基于FPGA的IRIG-B標(biāo)準(zhǔn)DC code編碼器VHDL設(shè)計

摘要：為了實現(xiàn)靶場時統(tǒng)終端輸出IRIG-B標(biāo)準(zhǔn)DC code信號，采用VHDL語言在FPGA邏輯電路中設(shè)計了DC code編碼器硬件電路，通過QuartusⅡ軟件建立工程文件對VHDL語言DC code編碼器電路進(jìn)行編譯和仿真，獲得了符合IRIG-B標(biāo)準(zhǔn)的DC code信號。經(jīng)過實踐驗證，該電路具有實現(xiàn)方法簡單、電路穩(wěn)定性好、精度高的特點(diǎn)，實測同步精度小于1μs。
關(guān)鍵詞：IRIG-B；DC code；FPGA；VHDL

O 引言
    在測控設(shè)備的時間統(tǒng)一系統(tǒng)向靶場試驗系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時間和頻率信號，以實現(xiàn)整個試驗系統(tǒng)的時間和頻率的統(tǒng)一，是由各種電子設(shè)備組成的一套完整系統(tǒng)。時統(tǒng)設(shè)備閣向用戶設(shè)備發(fā)送的時間信號中，含有時間信息編碼的串行時間碼，該碼應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)時間精確同步的時間信號，適用于信道傳輸。IRIG(Inter Range Instrumentation Group)是美國RCC(Range Commanders Council)所屬的負(fù)責(zé)制定靶場標(biāo)準(zhǔn)等工作的機(jī)構(gòu)，由其所屬TCG負(fù)責(zé)，制定了靶場時統(tǒng)和通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。IRIG時間標(biāo)準(zhǔn)包括并行時間碼格式和串行時間碼格式，IRIG-B碼是串行時間碼格式，是我國標(biāo)準(zhǔn)化時統(tǒng)設(shè)備與用戶設(shè)備接口的時間信號標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

1 IRIG-B標(biāo)準(zhǔn)DC碼
    IRIG-B碼的幀頻是1幀／s，每一幀包括100個碼元(脈沖)，每個碼元的準(zhǔn)時參考點(diǎn)是該脈沖的前沿。IRIG-B碼采用脈寬調(diào)制的方法表示，碼元的脈沖寬度有3種，每種脈寬代表各自不同的信息，分別為脈寬2 ms代表二進(jìn)制“0”、脈寬5 ms代表二進(jìn)制“1”、脈寬8 ms代表該碼元為標(biāo)識位。一幀IRIG-B由100個碼元組成，從參考碼元PR開始到位置識別標(biāo)志P0結(jié)束。參考標(biāo)志是由位置識別標(biāo)志P0和相鄰的參考碼元PR組成的，PR的前沿即為該幀B碼的準(zhǔn)秒時刻。在一幀B碼中，每10個碼元中有一個位置標(biāo)示符，被記作P1，P2，P3，…，P9，P0。如圖1所示。

    每幀中表示時間信息的碼元共有30個，時間信息采用二-十進(jìn)制編碼，它所表達(dá)的時間包括：從00～59共7個碼元的‘秒’信息、從00～59共7個碼元的‘分’信息、從00～23共6個碼元的‘時’信息、從001～365或366共10位碼元的‘天’信息。幀中還有特標(biāo)控制等信息。所有未攜帶信息的碼元其寬度均為2 ms。

2 VHDL語言實現(xiàn)
    VHDL語言實現(xiàn)程序如下：

 
    建立一個編碼器和計數(shù)器，在每個clkin時鐘到來時進(jìn)行計數(shù)，判斷time_in的每位碼值和clrin計數(shù)值確定輸出脈寬，用上述同步分頻模塊(fenpin_e_clr)VHDL描述的方法實現(xiàn)輸出直流碼的時間起點(diǎn)與clr信號同步。

3 FPGA原理電路
    IRIG-B碼編碼模塊通過端口從外部同步接收時間碼信息和準(zhǔn)秒時刻，時間信息刷新頻率為1次／s。通過一個2位地址端口，一個10位數(shù)據(jù)端口，通過地址片選依次將‘秒’、‘分’、‘時’、‘天’信息送入不同的寄存器并經(jīng)寄存器送IRIG-B DC碼編碼器的數(shù)據(jù)輸入端，由B碼
編碼器根據(jù)時鐘生成DC碼發(fā)送。其在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)電路原理如圖2所示。

4 仿真
    用QuartusⅡ建立工程文件，編輯上述代碼并進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3所示，輸出DC碼的前沿與CLR信號同步，參考標(biāo)志在連續(xù)兩個位置標(biāo)示符后開始發(fā)送時間數(shù)據(jù)，符合IRIG-B碼中直流碼標(biāo)準(zhǔn)要求。

    IRIG-B碼是標(biāo)準(zhǔn)時間碼信號。由數(shù)字處理器通過I／O向數(shù)字邏輯電路實時刷新當(dāng)前時間數(shù)據(jù)(IRIG-B精確到秒)，FPGA經(jīng)內(nèi)部邏輯電路產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)IRIG-B(DC)碼，其時間的起點(diǎn)與GPS時間脈沖對齊，并通過隔離差分驅(qū)動向遠(yuǎn)程提供時間信息。

5 結(jié)論
    仿真和實踐結(jié)果均表明，該編碼器可以產(chǎn)生穩(wěn)定、可靠、連續(xù)的IRIG-B DC碼，與秒基準(zhǔn)信號精確同步，同步誤差小于1μs，已成功運(yùn)用到測控設(shè)備上。