基于CPLD的IRIG-B碼對時(shí)方式在繼電保護(hù)裝置中的應(yīng)

3 IRIG-B碼解碼模塊的軟件設(shè)計(jì)

　　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(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，共有4種并行二進(jìn)制時(shí)間碼格式和6種串行二進(jìn)制時(shí)間碼格式。其中最常用的是IRIG-B時(shí)間碼格式。B碼可以分為直流(DC)碼和交流(AC)碼，交流碼是1 kHz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(gè)碼元，每個(gè)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5 ms和2ms。

　　每幀從參考標(biāo)志Pr開始，也就是連續(xù)兩個(gè)8 ms脈沖中的第2個(gè)8 ms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(shí)間信息(包含秒、分、時(shí)、天4種信息)，低位在前，高位在后;個(gè)位在前十位在后。在P5和P8之間是CF字段，實(shí)現(xiàn)控制功能，可根據(jù)實(shí)際使用時(shí)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(shí)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5 MHz的時(shí)鐘信號進(jìn)行分頻處理，輸出1 000 Hz和9 600 Hz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(shí)間基準(zhǔn)。為了減少計(jì)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(gè)D觸發(fā)器串聯(lián)，用1 000Hz的時(shí)鐘信號作為它們的時(shí)鐘，這樣只有在1 000 Hz的時(shí)鐘信號的上升沿來的時(shí)候才對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，其他時(shí)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(gè)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(shí)，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(gè)標(biāo)識位，則第2個(gè)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(diǎn)。而參考標(biāo)志Pr后第1個(gè)上升沿對應(yīng)的是秒同步脈沖經(jīng)過延時(shí)10ms的時(shí)刻，所以應(yīng)該在參考標(biāo)志Pr后第1個(gè)上升沿對應(yīng)時(shí)刻再延時(shí)990ms來產(chǎn)生秒同步脈沖信號，在產(chǎn)生秒脈沖的同時(shí)把記錄碼元位置信息的計(jì)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(shí)間信息，包括7位秒信息、7位分信息和6位時(shí)信息。

　　5)信息處理因?yàn)楫?dāng)前解出的時(shí)間是上一秒的時(shí)間信息。信息處理單元要將解碼后的時(shí)間加上1 s，同時(shí)為便于后續(xù)時(shí)間信息的傳輸和處理，要將時(shí)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(shí)間信息通過異步串口發(fā)送出去，速率是9 600 bit/s，8位數(shù)據(jù)位，無校驗(yàn)位，1位停止位。

　　4 結(jié)束語

　　IRIC-B碼對時(shí)有利于簡化回路設(shè)計(jì)，并且能夠可靠地提供精確的時(shí)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(jī)來實(shí)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(jī)等故障。而采用CPLD設(shè)計(jì)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(jì)出的解碼器模塊適用于各種電壓等級的保護(hù)裝置，性能可靠穩(wěn)定，時(shí)間信息準(zhǔn)確、對時(shí)脈沖精度高(誤差為幾μs)。