的語言仿真器，它提供十分友好的調(diào)試環(huán)境，仿真速度快，精度高。在本設(shè)計(jì)中采用的是ModelSim SE 6．6e。
    在本工程設(shè)計(jì)中采用了VHDL語言，自頂向下的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了工程的層次化管理。為了使得產(chǎn)品穩(wěn)定、可靠，采用全同步設(shè)計(jì)，使整個(gè)工程都在一個(gè)時(shí)鐘上升沿時(shí)刻改變狀態(tài)。這樣可以避免冒險(xiǎn)和其他不定態(tài)的出現(xiàn)。其軟件設(shè)計(jì)模塊基本框圖如圖3所示。

2．1 全局控制模塊
    全局控制模塊產(chǎn)生全局控制信號(hào)count，對(duì)其他模塊進(jìn)行時(shí)序管理。首先，將輸入的10 MHz頻率倍頻到50 MHz，使得整個(gè)工程以50 MHz的頻率運(yùn)行。其次，判斷輸入的B(DC)碼碼元的上升沿，在碼元的上升沿時(shí)刻對(duì)全局控制信號(hào)count復(fù)位，接下來在50 MHz頻率的控制下全局控制信號(hào)count開始計(jì)數(shù)。count的低17比特是2．2 ms的計(jì)數(shù)器，count的第17，18比特是對(duì)B(DC)碼碼元采樣點(diǎn)的標(biāo)記，范圍是0～3。count的第19～25比特是對(duì)B(DC)碼碼元的統(tǒng)計(jì)，范圍是0～99。最后，搜索幀頭的功能。對(duì)B碼采樣模塊輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)搜索到連續(xù)兩個(gè)標(biāo)志位P0，PR時(shí)，則認(rèn)為搜索到幀頭，開始BCH譯碼，否則認(rèn)為沒有搜索到幀頭，控制信號(hào)count復(fù)位，重新搜索。
2．2 B碼采樣模塊
    B碼采樣模塊在B(DC)碼碼元上升沿時(shí)刻開始以2．2 ms間隔對(duì)其采樣，由于B碼的碼元寬度為10 ms所以每個(gè)B(DC)碼碼元采樣到四個(gè)值。‘P’碼元采樣到的數(shù)據(jù)是“1110”，如圖4所示。同理，‘0’碼元采樣到的數(shù)據(jù)是“0000”，‘1’碼元采樣到的數(shù)據(jù)是“1100”。將采樣到的值反饋給全局控制模塊以便進(jìn)行幀頭搜索并傳遞給BCH譯碼模塊。

    為了防止干擾造成的抖動(dòng)對(duì)輸入信號(hào)造成誤判，采取的修正方法是在全局控制信號(hào)count的控制下，在B(DC)碼碼元的每個(gè)采樣點(diǎn)處間隔兩個(gè)主鐘連續(xù)采樣三次．然后將這三次的采樣值兩兩按位與，再將相與的結(jié)果相或便得到該采樣點(diǎn)處的真實(shí)值，有效地防止了干擾造成的信號(hào)誤判。
2．3 BCH譯碼模塊
    BCH譯碼模塊在控制信號(hào)count的控制下對(duì)B(DC)碼采樣模塊輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)為“1110”時(shí)，對(duì)應(yīng)的碼元信息為‘P’；當(dāng)為“0000”時(shí)，對(duì)應(yīng)的碼元信啟、為‘0’；當(dāng)為“1100”時(shí)，對(duì)應(yīng)的碼元信息為‘1’，并按照秒、分、時(shí)、天、TOD在B(DC)碼中所對(duì)應(yīng)的碼元位置進(jìn)行相應(yīng)的組合。
2．4 天、時(shí)、分、秒、TOD提取模塊
    天、時(shí)、分、秒、TOD提取模塊是將BCH譯碼模塊中輸出的數(shù)據(jù)存入天、時(shí)、分、秒、TOD寄存器中。圖5是在ModelSim SE 6．6下的仿真，TOD為86 399，365天23時(shí)59分59秒分別存入了TOD、天、時(shí)、分、秒寄存器。從圖5觀察TOD、天、時(shí)、分、秒輸出正確。

2．5 1 PPS提取模塊
    1 PPS提取模塊是產(chǎn)生1 PPS信號(hào)。上電復(fù)位后能夠產(chǎn)生高電平寬度為5 ms，周期為1 s的游離1 PPS信號(hào)，當(dāng)全局控制模塊搜索到幀頭位置后，通過全局控制信號(hào)count來修正1 PPS信號(hào)上升沿的位置。圖6是在M0delSim SE 6．6下的仿真1 PPS信號(hào)輸出。觀察圖6可知1 PPS信號(hào)輸出正確。

2．6 串口模塊
    串口模塊是將天、時(shí)、分、秒、TOD串行輸出到B(DC)碼解碼上位機(jī)軟件。在串口模塊中按照規(guī)定的組幀協(xié)議將天、時(shí)、分、秒、TOD的BCD碼組幀輸出。利用本廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)的B(DC)碼發(fā)生器輸出固定時(shí)間的B(DC)碼，然后用本設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)試制的B(DC)碼解碼器解碼，最后通過串口連接到PC機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。圖7是B(DC)碼解碼上位機(jī)軟件的測(cè)試結(jié)果，顯示正確。

3 結(jié)語
    傳統(tǒng)的IRIG-B碼解碼器采用微處理器設(shè)計(jì)，器件較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，尤其是在受到外界干擾的情況下，會(huì)出現(xiàn)死機(jī)等故障。而采用FPGA設(shè)計(jì)的解碼器集成度高、設(shè)計(jì)靈活方便，在很大程度上解決了上述問題。
    隨著我國電力自動(dòng)化水平的不斷發(fā)展，電力生產(chǎn)設(shè)備的可靠性和小型化是必然的趨勢(shì)。FPGA在這方面能發(fā)揮較好的作用，其應(yīng)用可使電力生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單緊湊，性能更加可靠、穩(wěn)定。