基于FPGA的IRIG-B（DC）快速解码器设计

唐立军张林山李孟阳杨映春

（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明 650000；2.广州致讯信息科技有限责任公司，广东广州 510000）

基于FPGA的IRIG-B（DC）快速解码器设计

唐立军1张林山1李孟阳1杨映春2

（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明 650000；2.广州致讯信息科技有限责任公司，广东广州 510000）

在电厂设备中，需要为电子设备提供统一的时间信息，以便对设备信息进行时间校正。为了达到电子设备与时钟服务器时间信号的精确同步，提出了基于FPGA实现IRIG-B（DC）码快速解码器的设计方案。解码器接收IRIG-B（DC）码，完成对时间信息的解析并输出1 pps信号和串口时钟报文信息。实验证明，采用FPGA设计IRIG-B（DC）解码器，具有精度高，性能稳定，体积小，成本低等优点，对于常规时钟同步设备的技术更新具有重要实践意义。

IRIG-B解码 时钟同步系统 FPGA

1 引言

IRIG-B码（简称B码）是一种BCD串行时间码，每个码元宽度为10ms，为脉宽编码，一个时帧周期包括100个码元。码元的"准时"参考点是其脉冲前沿，时帧的参考标志由一个位置识别标志和相邻的参考码元组成，其宽度为8ms；每10个码元有一个位置识别标志：P1，P2，P3，…，P9，P0，它们均为8ms宽度；PR为帧参考点，如图1所示；二进制“1”、“0”和时帧参考标志的脉宽为5ms、2ms和8ms，如图2所示。

一个时间格式帧从帧参考标志开始。因此连续两个8ms宽脉冲表明秒的开始，如果从第二个8ms开始对码元进行编码，分别为第0，1，2，…，99个码元，把IRIG-B码的编码格式写为：

＜sync＞SS：MM：HH：DDD：YY： ＜control＞ ＜binary seconds＞，其中各字段的定义如下：

（1）＜sync＞：时间同步标；志（位位置P0）；（2）SS：秒（位位置P1～P4秒个位、P6～P8秒十位，范围00～59，当闰秒出现时可能为60）；（3）MM：分（位位置P10～P13分个位、P15～P17分十位，范围，范围00～59）；（4）HH：时（位位置P20～P23时个位、P25～P26时十位，范围00～23）；（5）DDD：日（位位置P30～P33日个位、P35～P38日十位、P40～P41日百位，范围00～366）；（6）YY：年（位位置P50～P53年个位、P55～P58年十位，范围00～99）；（7）＜control＞：二进制控制位；（8）＜binary seconds＞：一天中的秒数（SBS—straight binary second-of-day）。

2 B码解码模块

IRIG-B（DC）码的解调有两大任务：一是解调1pps信号；二是解调B码携带的时间信息。B码解调原理图如图3所示。

在图3中，脉宽识别模块的作用是在接受到B码不同宽度的码元时，在代表不同脉宽信号的端口输出一个指示信号。其原理是在检测到B码上升沿时，启动计数，在B码的下降沿时对计数器值进行判断，然后在对应的端口输出一个高电平标志，此高电平标志在下个B码上升沿到来时变为低电平。标志信号识别如图4所示。

由于B码经传输或干扰后可能发生波形畸变，因此在判别码元宽度时应考虑冗余设计。因此，本设计采用一个10kHz时钟对B码进行检测，若计数得到的码元宽度为75～85，该码元为8ms脉宽；若计数得到的码元宽度为45～55，该码元为5ms脉宽；若计数得到的码元宽度为15～25，该码元为2ms脉宽。起始位识别模块由8ms标志计数器和一个2ms、5ms为输入的或门组成，其作用识别IRIG-B（DC）码的起始位置，为码元计数器以及数据解析模块输出清零信号。其原理是对8ms标志信号计数，用5ms或2ms标志信号清零，当检测到连续的2个8ms标志信号时，即找到了B码的帧头，输出清零信号，如图5所示。

0～99码元计数器的作用时对B码码元计数，解析1pps信号。在码元计数器中，PR记为0，P0记为99，当清零脉冲信号到来时将码元计数器清0，同时在下一个B码上升沿处，置1pps信号线为高电平；当计数器计数到49的同时，在下一个B码上升沿处，置1 pps信号线为高电平。

