摘要：為提高整個(gè)系統(tǒng)時(shí)間的同步精度,，以便為測(cè)量設(shè)備提供可靠的時(shí)間信息和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào),，給出了一種基于FPGA" title="FPGA">FPGA的IRIG-B編解碼器" title="編解碼器">編解碼器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。新系統(tǒng)基于模塊化設(shè)計(jì),，其中編碼部分完成標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息及相應(yīng)的BCD碼的產(chǎn)生,，并在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間BCD碼中加入幀開始標(biāo)志位、位置識(shí)別標(biāo)志和索引標(biāo)志識(shí)別,，從而將BCD格式的時(shí)間信息變成IRIG-B格式碼,，同時(shí)數(shù)據(jù)并串處理可通過(guò)FPGA的一個(gè)I／O端口發(fā)送串行數(shù)據(jù)。解碼部分則完成串行IRIG-B格式碼的接收并判斷幀開始標(biāo)志位和位置識(shí)別標(biāo)志,，再解出相應(yīng)原始時(shí)間信息并存儲(chǔ)到雙端口的RAM" title="RAM">RAM中,，最后以并行方式輸出。
關(guān)鍵詞：IRIG-B,；可編程邏輯器件,；FPGA；編碼器,；解碼器

0 引言
    時(shí)間統(tǒng)一(以下簡(jiǎn)稱時(shí)統(tǒng))系統(tǒng)是武器系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試,、通信,、氣象、航天,、工業(yè)控制,、電力系統(tǒng)測(cè)量與保護(hù)等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，主要為其他參試測(cè)試設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào),。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展,，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系統(tǒng)設(shè)備的要求越來(lái)越高，IRIG-B碼以其優(yōu)越性成為時(shí)間系統(tǒng)設(shè)備的首選,。而對(duì)信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)的可編程度,、集成度的需求越來(lái)越高，用于時(shí)間系統(tǒng)的IRIG-B碼源的設(shè)計(jì)也趨于高度集成化,。FPGA可編程邏輯器件的規(guī)模比較大,，適合于時(shí)序,、組合等邏輯電路應(yīng)用場(chǎng)合,，同時(shí)具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高,、成本低,、可編程等優(yōu)勢(shì)。本文介紹了采用Ahera公司的EP20K200E器件所設(shè)計(jì)的IRIG-B時(shí)統(tǒng)信號(hào)發(fā)生及解碼電路,。
    IRIG-B編碼模塊主要利用外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)來(lái)觸發(fā),，它將用于產(chǎn)生IRIG-B碼的各種門電路集成在一個(gè)芯片，以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的IRIG-B串行時(shí)間碼并向設(shè)備終端發(fā)送,，從而完成DC碼編碼,。通過(guò)設(shè)備終端對(duì)接收到的IRIG-B碼進(jìn)行解調(diào)，便能產(chǎn)生出系統(tǒng)所需的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和各種控制信號(hào),，然后再存儲(chǔ)到相應(yīng)的雙端口RAM中,。

1 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)
    IRIG(Inter-Range Instrumentation Group)是美國(guó)靶場(chǎng)司令部委員會(huì)的下屬機(jī)構(gòu)，稱為“靶場(chǎng)時(shí)間組”,。IRIG-B碼(DC)以其實(shí)際的優(yōu)越性能而成為時(shí)統(tǒng)設(shè)備最佳選擇的標(biāo)準(zhǔn)碼型,。IRIG時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)有兩大類：一類是并行時(shí)間碼格式，這類碼由于是并行格式,，傳輸距離較近,，且是二進(jìn)制，因此遠(yuǎn)不如串行格式廣泛,；另一類是串行時(shí)間碼,，共有六種格式，即A,、B,、D,、E、G,、H,。它們的主要差別是時(shí)間碼的幀速率不同，B碼的主要特點(diǎn)是時(shí)幀速率為1幀／s,；而且攜帶信息量大,，經(jīng)譯碼后可獲得1、10,、100,、1000 c／s的脈沖信號(hào)和BCD編碼的時(shí)間信息及控制功能信息；此外,，B碼的分辨率高,，調(diào)制后的B碼帶寬能適用于遠(yuǎn)距離傳輸，它分為直流,、交流兩種,，而且接口標(biāo)準(zhǔn)化，國(guó)際通用,。
    IRIG-B碼編碼器由時(shí)鐘脈沖發(fā)生器模塊,、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間形成模塊、BCD碼轉(zhuǎn)換模塊,、并串轉(zhuǎn)換,、直流碼形成模塊和交流碼模塊組成，其編碼器硬件設(shè)計(jì)總體框圖如圖1所示,。

