基于可编程器件的IRIG-B型码元容错方法

基于可编程器件的 IRIG-B型码元容错方法

颜希超，刘辉

长园深瑞继保自动化有限公司 ，广东 深圳 ， 518057

摘 要：本文采用可编程逻辑设计来完成时统终端的设计，从工程实践角度介绍了针对现场实际信号质量的优化容错设计方案。在硬件上提供了一种基于FPGA/CPLD等可编程逻辑器件，可以稳定、可靠解析IRIG-B信号的方法。

关键词：IRIG-B；可编程逻辑器件；容错设计；

0 引言

随着科学技术的发展，GPS应用已经非常广泛，在电力系统自动化领域中越来越多采用IRIG-B码方式同步对时技术。IRIG-B码方式克服了不包含绝对时标信息的缺陷，有更广泛的应用^[1]。IRIG-B信号在经信道传输过程中不可避免地会受到干扰从而出现信号失真，需要对数据进行信道解码增加容错方法，提升信号在处理和传输过程中的可靠性。

1 IRIG-B码的格式与规范

IRIG(Inter Range Instrumentation Group)是美国靶场司令委员会制定的一种时间标准，现广泛应用于军事、商业、工业等领域。其中，最常用的是IRIG-B时间码格式。IRIG-B码是每秒一帧的串行时间码，每一帧包括100个IRIG-B时间码元，每个时间码元的宽度为10ms。按照IRIG-B码的标准定义，码元有3种类型，即P码元、1码元和0码元，P码元为标志位，1码元表示二进制的1，0码元表示二进制的0，IRIG-B码就是通过这3种码元的组合完成时间信息的传输。如图1为IRIG-B码传输的各种码元的信息定义。

图1 IRIG-B码信息定义

IRIG-B码具有携带信息量大、高分辨率、接口标准化及国际通用的特点，适合于远距离的信息传输，为电力系统各类运行设备提供精确的时间基准，以满足各种系统和设备对时间同步的要求^[2]。

2 硬件系统分析

2.1 可编程逻辑器件信号滤波

如图2所示，理论输入信号为常见的数字信号高电平的理想波形，由于信号从发送方到接收方传输过程中会收到各种各样因素的影响，导致信号传输到接收方时上升沿和下降沿产生畸变和毛刺，导致信号失真，从而影响对该信号的使用^[3]。可编程器件引脚上输入信号的上升沿或下降沿都会产生畸变和毛刺，直接使用必然会导致意外的错误。因此，需要使用器件内部高速时钟对信号同步处理，得到滤除毛刺后的可用信号。

图2 IRIG-B码信号滤波示意

2.2 理论抖动分析

如图3所示，理论码元波形为IRIG-B码的码元，IRIG-B码中包括的所有信息都是由这3个码元组成的。图中虚线部分为IRIG-B码经过滤波后的信号可能范围，与理论码元波形相比不是固定的，会在一定范围内波动。因此，不能简单的按照理论码元波形识别。以码元“P”的上升沿局部细节为例，其中向左边波动范围表示ΔL，向右边波动范围表示ΔR，ΔL与ΔR的值由实际IRIG-B码的码元波形质量决定。信号波形质量好的就可以设置一个小的值，反之质量差的就可以设置一个大的值。需要注意的是单个码元的持续时间与理论码元波形是一致的，因此单个码元的高电平时间和低电平时间此消彼长，二者的和为单个码元的时间，因此必须同时对单个码元的高电平时间和低电平时间识别才能达到较高的识别准确率。

图3 IRIG-B码信号抖动分析

3 容错识别分析

如图4所示对IRIG-B码信号进行容错识别的逻辑判断流程。

首先检测到上升沿并对相关寄存器进行初始化，防止上个码元识别过程中的状态影响到此次码元识别。然后对该码元的高电平保持时间进行计数，码元“P”、码元“1”和码元“0”的起始位置都是上升沿，需要对码元的高电平持续时间进行计数统计，做为整个码元的识别起始状态。当检测到信号下降沿，根据计数器的值就可以初步确定码元类型。当再次检测到上升沿说明已经完成该码元的持续时间计数统计，因此根据二者的值与每个码元高低电平在考虑ΔL与ΔR之后的THmin和THmax范围进行对比即可得到确定码元类型。

如果检测出错误码元，即高电平计数超过了IRIG-B码码元高电平的持续时间（包含ΔL与ΔR之后的最大值），则直接跳到下一个新码元的识别，直到检测到新码元的起始上升沿标识。

图4 流水工作示意图

4 结束语

通过对信号添加容错方法，可以显著提高IRIG-B型码（DC）码元信号质量不佳时的识别成功率和准确性，并减少在可编程器件外部的滤波电路，同时可以降低开发成本。

参考文献:

[l] 雷震，魏丰，IRIG-B格式时间码在GPS同步时钟卡中的应用[J]. 现代电子技术，2004，(05)：75-79.

[2] 电力系统的时间同步系统 第1部分：技术规范：DL/T 1100.1-2009 [S].北京:中国电力出版社，2009.

[3] 郑海生，周富大，朱洪兴. IRIG-B码解码编码卡[J]. 电子测量技术，2005，(06)：88-89.

作者简介:颜希超(1987-)，男，硕士，中级工程师，研究方向：嵌入式硬件开发。