基于FPGA的IRIG-B(DC)码解码

摘要：在分析了IRIG-B(DC)码码型特点的基础上，提出了一种IRIG-B(DC)时间码解码的设计方法。该方法由少量外围电路与一片现场可编程门阵列(FPGA)芯片组成，来实现对IRG-B(DC)码的解码、1 PPS信号输出、实时时间显示以及串行异步通信。与传统的方法相比，该设计方案具有体积小、成本低、工作稳定等优点，完全能够替代传统的B码机箱的功能。
关键词：IRIG-B(DC)；FPGA；硬件描述语言；串行通信

    随着电力自动化水平的提高，电力对时间的同步要求越来越迫切、时间同步的精度要求越来越高。采用GPS全球卫星定位系统的时间同步功能，是提高电力生产和管理自动化水平、确保运行质量的一条最佳途径。国家电力公司、各大电网和省电力公司，高度重视电力系统的时间同步系统的建设，明确要求电力的生产运行系统装置采用卫星时钟进行校时。由于目前GPS接收机采用IRIG-B(DC)时间码的格式输出标准时间信息，所以本文提出了一种基于FPGA来实现的IRIG-B(DC)时间码解码设计方案。

1 IRIG-B码简介
    IRIG-B(DC)时间码(简称B码)是由IRIG所属的TCG(Telecommunication Group)制订的一种串行时间码。B码是一种串行时间码，帧长为1 s，共包含100个码元。它采用脉宽调制方式编码，共有三种宽度的码元，分别表示“0”，“1”．“P”，其中“P”为标志位，如图1所示，码元的总宽度为10 ms，“0”的脉宽为2 ms；“1”的脉宽为5 ms；“P”的脉宽为8 ms。

    B码的1帧从连续两个“P”开始，其中第一个标志位为P0，第二个标志位为PR，PR的上升沿是1 s的准秒时刻，即当前帧表示的秒时刻的起点。如果规定PR所在位置为第0个码元，那么每帧分别有编号为0，1，2，…，99的码元。标志位P1，P2，P3，…，P0的位置分别在9，19，29，…，99。B码包含了当前时刻的秒，分，时，天信息和每天按秒计时的秒数(TIME OF DAY，TOD)，如图2所示。

    秒信息从00～59，分为“秒”和“十秒”两部分，分别使用BCD码表示。“秒”使用1，2，3，4码元，“十秒”使用6，7，8码元。分信息也是从00～59，分为“分”和“十分”，“分”使用10，11，12，13码元，“十分”使用15，16，17码元。小时信息从00～23，分为“时”和“十时”，“时”使用20，21，22，23码元，“十时”使用25，26码元。天表示的是从1月1日到当前日期的总天数，如1月1日，天数为1。天数从1～365(闰年为366)，分为“天”，“十天”和“百天”三部分，“天”使用30，31，32，33码元，“十天”使用35，36，37，38码元，“百天”使用40，41码元，TOD时间使用80，81，82，83，84，85，86，87，88，90，91，92，93，94，95，96，97共17个码元，采用直接二进制表示从每天的第一秒到当前时刻的总秒数。23点59分59秒对应的TOD时间为86 399 s的IRIG-B(DC)码如图2所示。注意，秒、分、时、天、TOD表示都是低位在前，高位在后；第5、14、24、34码元为索引标志码元。另外，标志位P5到P8之间的码元为控制码元，可以根据实际使用时的协议来制订使用方法。

2 FPGA解码方案
    FPGA是现场可编程门阵列(Field ProgrammableGate Array)的简称。FPGA器件及其开发系统是开发大规模数字集成电路的新技术。在电子产品设计中有较广泛的应用。在本设计中采用的是Xilinx公司Spartan3系列中的XC3S1500芯片。它具有29952个逻辑单元，150万个门。XC 3S1500具有333个管脚，采用FG456封装，支持在线可编程。
    Xilinx公司提供了支持FPGA开发的软件ISE，通过它可以进行原理图编辑，VHDL文本语言编辑，并支持这两种编辑方式的混合设计。在本设计中采用的是ISE 10．1软件。完成了设计输入并成功地进行了编译，只能说明设计符合一定的语法规范，并不能保证设计可以获得所期望的功能，这时就需要通过仿真对设计进行验证。ModelSim是业界十分优秀的语言仿真器，它提供十分友好的调试环境，仿真速度快，精度高。在本设计中采用的是ModelSim SE 6．6e。
    在本工程设计中采用了VHDL语言，自顶向下的设计方法，实现了工程的层次化管理。为了使得产品稳定、可靠，采用全同步设计，使整个工程都在一个时钟上升沿时刻改变状态。这样可以避免冒险和其他不定态的出现。其软件设计模块基本框图如图3所示。