    IRIG-B解碼器則由鎖相環(huán)PLL模塊,、IRIG-B解碼模塊、雙端口RAM,、RAM控制模塊等組成,。其解碼硬件的設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

2 IRIG-B編碼模塊的設(shè)計(jì)
2．1 時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)
    為了達(dá)到系統(tǒng)所要求的精度,，使頻率較為穩(wěn)定,，設(shè)計(jì)時(shí)可用更高的頻率作為時(shí)鐘分頻鏈的第一主時(shí)鐘。這里采用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)倍頻方法來(lái)提供所需的頻率,，可選用Quartus II軟件中宏功能庫(kù)中自帶的PLL來(lái)提高整體的運(yùn)算速度,，同時(shí)也能合理的進(jìn)行資源綜合。實(shí)事上,，使用基本的宏定義模塊可以明顯地提高用戶的設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間,。時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路是IRIG-B碼產(chǎn)生器不可缺少的單元，該電路主要由幾個(gè)分頻器級(jí)聯(lián)和一些邏輯門組成,。
    電路中的數(shù)字分頻器可對(duì)外部提供的頻率進(jìn)行分頻,，以產(chǎn)生系統(tǒng)所需時(shí)序脈沖和B碼的三種基本編碼形式脈沖,，其寬度(高電平)分別為2ms、5 ms,、8 ms,，頻率為100Hz的脈沖信號(hào)：其中第一種是高電平為2 ms、低電平為8 ms的脈沖(代表邏輯“0”),；第二種是高,、低電平均為5 ms的脈沖(代表邏輯“1”)；第三種是高電平為8ms,、低電平為2 ms的脈沖(作為位置識(shí)別標(biāo)志和參考碼元),。Quartus II軟件下的仿真模塊結(jié)果如圖3所示。

2．2 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息和BCD碼轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)
    該模塊由百分秒計(jì)數(shù)器,、秒計(jì)數(shù)器,、分計(jì)數(shù)器、時(shí)計(jì)數(shù)器和天計(jì)數(shù)器級(jí)連而成,。它可對(duì)預(yù)置的時(shí)間進(jìn)行秒加一,，每隔一秒對(duì)時(shí)間信息刷新一次，從而形成動(dòng)態(tài)BCD碼,，并使時(shí)間信息符合IRIG-B碼的格式,。標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息和BCD碼轉(zhuǎn)換模塊如圖4所示。

2．3 IRIG-B碼DC格式的生成
    IRIG-B(DC)時(shí)間碼格式的時(shí)間格式幀從幀參考標(biāo)志開始,，因此，連續(xù)兩個(gè)8ms寬脈沖中的第二個(gè)8ms脈沖的前沿為秒的準(zhǔn)時(shí)點(diǎn),，該點(diǎn)標(biāo)志著一個(gè)時(shí)間格式幀的開始,，稱為參考碼元。從第二個(gè)8ms開始,，分別為第1,、2、…,、99,、0個(gè)碼元。B碼時(shí)間格式中含有秒,、分,、時(shí)、天等信息,，其位置在P0～P5間,。時(shí)間信息中，高電平用5ms脈沖表示,，低電平用2 ms脈沖表示,，其中秒信息占用第2,、3、4,、5,、7、8,、9碼元,；分信息占用第11、12,、13,、14、16,、17碼元,；時(shí)信息占用第20、21,、22,、24、26,、27碼元,；天信息占用第31、32,、33,、34、36,、37,、38、38,、41,、42碼元；P6～P10包含其他控制信息(這里沒(méi)有應(yīng)用),。另外,，第6、15,、25,、35、…,、95碼元為索引標(biāo)志,，用2ms脈沖寬度表示，固定為“0”。時(shí),、分,、秒均用相應(yīng)BCD碼表示，低位在前,，高位在后,，個(gè)位在前，十位,、百位在后,。圖5所示是IRIG-B時(shí)間碼的格式幀示意圖。

