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。
2.2 GPS授时模块M12T
M12接收器是Motorola公司优秀ONCORE家族中的新成员，广泛用于各类定位、导航、授时设备中，拥有全GPS行业内最快的初次定位时间和重捕获卫星的时间。M12T是针对GPS授时推出的定时精度更高的增强型产品。M12T具有12个并行通道，可同时跟踪12颗卫星，重捕获时间小于1.0 s。当拥有当前天历、位置、时间和星历数据时，首次定位时间TTFF<15 s。在位置保持状态时，定时精度(1 pps或100 pps)小于12 ns。
2.3 FPGA和DAC
FPGA采用ALTEra CycloneⅡEPC2C5T144，该芯片有4 608个LE，26个M4K，两个模拟锁相环。DAC采用单通道、单电源、自带基准的MAX5712。MAX5712是微型引脚，12 b解析度，片上精密输出放大器提供满摆幅输出。MAX5712用兼容SPITM／QSPITM／MICROWIRETM和DSP标准接口的3线串行接口。所有输入都兼容于CMOS逻辑，并经过施密特触发器缓冲，允许直接接光电耦合器。MAX5712含有上电复位(POR)电路，确保上电时DAC处于零电压输出状态。
3 时钟模块实现
3.1 基准时刻和索引脉冲的提取
要保证B码每个码元的上升沿时刻准确，需要100 pps的精确时基和pps的参考点。一般的做法是用pps作为基准，每个码元的起点由前两个秒脉冲的间隔等分得到。这种方法使用上一时刻来预测下一秒，每秒脉冲有抖动时会导致最后一个码元宽度不足或超过10 ms，这将无法利用B码来实现时间同步和数据等间隔同步的采集。本文直接使用M12T产生的100 pps信号作为每个码元的起始时刻，然后再从100 pps信号中恢复出1 pps。由于B码参考标记Pr=1 pps的上升沿，所以这种方法既保证Pr的准确性，又保证各个码元和索引标记时刻的准确性。在有等间隔同步数据采样要求的场合，可使用每个B码码元的上升沿校准本地时基，确保采样同步和时间同步。
M12T输出的100 pps信号(以下称PPM12)如图3所示，每个脉冲的上升沿时刻准确，周期10 ms，在pps的参考点，脉冲宽度为6～8 ms，其他时刻2～4 ms，脉冲宽度不是关注的重点。
B码的每个码元恰好与上述100 pps信号对应。首先在FPGA中构建一个模100的码元计数器MMH和一个高电平脉冲宽度检测器，通过下面的方法和步骤可以恢复pps。
(1)在PPM12信号的上升沿复位宽度检测器，高电平计时，在下降沿停止并输出Tb；
(2)在PPM12下降沿检查Tb，当6 msb<8 ms时，令MMH=1，否则执行下面的操作：
if MMH=99 then MMH=0
else MMH=MMH+1
(3)在PPM12信号的上升沿检查MMH，如果MMH=0，则当前脉冲的上升沿是参考点Pr，触发输出8 ms高电平脉冲作为pps信号，重复步骤(1)～(3)，在PPM12信号上升沿检查MMH；如果MMH的个位为9或者MMH=0，则当前脉冲标记为索引脉冲，即输出8 ms高电平。
3.2 绝对时间获取
通过在FPGA上构建一个UART与M12T互连。为了简化FPGA对M12T的配置和输出时间的获取，将UART分成两部分设计，即发送模块txmit和接收模块rcvr。发送模块用一个M4K设计一个512×8 FIFO，在系统复位后的若干个时钟，利用一个状态机将M12T的配置数据写入FIFO；然后通过txmit模块配置M12T，配置结束后，UART模块将M12T的时间码转发到外部RS 232接口，同时可以转发外部接口的配置数据到M12T。接收模块采用寄存器模式，只接收M12T发来的绝对时间信息，这样后面的编码模块可以直接使用这些时间信息。做法如下：设计一个接收计数器rx_count，每接收一个字节计数器自加，并根据rx_count决定是否保存时间码。由于M12T每秒中发送一帧，故在检测到pps时复位该计数器。
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if pps上升沿then rx_count=0
else接收到数据and rx_count
M12T在每个1 pps的上升沿过后送出当前时间，而FPGA通过UART接收到时间时，B码当前帧已经启动，据此形成的B码要等下一个pps参考点之后才可以发送，所以对接收的时间要进行预进位处理。
本文在FPGA预处理部分设计了一个RTC计时链，在每个1 pps的上升沿，计时链向上进位，编码模块从RTC计时链取绝对时间。从UART接收到新的时间后，如果该时间与计时链的值有差异，则将通过计时链的同步置数接口修正计时链的值。同时计时链负责把M12T的二进制时间转换成压缩的BCD码，还要根据当前接收到的年月日，计算当天是全年中的第几天，即IRIG-B码中的Day字段，而且在预加1 s和转换时间格式时，要注意闰年和月大和月小对Day字段的影响。
4 IRIG-B编码模块实现
4.1 IRIG-B DC编码模块
分析B码可以发现，秒的最低位出现在MMH=1处，分的最低位出现在MMH=10处，小时的最低位出现在MMH=20处，依次类推。按照图1，容易得出时间寄存器输出时刻和码元计数器MMH之间的关系。由于码元周期固定为10 ms，可以这样实现编码，定义一个模10的计数器MML和逻辑向量CMP(9 down to0)来表征一个码元在10 ms的状态。MML每ms加1，同时根据MML的值，选择CMP的一位更新输出状态，步骤如下：
(1)构建模10计数器MML，以及一个1 ms定时器；
(2)在PPM12信号的上升沿复位MML和1 ms定时器；
(3)1 ms定时器溢出时，MML加1；
(4)根据MML和CMP输出编码信号IRIG_B_OUT，即IRIG_B_OUT=CMP(MML)；
(5)在PPM12的上升沿根据第3.1节所得码元计数器MMH重新加载CMP
算法VHDL描述如下：
本文关键字：编码器 仪表-仪器，电子制作 - 仪表-仪器
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