基于FPGA的IRIG-B碼解碼器設(shè)計(jì)

摘要 針對基于單片機(jī)的IRIG—B碼解碼器解碼精度低、工作穩(wěn)定性差等問題，提出了一種基于FPGA的IRIG—B碼解碼器設(shè)計(jì)。在實(shí)現(xiàn)過程中著重分析了輸入 IRIG—B碼信號的毛刺問題，并采用三級D觸發(fā)器后接或門的方法，徹底消除毛刺對本系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。通過仿真驗(yàn)證了本系統(tǒng)具有解碼精度高、工作穩(wěn)定性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 IRIG—B碼;解碼;毛刺

美國靶場司令委員會(huì)(Range Commanders Council，RCC)下屬機(jī)構(gòu)靶場間儀器組(Inter—Range Instrumen—tation Croup，IRIG)為保證靶場試驗(yàn)中各參試設(shè)備協(xié)同工作，制定了一種時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)IRIG—B碼(簡稱B碼)，由靶場時(shí)統(tǒng)站發(fā)送該碼，各設(shè)備接收此信號后再結(jié)合其測量數(shù)據(jù)，從而達(dá)到測量數(shù)據(jù)的時(shí)間同步。我國靶場測量、控制、計(jì)算、通信、氣象等測試設(shè)備，均采用IRIG—B碼作為時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)，其特點(diǎn)是可靠性高、接口標(biāo)準(zhǔn)、通用規(guī)范及使用靈活方便。

1 B碼簡介

IRIG—B碼為一種串行的時(shí)間格式，其中每個(gè)脈沖稱為碼元。IRIG—B碼的幀速率為1 fip·s-1，一幀數(shù)據(jù)由100個(gè)碼元組成，分為第0、1、2、…、99個(gè)碼元，每個(gè)碼元長度為10 ms。時(shí)間格式中秒、分、時(shí)均用BcD碼表示，低位在前，高位在后。第1、2、3、4、6、7、8碼元屬于“秒”信息，共占用7個(gè)碼元;第10、11、 12、13、15、16、17碼元屬于“分”信息，共占用7個(gè)碼元;第20、21、22、23、25、26碼元屬于“時(shí)”信息，共占用6個(gè)碼元;第30、 31、32、33、35、36、37、38、40、41碼元屬于“天”信息，共占用10個(gè)碼元。

IRIG—B碼由位置識(shí)別標(biāo)志、參考碼元、碼字和索引標(biāo)志4種碼元組成。

B碼的位置識(shí)別標(biāo)志脈寬為8 ms，每幀B碼中有10個(gè)位置識(shí)別標(biāo)志碼元：P1、P2、…、P10。每10個(gè)碼元有一個(gè)位置識(shí)別碼，位置識(shí)別標(biāo)志的重復(fù)率為碼元速率的10%。

參考碼元Pr脈寬也為8 ms，作用是識(shí)別幀的起始時(shí)刻，“準(zhǔn)時(shí)”參考點(diǎn)為參考碼元的前沿。

B碼的二進(jìn)制“1”和“0”的脈寬分別為5 ms和2 ms，是用于傳遞秒、分、時(shí)等重要信息的碼元。

索引標(biāo)志碼元脈寬為2 ms，位于“秒”、“分”、“時(shí)”、“天”信息的十位和個(gè)位之間。

圖6為本文B碼的一幀數(shù)據(jù)示意圖，后續(xù)實(shí)驗(yàn)就是對此幀數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，此幀數(shù)據(jù)代表的時(shí)間信息為：110天8時(shí)7分21秒。

2 FPGA解碼

FPGA解碼首先需要對碼元進(jìn)行識(shí)別，對脈沖計(jì)數(shù)，以脈沖下降沿作為計(jì)數(shù)結(jié)束。采用有限狀態(tài)機(jī)對第0、1、2、…、99碼元進(jìn)行有序地解碼，首先判斷出參考碼元，再根據(jù)5 ms和2 ms碼元的位置提取出正確的時(shí)間信息。由于不同的系統(tǒng)可能采用不同解碼時(shí)鐘，為使系統(tǒng)有更好的重用性，需要對時(shí)鐘頻率進(jìn)行歸一化。

2.1 消除毛刺

在組合電路、反饋電路和計(jì)數(shù)器中都可能產(chǎn)生毛刺信號，往往一個(gè)毛刺信號會(huì)影響整個(gè)電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于D觸發(fā)器對毛刺信號不敏感，通常的處理方法是通過 D觸發(fā)器對輸入信號進(jìn)行“過濾”，但這種方法有效的條件是毛刺不出現(xiàn)在D觸發(fā)器時(shí)鐘的上升沿，且持續(xù)時(shí)間不能維持1個(gè)時(shí)鐘周期，如圖7所示，否則，將會(huì)放大毛刺信號，對整個(gè)電子系統(tǒng)造成更不利影響。

若在P碼元的5 ms處出現(xiàn)一個(gè)毛刺，而不作有效地毛刺處理，將會(huì)出現(xiàn)碼元誤判，甚至?xí)?dǎo)致整幀數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，影響各系統(tǒng)時(shí)間同步。輸入信號經(jīng)過圖8所示的處理后，不利于系統(tǒng)的毛刺將被“剔除”，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

當(dāng)輸入信號處于低電平時(shí)出現(xiàn)毛刺，圖8的處理方法將會(huì)放大毛刺，但對于整個(gè)系統(tǒng)是沒有影響的，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)采用高電平計(jì)數(shù)的方式識(shí)別碼元，當(dāng)脈寬很窄時(shí)，便認(rèn)為是毛刺干擾，舍去，比上升沿識(shí)別碼元更簡單且更具抗干擾性。這種毛刺處理方法，雖然引入了額外的組合電路，但根據(jù)輸入信號的特點(diǎn)，是不會(huì)產(chǎn)生毛刺的。

2.2 對脈沖寬度進(jìn)行計(jì)數(shù)和碼元識(shí)別

本文采用的歸一化時(shí)鐘為1 MHz，脈寬2 ms、5 ms、8 ms的計(jì)數(shù)分別為2 000、5 000、8 000，由于脈寬不可能精確到某個(gè)值，所以需要放寬計(jì)數(shù)判別各個(gè)碼元。計(jì)數(shù)在1500～2 500表示2 ms脈寬，計(jì)數(shù)在4 500～5 500表示5 ms脈寬，計(jì)數(shù)在7 500～8 500表示8 ms脈寬。輸入信號i_DATA處于高電平時(shí)，開始計(jì)數(shù)，當(dāng)時(shí)鐘i_cLK采集到i_DATA的下降沿時(shí)，即停止計(jì)數(shù)，并以w_UP_DOWN信號作為脈沖結(jié)束標(biāo)志。

2.3 提取“秒”、“分”等信息的狀態(tài)機(jī)