基于GPS的對時方式有3種：1)脈沖對時方式；2)串行口對時方式,；3)IRIG-B時間編碼對時方式,。脈沖對時和串行口對時各有優(yōu)缺點，前者精度高但是無法直接提供時間信息,，而后者對時精度比較低,。IRIG-B碼對時方式兼顧了兩者的優(yōu)點，是一種精度很高并且又含有絕對的精確時間信息的對時方式,，采用IRIC-B碼對時,，就不再需要現(xiàn)場總線的通信報文對時，也不再需要GPS輸出大量脈沖節(jié)點信號,。國家電網(wǎng)公司發(fā)布的技術(shù)規(guī)范中明確要求新投運的需要授時的變電站自動化系統(tǒng)間隔層設(shè)備,，原則上應(yīng)采用IRIG-B碼(DC)方式實現(xiàn)對時。
1 繼電保護裝置對時方案
一個變電站內(nèi)配置一套時間同步系統(tǒng),，該時間同步系統(tǒng)可由一面或多面時鐘裝置屏組成,。時問同步系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可采用主從式或主備式結(jié)構(gòu)。時間同步系統(tǒng)與被授時的繼電保護裝置之間采用EIA RS-422/485接口標(biāo)準(zhǔn)來傳輸IRIG-B(DC)碼信號,。不同廠家的保護裝置僅需具有EIA RS422/485接口的IRIG-B碼解碼器,，即可接入變電站統(tǒng)一對時網(wǎng)絡(luò),。保護裝置內(nèi)嵌IRIG-B碼解碼模塊,，采用圖1中的對時模式，即由IRIG-B碼解碼模塊檢測出時間信息和對時脈沖,，通過串口將時間信息直接下發(fā)到各個功能插件,。各功能插件都直接從對時模塊引入對時脈沖。
2 IRIG-B碼解碼模塊的硬件設(shè)計
早期的B碼解碼設(shè)備多采用TTL集成電路與單片機相結(jié)合的方法來實現(xiàn),，利用門電路和觸發(fā)器從編碼信號中提取出秒同步信號,，而用單片機實現(xiàn)時間信息的解碼,。目前該方法仍在使用，但該方法存在器件較多,，結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，可靠性差、同步精度不高,、通用性差,、不利于功能擴展等問題。
為了解決上述問題,，在本設(shè)計中,，采用CPLD芯片來實現(xiàn)IRIG-B碼的解碼，采用的是Altera公司的EPM3256,。開發(fā)仿真軟件采用的是MAX+ PLUSⅡ,，它可以進(jìn)行原理圖編輯和VHDL語言編輯，并支持這些編輯方式的混合設(shè)計,。在本設(shè)計中利用VHDL語言進(jìn)行底層模塊的設(shè)計,，用原理圖進(jìn)行上層模塊的設(shè)計。該軟件具有門級仿真功能,，可以進(jìn)行功能和時序仿真,，并且支持目標(biāo)程序在線下載。
外部接入的IRIG-B編碼信號是用RS485電平傳輸?shù)牟罘中盘?，需變換為TTL信號,，轉(zhuǎn)換芯片為AD公司的ADM2483，該芯片是帶隔離的增強型RS485收發(fā)器,，有失效保護,、短路電流限制、熱關(guān)斷和恢復(fù)等功能,。外接的5MHz信號來源于5MHz的有源晶振,。硬件框圖如圖2所示。
3 IRIG-B碼解碼模塊的軟件設(shè)計
3.1 IRIG-B碼原理
IRIG(Inter Range Instrumentation Group)碼是美國靶場司令委員會制定的一種時間標(biāo)準(zhǔn),，共有4種并行二進(jìn)制時間碼格式和6種串行二進(jìn)制時間碼格式,。其中最常用的是IRIG-B時間碼格式。B碼可以分為直流(DC)碼和交流(AC)碼,，交流碼是1kHz的正弦波載頻對直流碼進(jìn)行幅度調(diào)制后形成的,；直流碼采用脈寬編碼方式。每秒1幀,，含100個碼元,，每個碼元寬度為10ms。碼元有3種,，位置標(biāo)識符的脈寬是8ms(位置標(biāo)識P0～P9和參考標(biāo)志Pr),，二進(jìn)制“1”和“0”的脈寬分別為5ms和2ms,。
