基于FPGA的IRIG-B編碼器的設(shè)計(jì)

我國(guó)靶場(chǎng)測(cè)量、工業(yè)控制、電力系統(tǒng)測(cè)量與保護(hù)、計(jì)算、通信、氣象等測(cè)試設(shè)備均采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IRIG-B格式的時(shí)間碼(簡(jiǎn)稱(chēng)B碼)作為時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)。B碼是一種串行的時(shí)間格式，分為直流碼(DC碼)和交流碼(AC碼)兩種，其格式和碼元定時(shí)在文獻(xiàn)[1]中有詳細(xì)描述。本文介紹一種基于FPGA并執(zhí)行IRIG-B標(biāo)準(zhǔn)的AC／DC編碼技術(shù)，與基于MCU或者DSP和數(shù)字邏輯電路實(shí)現(xiàn)的編碼方法相比，該技術(shù)可以大大降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，降低成本，提高B碼的精確性和系統(tǒng)靈活性。

在此，組合GPS引擎和FPGA，得到B碼的編碼輸出，直接采用GPS引擎的100 pps信號(hào)觸發(fā)輸出B碼的每個(gè)碼元，利用從100 pps中恢復(fù)的1 pps信號(hào)提供B碼的時(shí)間參考點(diǎn)。DC編碼和AC數(shù)字調(diào)制均由純硬件邏輯通過(guò)查找表實(shí)現(xiàn)，它能使每個(gè)碼元的上升沿都非常精準(zhǔn)，都可以作為百分秒的時(shí)間參考點(diǎn)，而計(jì)時(shí)鏈的預(yù)進(jìn)位功能則保證了絕對(duì)時(shí)間的精確，不僅可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步，還可以實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集嚴(yán)格同步，為分析和度量異步發(fā)生的事件提供有方的支持。

1 IRIG-B編碼格式

IRIG標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的B格式碼如圖1所示，每秒鐘發(fā)1次，每次100個(gè)碼元，包含1個(gè)同步參考點(diǎn)(Pr脈沖的上升沿)和10個(gè)索引標(biāo)記。碼元寬度為10 ms，用高電平寬度為8 ms的脈沖表示索引標(biāo)記，用寬度為5 ms的脈沖表示邏輯1，用寬度為2：ms的脈沖表示邏輯0。

如圖1所示，交流碼的載波是1 kHz正弦信號(hào)，幅度變化峰一峰值范圍為0.5～10 V。調(diào)制比為U1／U0=1／6～1／2，即邏輯1是5個(gè)幅度為U1的1 kHz正弦信號(hào)，邏輯0是2個(gè)幅度為U1的1 kHz正弦信號(hào)，索引標(biāo)記是8個(gè)幅度為U1的1 kHz正弦信號(hào)，其他時(shí)間是幅度為U0的1 kHz正弦信號(hào)。

2 系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)原理框圖

設(shè)計(jì)授時(shí)系統(tǒng)需要一個(gè)精準(zhǔn)時(shí)基。在此利用精密授時(shí)型GPS引擎M12T作為系統(tǒng)時(shí)基，利用AlteraFPGA檢測(cè)M12T輸出的百分秒(100 pps)同步信號(hào)和經(jīng)串口輸出的絕對(duì)時(shí)間信號(hào)，編碼后輸出到DC／AC接口模塊，再輸出到物理鏈路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

上述系統(tǒng)首先實(shí)現(xiàn)了B碼直流編碼，而后在直流碼的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)交流調(diào)制，以得到交流碼，同時(shí)提供恢復(fù)每秒脈沖數(shù)輸出和隔離RS 232串行口輸出且符合Motorola格式的時(shí)間碼，以及數(shù)碼管的時(shí)間顯示。時(shí)間顯示部分用FPGA實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，下文不再詳述。