周國(guó)平, 屈少君, 韓 亮
(1.南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210037; 2.陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,陜西 西安 710021)
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的行業(yè)對(duì)時(shí)間同步,及對(duì)系統(tǒng)裝置時(shí)鐘的一致性提出了更高要求[1,2].時(shí)間信息的傳輸多數(shù)采用IRIG-B碼,而在對(duì)時(shí)裝置中,則需要將B碼的時(shí)間信息解調(diào)出來(lái).在電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域中,GPS同步對(duì)時(shí)技術(shù)的應(yīng)用[3-5],為電網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備提供精確的系統(tǒng)時(shí)間,不僅滿足了我國(guó)電力系統(tǒng)自身的發(fā)展要求,同時(shí)對(duì)于提高電能質(zhì)量,優(yōu)化電網(wǎng)調(diào)度操作,事故分析,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行工況的同步測(cè)控等都具有十分重要的意義.
靶場(chǎng)儀器組IRIG(Inter-Range Instrumentation Group),是美國(guó)RCC(靶場(chǎng)司令委員會(huì))下屬機(jī)構(gòu).它所指定的時(shí)間碼格式有兩大類,一類是并行時(shí)間碼格式,另一類是串行時(shí)間碼格式.IRIG串行時(shí)間碼,共有七種格式.即IRIG-A、B、C、D、E、G、H,其中IRIG-C碼已由IRIG-H碼代替[6].現(xiàn)存6種時(shí)間碼的主要差別在于時(shí)間碼的幀速率不同.以時(shí)幀周期劃分,時(shí)幀周期大于1秒的有D、E、F三種格式,這些碼元由于速率較慢,主要用于紙帶記錄等;A、G二種格式碼元速率較高,直接使用可獲得較高的時(shí)間分辨率;IRIG-B格式時(shí)間碼是每秒一幀的時(shí)間碼,其發(fā)送的時(shí)間信息中不僅包含秒脈沖信息,而且還有包括年、天、時(shí)、分、秒、二進(jìn)制秒計(jì)日等在內(nèi)的絕對(duì)時(shí)間信息,最適合人們使用的習(xí)慣.因此,在IRIG 6種串行時(shí)間碼格式中,B碼的應(yīng)用最為廣泛.
B碼信號(hào)的基本碼元速率為每秒100個(gè),位置識(shí)別速率為每秒10個(gè),幀速率為每秒1[7]個(gè).B碼的基本碼元是“0”碼元、“1”碼元和“P”碼元,每個(gè)碼元占用10 ms時(shí)間.碼元“0”和“1”對(duì)應(yīng)的脈沖寬度為2 ms和5 ms,“P”碼元是位置碼元,對(duì)應(yīng)的脈沖寬度為8 ms.基本碼元示意圖如圖1所示.
圖1 B碼基本碼元示意圖
B碼時(shí)間格式的時(shí)序?yàn)槊?分-時(shí)-天,所占信息位為秒7位、分7位、時(shí)6位、天10位, 其位置在P0-P5之間.天、時(shí)、分、秒用BCD碼表示,個(gè)位在前,十位在后,個(gè)位和十位之間有一個(gè)脈沖寬度的索引標(biāo)志碼元為2 ms.控制功能碼位于P5-P8之間.從P8碼元開(kāi)始是SB時(shí)間碼,SB時(shí)間碼是直接用二進(jìn)制的秒信號(hào)表示一天時(shí)間的時(shí)間編碼方法,共17位二進(jìn)制信號(hào),每天重復(fù).IRIG-B碼的輸出信號(hào)可分為直流碼(DC碼)和交流碼(AC碼)兩種[8].本文以IRIG-B直流碼為例,對(duì)IRIG-B格式時(shí)間碼產(chǎn)生解調(diào)電路進(jìn)行介紹.直流B碼示意圖如圖2所示.
本設(shè)計(jì)中,B碼解碼電路將對(duì)時(shí)終端所產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間轉(zhuǎn)換成B碼所需要的格式,進(jìn)行時(shí)間的換算及天數(shù)的計(jì)算,并由單片機(jī)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的脈沖序列進(jìn)行輸出.為了保證輸出時(shí)間的準(zhǔn)確性,必須保證標(biāo)準(zhǔn)頻率產(chǎn)生模塊所產(chǎn)生的頻率,與對(duì)時(shí)終端產(chǎn)生的1 PPS(秒脈沖)同步,這樣才能使輸出的脈沖信號(hào)的前沿時(shí)間達(dá)到±1μS的誤差.