    一般每個(gè)IRIG-B碼都包含有豐富的碼信息,。它必須包含幀開始標(biāo)志位,、位置識(shí)別標(biāo)志和索引標(biāo)志，以使接受方能進(jìn)行數(shù)據(jù)卸載,，或通過(guò)位置識(shí)別標(biāo)志和索引標(biāo)志識(shí)別出相應(yīng)的天,、時(shí)、分,、秒等信息,。圖6所示是IRIG-B碼編碼模塊的設(shè)計(jì)圖。

3 IRRIG-B解碼模塊設(shè)計(jì)
3．1 鎖相環(huán)PLL模塊
    PLL鎖相環(huán)模塊用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步功能,，以使外部信號(hào)脈沖和提供的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖相位同步,，從而實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)頻率對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤。PLL主要由鑒相器(PD),、環(huán)路濾波器(LPF)和壓控振蕩器(VCO)等三個(gè)基本部件組成,。本文選用Ouartus II軟件中宏功能庫(kù)中自帶的PIX模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)其相位同步功能。
3．2 IRIG-B解碼模塊
    對(duì)IRIG-B碼進(jìn)行解碼就是將B中包含的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)和天,、時(shí),、分、秒信息提取出來(lái),。解碼的關(guān)鍵在于判別IRIG-B碼的幀開始標(biāo)志位和相應(yīng)的秒、時(shí),、分,、天的位置和信息。通過(guò)檢測(cè)B碼中各個(gè)碼元的寬度(高電平),，可以判斷相應(yīng)的時(shí)間信息,。該模塊可完成對(duì)IRIG-B碼的寬度檢測(cè)。如果寬度為8,，則確定是位置識(shí)別標(biāo)志,，如果檢測(cè)到兩個(gè)連續(xù)的寬度都是8，第二個(gè)寬度為8的脈沖則作為幀開始標(biāo)志位。如果寬度為5,，則對(duì)應(yīng)的數(shù)值為“1”,，如果寬度為2，則對(duì)應(yīng)的數(shù)值為“0”,。
    本設(shè)計(jì)采用10 kHz基準(zhǔn)信號(hào)來(lái)采樣IRIG-B碼信號(hào)以提取碼元相關(guān)信息,。由于10kHz與外部頻率脈沖不能完全同步，有一定時(shí)間誤差,。所以,，利用10 kHz脈沖信號(hào)來(lái)采樣B碼信號(hào)，可使三種碼元不會(huì)出現(xiàn)重疊,，從而可以提高采樣精度,。在捕獲方式下，當(dāng)滿足捕獲條件時(shí),，硬件可自動(dòng)將計(jì)數(shù)器中的數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器中,，當(dāng)B碼信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),，下降沿到來(lái)時(shí)則停止計(jì)數(shù),，并通過(guò)采樣計(jì)數(shù)數(shù)值范圍來(lái)判斷對(duì)應(yīng)的碼元，從而將直流碼解出,。表1所列是用10kHz采樣B碼的信息表,，圖7所示是IRIG-B解碼模塊示意圖。

3．3 雙端口RAM和控制模塊
    本系統(tǒng)中的RAM模塊主要完成時(shí)間信息的存儲(chǔ),，RAM通過(guò)讀寫控制信號(hào)來(lái)進(jìn)行讀寫控制,。當(dāng)讀寫信號(hào)為高電平時(shí)進(jìn)行寫操作，此時(shí)可以通過(guò)寫地址線控制把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到相應(yīng)的存儲(chǔ)單元中,；為低電平時(shí)則進(jìn)行讀操作,，此時(shí)可通過(guò)讀地址線控制把相應(yīng)存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)讀出。從而完成整個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的讀取,，圖8所示是該雙端口RAM和控制模塊的示意圖,。

4 結(jié)束語(yǔ)
    基于FPGA的IRIG-B碼編解碼器有利于硬件電路的簡(jiǎn)化并縮短開發(fā)周期，同時(shí)其工作穩(wěn)定,，可靠性高,，可提供精確時(shí)間信息，在工程實(shí)踐中得到日益廣泛的應(yīng)用,。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),，其系統(tǒng)的各個(gè)模塊之間有較好的關(guān)聯(lián)性，又有一定的獨(dú)立性,，便于后期對(duì)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展,。當(dāng)以串行方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,，用一個(gè)I／O端口即可完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，因而既節(jié)省系統(tǒng)資源,，又可解決并行傳輸通道之間的相互干擾問(wèn)題,。