每幀從參考標(biāo)志Pr開始，也就是連續(xù)兩個8ms脈沖中的第2個8ms脈沖的前沿開始,，分別為Pr,，第0，1,，…,，99碼元。在Pr和P5之間是BCD字段,，傳送的是BCD碼格式的時間信息(包含秒,、分、時,、天4種信息),，低位在前，高位在后,；個位在前十位在后,。在P5和P8之間是CF字段，實現(xiàn)控制功能,，可根據(jù)實際使用時的協(xié)議制定使用方法,，在這里沒有用到該字段。在P5和P8之間是SBS字段,，是用二進(jìn)制表示的以秒(s)為單位的時間信息,。IRIG-B碼的格式如圖3所示。
3.2 IRIG-B碼解碼方案
IRIC-B碼解碼器的功能框圖如圖4所示,。
1)分頻電路本模塊的功能是將5MHz的時鐘信號進(jìn)行分頻處理,，輸出1000Hz和9600Hz的信號，為碼元檢測和識別單元,、碼元記錄單元和異步申行發(fā)送單元提供時間基準(zhǔn),。為了減少計數(shù)器的位數(shù)進(jìn)行了多次分頻。
2)碼元檢測和識別單元首先對B碼信號進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換,。用10個D觸發(fā)器串聯(lián),，用1 000Hz的時鐘信號作為它們的時鐘，這樣只有在1000Hz的時鐘信號的上升沿來的時候才對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出,，其他時候處于保持原來輸出不變,。串行觸發(fā)器的輸出分別連到10個并行D觸發(fā)器，由IRIG-B碼的上升沿來控制并行D觸發(fā)器的輸出Q9～Q0,。當(dāng)并行D觸發(fā)器的輸出“Q9Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0”為“0011111111”時,，對應(yīng)的碼元信息為標(biāo)識位；同理,，“0000011111”對應(yīng)碼元“1”,，而“0000000011”對應(yīng)碼元“0”。碼元檢測原理框圖如圖5所示,。
3)秒同步脈沖的產(chǎn)生根據(jù)碼元識別結(jié)果,，如果連續(xù)檢測到兩個標(biāo)識位，則第2個標(biāo)識位就是參考標(biāo)志Pr,，其前沿為秒同步脈沖的起始點,。而參考標(biāo)志Pr后第1個上升沿對應(yīng)的是秒同步脈沖經(jīng)過延時10ms的時刻，所以應(yīng)該在參考標(biāo)志Pr后第1個上升沿對應(yīng)時刻再延時990ms來產(chǎn)生秒同步脈沖信號,，在產(chǎn)生秒脈沖的同時把記錄碼元位置信息的計數(shù)器A清零,。
4)碼元記錄單元碼元記錄單元根據(jù)碼元識別結(jié)果和碼元位置來組合產(chǎn)生時間信息，包括7位秒信息,、7位分信息和6位時信息,。
5)信息處理因為當(dāng)前解出的時間是上一秒的時間信息。信息處理單元要將解碼后的時間加上1s,，同時為便于后續(xù)時間信息的傳輸和處理,，要將時間信息轉(zhuǎn)換成BCD碼格式。
6)異步串行發(fā)送異步串行發(fā)送模塊就是把經(jīng)過處理后的時間信息通過異步串口發(fā)送出去,，速率是9600bit/s,，8位數(shù)據(jù)位，無校驗位,，1位停止位,。
4 結(jié)束語
IRIC-B碼對時有利于簡化回路設(shè)計，并且能夠可靠地提供精確的時間信息,，必將在電力系統(tǒng)中得到日益廣泛的應(yīng)用,。
傳統(tǒng)的IRIG-B碼解碼器大多采用單片機來實現(xiàn)，器件較多,，結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，在受到外界干擾的情況下還可能出現(xiàn)死機等故障。而采用CPLD設(shè)計的解碼器可以大大減少器件的數(shù)量,、增加解碼器的穩(wěn)定性和應(yīng)用的靈活性,。根據(jù)本方案設(shè)計出的解碼器模塊適用于各種電壓等級的保護裝置，性能可靠穩(wěn)定,，時間信息準(zhǔn)確,、對時脈沖精度高(誤差為幾μs)。