基于FPGA的IRIG-B编码器的设计

我国靶场测量、工业控制、电力系统测量与保护、计算、通信、气象等测试设备均采用国际标准IRIG-B格式的时间码(简称B码)作为时间同步标准。B码是一种串行的时间格式，分为直流码(DC码)和交流码(AC码)两种，其格式和码元定时在文献[1]中有详细描述。本文介绍一种基于FPGA并执行IRIG-B标准的AC／DC编码技术，与基于MCU或者DSP和数字逻辑电路实现的编码方法相比，该技术可以大大降低系统的设计难度，降低成本，提高B码的精确性和系统灵活性。

在此，组合GPS引擎和FPGA，得到B码的编码输出，直接采用GPS引擎的100 pps信号触发输出B码的每个码元，利用从100 pps中恢复的1 pps信号提供B码的时间参考点。DC编码和AC数字调制均由纯硬件逻辑通过查找表实现，它能使每个码元的上升沿都非常精准，都可以作为百分秒的时间参考点，而计时链的预进位功能则保证了绝对时间的精确，不仅可以满足实时系统对时间同步，还可以实现多节点的数据采集严格同步，为分析和度量异步发生的事件提供有方的支持。

1 IRIG-B编码格式

IRIG标准规定的B格式码如图1所示，每秒钟发1次，每次100个码元，包含1个同步参考点(Pr脉冲的上升沿)和10个索引标记。码元宽度为10 ms，用高电平宽度为8 ms的脉冲表示索引标记，用宽度为5 ms的脉冲表示逻辑1，用宽度为2：ms的脉冲表示逻辑0。

如图1所示，交流码的载波是1 kHz正弦信号，幅度变化峰一峰值范围为0.5～10 V。调制比为U1／U0=1／6～1／2，即逻辑1是5个幅度为U1的1 kHz正弦信号，逻辑0是2个幅度为U1的1 kHz正弦信号，索引标记是8个幅度为U1的1 kHz正弦信号，其他时间是幅度为U0的1 kHz正弦信号。

2 系统方案

2.1 系统原理框图

设计授时系统需要一个精准时基。在此利用精密授时型GPS引擎M12T作为系统时基，利用AlteraFPGA检测M12T输出的百分秒(100 pps)同步信号和经串口输出的绝对时间信号，编码后输出到DC／AC接口模块，再输出到物理链路，系统结构图如图2所示。

上述系统首先实现了B码直流编码，而后在直流码的基础上实现交流调制，以得到交流码，同时提供恢复每秒脉冲数输出和隔离RS 232串行口输出且符合Motorola格式的时间码，以及数码管的时间显示。时间显示部分用FPGA实现比较简单，下文不再详述。