数据解析模块由波特率定时模块和数据采集模块组成。其作用是解析B码中所携带的时间信息，并将其输出或储存。本设计采用一个偏移的100Hz 时钟来检测5ms标志信号的方法来解析时间信息。其原理为：首先波特率定时模块将10kHz时钟信号分频为一个100 Hz的时钟信号，这个100Hz的时钟信号上升沿较清零信号上升沿（即IRIG-B（DC）码的上升沿）退后约3/（4*bps），其中1/bps为每个码元的周期，恰好在5ms脉宽标志信号高电平的中间，如图6所示。在100 Hz时钟信号高电平期间检测5 ms脉宽标志信号的值，若为1，则根据此时刻数据采集模块中码元计数的值，置相应的数据位为1；若为0，则根据此时刻数据采集模块中码元计数的值，置相应的数据位为0。由于B码时间信息储存于特定的码元间，所以，时间信息输出信号线只接与存储有时间信息的数据位。

3 时间信息发送模块

在图7中，时间报文分组发送控制模块的作用是将时间信息中包含的年、天、时、分、秒信息分别拆分成5个字节，控制串口发送模块依次发送。

串口发送模块由波特率定时模块和字节发送控制模块组成，其作用是按照串口发送时序协议，发送一个字节数据。字节发送控制模块按照波特率定时模块产生定时信号将数据一位一位的发送出去。假设我配置的波特率为9600bps，那么每隔0.00010416666666 6667s，波特率定时模块就会产生一个高脉冲给字节发送控制模块，一帧数据有11位，那么波特率定时模块需要产生12次定时，如图8所示。

为了方便上位机数据解析，我们在时间报文分组发送控制模块的报文分组表起始位置加入0xFFFF，上位机在连续检测到两个0xFF，开始解析数据，同步上位机时钟（为了保证时钟同步的准确性，上位机还得具有数据质量过滤策略）。

4 结语

目前用分立元件开发和研制的IRIG-B码时间统一系统存在电路复杂，集成度低，调试困难，体积大，成本高，保密性低等缺点。而采用FPGA是设计的B码解码器，很大程度上解决了以上问题，其精度也可以满足绝大多数要求。本设计根据的电力行业实际情况，着眼

［1］吴炜，周烨，黄子强.FPGA实现IRIG-B（DC）码编码和解码的设计［J］.电子设计工程，2010（12）∶162-169.

［2］史玉琴.基于EPLD的IRIG-B编/解码器的分析与设计［J］.现代电子技术，2007（14）∶79-81.

［3］佟刚，曹永刚.基于MSP430+FPGA的IRIG-B码时统设计［J］.电光控

1.4 数据质量监控管理

数据质量监控管理提供同一设备类型在数据标准定义下，不同时间整改后的异常数据数量统计，为数据质量提升提供考核依据。监控管理人员通过图形化界面监控过程中数据质量提升管理工作，更好的为数据质量提升做好决策支持。

2 结语

通过PMS数据质量检查工具的研制，黄山供电公司进一步完善了数据质量管理流程和日常基础业务管理制度，实现了PMS系统数据质量管理的制度化、规范化、标准化和精细化，PMS数据质量得以有效提升，数据管理水平得以明显提高。

参考文献:

［1］赵晓锋，周庆捷.PMS实用化分析评价体系和数据质量提升的研究［J］.电力信息与通信技术，2015，13（7）∶101-106.

［2］陈孝明，阮羚.基于数据库层级的PMS实用化评价指标提升方法［J］.湖北电力，2015，39（8）∶9-11.

［3］范婷，余永忠.某供电局数据质量及实用化常态化评价体系探索［J］.信息化建设，2015（11）.

In power plant equipment， the need for electronic equipment to provide a unified time information， so that the equipment information for time correction. In order to achieve the precise synchronization of the time signal of the electronic equipment and the clock server， a design scheme of IRIGB （DC） code fast decoder based on FPGA is proposed. Decoder receives IRIG-B （DC） code， complete the analysis of time information and output 1 PPS signal and serial clock message information. Experimental results show that the FPGA design IRIG-B （DC） decoder has the advantages of high precision， stable performance， small size and low cost， which has important practical significance for the technical update of the conventional clock synchronization device.

IRIG-B；decoding clock synchronization system；FPGA

唐立军（1985—），男，湖南永州人，硕士，毕业于湖南大学，工程师，研究方向：电网自动化检测及测试技术、多源信息融合技术方面的研究。