產(chǎn)生B碼時(shí),硬件電路接電力系統(tǒng)常用的BJT串行輸入的時(shí)間信息、秒脈沖、1 kHz信號(hào)輸入,由于電路中有TTL/232電平模塊,BJT信號(hào)有TTL電平和232串口兩種輸入方式.秒脈沖1 PPS接單片機(jī)的INT 1引腳,1 kHz接單片機(jī)的INT 0引腳,通過(guò)單片機(jī)的控制,完成時(shí)間、天數(shù)的計(jì)算,以及BCD碼的轉(zhuǎn)換,最后以IRIG-B碼的232電平格式輸出.硬件設(shè)計(jì)如圖3所示.
圖2 直流B碼示意圖
圖3 B碼產(chǎn)生框圖 圖4 B碼解調(diào)框圖
解調(diào)B碼時(shí),硬件電路直接接收IRIG-B碼信息.B碼信號(hào)通過(guò)TTL/232電平調(diào)整模塊,接單片機(jī)的外部中斷0,單片機(jī)根據(jù)INT 0引腳高電平的寬度,對(duì)IRIG-B碼的各個(gè)碼元進(jìn)行解碼,形成秒、分、時(shí)、天、年的BCD碼,最后輸出1 PPS、1 PPM、1 PPH信號(hào)和BJT的232電平輸出.硬件設(shè)計(jì)如圖4所示.
BM產(chǎn)生主流程圖和BM解調(diào)主流程圖如圖5、圖6所示:
圖5 BM產(chǎn)生主流程圖 圖6 BM解調(diào)主流程圖
(1)IRIG-B碼串口接收子程序.串口接收BJT格式語(yǔ)句,從中取出需要的時(shí)間、日期等信息,送入相應(yīng)的內(nèi)存單元存放.
(2)秒加1處理子程序.由于時(shí)間信息在接收的時(shí)刻已經(jīng)滯后,因此,為保證時(shí)間信息的準(zhǔn)確性,在下一秒脈沖來(lái)臨之前,將現(xiàn)在接收到的這一秒的時(shí)間信息進(jìn)行加1秒處理,以便在下一個(gè)秒脈沖到來(lái)之時(shí),將經(jīng)過(guò)加1秒處理過(guò)的信息送出,才是正確的時(shí)間.
表1 單片機(jī)內(nèi)部RAM定義表
需要考慮的是:時(shí)間信息在經(jīng)過(guò)加1秒后,可能會(huì)引起分、時(shí)、天、月、年等的變化.比如在跨年度的一瞬間,此外還要涉及到閏年、平年等在2月末、3月初的日期上的區(qū)別.
(3)年月日轉(zhuǎn)換為一年中第幾天的子程序.由于IRIG-B碼中有一年中天數(shù)的時(shí)間信息,而B(niǎo)JT格式時(shí)間信息里沒(méi)有天數(shù)信息,因此,在將月份和日期的信息,經(jīng)過(guò)加1秒處理和判斷是否閏年后,根據(jù)BJT語(yǔ)句中的月份和日期的信息,將其轉(zhuǎn)化為一年中是第幾天的時(shí)間信息.
(4)時(shí)間信息參數(shù)在單片機(jī)內(nèi)部RAM單元中的定義如表1所示.
近年來(lái),我國(guó)以電力系統(tǒng)為主的多個(gè)行業(yè),對(duì)時(shí)間精確度和準(zhǔn)確度要求不斷提高,越來(lái)越多的企業(yè)通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的對(duì)時(shí)終端,來(lái)滿足自身對(duì)時(shí)間的要求.然而,西歐、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的對(duì)時(shí)終端大都采用IRIG-B碼格式輸出,因此對(duì)IRIG-B格式碼的產(chǎn)生解碼裝置提出了更高要求.從本IRIG-B時(shí)間產(chǎn)生解碼裝置中,產(chǎn)生和解調(diào)出來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào),通過(guò)實(shí)用測(cè)試均達(dá)到了時(shí)統(tǒng)設(shè)備的對(duì)時(shí)要求,有著較高的應(yīng)用價(jià)值.
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