2．1 全局控制模块
    全局控制模块产生全局控制信号count，对其他模块进行时序管理。首先，将输入的10 MHz频率倍频到50 MHz，使得整个工程以50 MHz的频率运行。其次，判断输入的B(DC)码码元的上升沿，在码元的上升沿时刻对全局控制信号count复位，接下来在50 MHz频率的控制下全局控制信号count开始计数。count的低17比特是2．2 ms的计数器，count的第17，18比特是对B(DC)码码元采样点的标记，范围是0～3。count的第19～25比特是对B(DC)码码元的统计，范围是0～99。最后，搜索帧头的功能。对B码采样模块输出的数据进行判断，当搜索到连续两个标志位P0，PR时，则认为搜索到帧头，开始BCH译码，否则认为没有搜索到帧头，控制信号count复位，重新搜索。
2．2 B码采样模块
    B码采样模块在B(DC)码码元上升沿时刻开始以2．2 ms间隔对其采样，由于B码的码元宽度为10 ms所以每个B(DC)码码元采样到四个值。‘P’码元采样到的数据是“1110”，如图4所示。同理，‘0’码元采样到的数据是“0000”，‘1’码元采样到的数据是“1100”。将采样到的值反馈给全局控制模块以便进行帧头搜索并传递给BCH译码模块。

    为了防止干扰造成的抖动对输入信号造成误判，采取的修正方法是在全局控制信号count的控制下，在B(DC)码码元的每个采样点处间隔两个主钟连续采样三次．然后将这三次的采样值两两按位与，再将相与的结果相或便得到该采样点处的真实值，有效地防止了干扰造成的信号误判。
2．3 BCH译码模块
    BCH译码模块在控制信号count的控制下对B(DC)码采样模块输出的数据进行判断，当为“1110”时，对应的码元信息为‘P’；当为“0000”时，对应的码元信启、为‘0’；当为“1100”时，对应的码元信息为‘1’，并按照秒、分、时、天、TOD在B(DC)码中所对应的码元位置进行相应的组合。
2．4 天、时、分、秒、TOD提取模块
    天、时、分、秒、TOD提取模块是将BCH译码模块中输出的数据存入天、时、分、秒、TOD寄存器中。图5是在ModelSim SE 6．6下的仿真，TOD为86 399，365天23时59分59秒分别存入了TOD、天、时、分、秒寄存器。从图5观察TOD、天、时、分、秒输出正确。

2．5 1 PPS提取模块
    1 PPS提取模块是产生1 PPS信号。上电复位后能够产生高电平宽度为5 ms，周期为1 s的游离1 PPS信号，当全局控制模块搜索到帧头位置后，通过全局控制信号count来修正1 PPS信号上升沿的位置。图6是在M0delSim SE 6．6下的仿真1 PPS信号输出。观察图6可知1 PPS信号输出正确。

2．6 串口模块
    串口模块是将天、时、分、秒、TOD串行输出到B(DC)码解码上位机软件。在串口模块中按照规定的组帧协议将天、时、分、秒、TOD的BCD码组帧输出。利用本厂设计生产的B(DC)码发生器输出固定时间的B(DC)码，然后用本设计方案设计试制的B(DC)码解码器解码，最后通过串口连接到PC机上进行测试。图7是B(DC)码解码上位机软件的测试结果，显示正确。

3 结语
    传统的IRIG-B码解码器采用微处理器设计，器件较多，结构较复杂，尤其是在受到外界干扰的情况下，会出现死机等故障。而采用FPGA设计的解码器集成度高、设计灵活方便，在很大程度上解决了上述问题。
    随着我国电力自动化水平的不断发展，电力生产设备的可靠性和小型化是必然的趋势。FPGA在这方面能发挥较好的作用，其应用可使电力生产设备结构更加简单紧凑，性能更加可靠、稳定。