IRIG-B碼校時.doc

什么是IRIG-B時間碼IRIG-B：當今電子技術日新月異的發(fā)展，時間同步得到了越來越重要的應用。時間碼IRIG-B作為一種重要的時間同步傳輸?shù)姆绞剑云鋵嶋H優(yōu)越性能，成為時統(tǒng)設備首選的標準碼型，廣泛的應用到電信、電力、軍事等重要行業(yè)或部門。IRIG是美國靶場儀器組的簡稱，美國靶場儀器組是美國靶場司令部委員會的下屬機構。IRIG時間標準有兩大類：一類是并行時間碼格式，這類碼由于是并行格式，傳輸距離較近，且是二進制，因此遠不如串行格式廣泛；另一類是串行時間碼，共有六種格式，即A、B、D、E、G、H。它們的主要差別是時間碼的幀速率不同，IRIG-B即為其中的B型碼。B型碼的時幀速率為1幀/s；可傳遞100位的信息。作為應用廣泛的時間碼，B型碼具用以下主要特點：攜帶信息量大，經譯碼后可獲得1、10、100、1000 c/s的脈沖信號和BCD編碼的時間信息及控制功能信息；高分辨率；調制后的B碼帶寬，適用于遠距離傳輸；分直流、交流兩種；具有接口標準化，國際通用等。IRIG-B碼對時方式在繼電保護裝置中的應用時間：2011-07-18 14:24:17 來源：電子設計工程 作者：石美傳 保定中力電力摘要：隨著變電站自動化技術的發(fā)展，對變電站內時間的精確和統(tǒng)一提出了更高的要求。本文提出了一種采用IRIG-B時間碼來時時的方案。在這種對時方案中，每個變電站只安裝一個GPS接收裝置，利用RS422485總線傳輸IRIG-B碼，保護裝置對IRIG-B碼解碼器后，來設置自己的時間。本文還詳細介紹了IRIG-B碼的概念和原理以及用CPLD實現(xiàn)IRIG-B碼解碼器的設計思想和實現(xiàn)方法。IRIG-B碼時時方式簡化了回路設計，并且能夠可靠地提供精確的時間信息，必將在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應用。關鍵詞：IRIG-B時間碼；繼電保護；對時；CPLD 時間的精確和統(tǒng)一是變電站自動化系統(tǒng)的最基本要求。只有電力系統(tǒng)中的各種自動化設備(如故障錄波器、繼電保護裝置、RTU微機監(jiān)控系統(tǒng)等)采用統(tǒng)一的時間基準，在發(fā)生事故時，才能根據(jù)故障錄波數(shù)據(jù)，以及各開關、斷路器動作的先后順序和準確時間，對事故的原因、過程進行準確分析。統(tǒng)一精確的時間是保證電力系統(tǒng)安全運行，提高運行水平的一個重要措施。全球定位系統(tǒng)(GPS)的出現(xiàn)為實現(xiàn)這些需求提供了可能。 基于GPS的對時方式有3種：1)脈沖對時方式；2)串行口對時方式；3)IRIG-B時間編碼對時方式。脈沖對時和串行口對時各有優(yōu)缺點，前者精度高但是無法直接提供時間信息，而后者對時精度比較低。IRIG-B碼對時方式兼顧了兩者的優(yōu)點，是一種精度很高并且又含有絕對的精確時間信息的對時方式，采用IRIC-B碼對時，就不再需要現(xiàn)場總線的通信報文對時，也不再需要GPS輸出大量脈沖節(jié)點信號。國家電網公司發(fā)布的技術規(guī)范中明確要求新投運的需要授時的變電站自動化系統(tǒng)間隔層設備，原則上應采用IRIG-B碼(DC)方式實現(xiàn)對時。1 繼電保護裝置對時方案 一個變電站內配置一套時間同步系統(tǒng)，該時間同步系統(tǒng)可由一面或多面時鐘裝置屏組成。時問同步系統(tǒng)的結構可采用主從式或主備式結構。時間同步系統(tǒng)與被授時的繼電保護裝置之間采用EIA RS-422485接口標準來傳輸IRIG-B(DC)碼信號。不同廠家的保護裝置僅需具有EIA RS422485接口的IRIG-B碼解碼器，即可接入變電站統(tǒng)一對時網絡。保護裝置內嵌IRIG-B碼解碼模塊，采用圖1中的對時模式，即由IRIG-B碼解碼模塊檢測出時間信息和對時脈沖，通過串口將時間信息直接下發(fā)到各個功能插件。各功能插件都直接從對時模塊引入對時脈沖。2 IRIG-B碼解碼模塊的硬件設計 早期的B碼解碼設備多采用TTL集成電路與單片機相結合的方法來實現(xiàn)，利用門電路和觸發(fā)器從編碼信號中提取出秒同步信號，而用單片機實現(xiàn)時間信息的解碼。目前該方法仍在使用，但該方法存在器件較多，結構復雜，可靠性差、同步精度不高、通用性差、不利于功能擴展等問題。 為了解決上述問題，在本設計中，采用CPLD芯片來實現(xiàn)IRIG-B碼的解碼，采用的是Altera公司的EPM3256。開發(fā)仿真軟件采用的是MAX+ PLUS，它可以進行原理圖編輯和VHDL語言編輯，并支持這些編輯方式的混合設計。在本設計中利用VHDL語言進行底層模塊的設計，用原理圖進行上層模塊的設計。該軟件具有門級仿真功能，可以進行功能和時序仿真，并且支持目標程序在線外部接入的IRIG-B編碼信號是用RS485電平傳輸?shù)牟罘中盘?，需變換為TTL信號，轉換芯片為AD公司的ADM2483，該芯片是帶隔離的增強型RS485收發(fā)器，有失效保護、短路電流限制、熱關斷和恢復等功能。外接的5 MHz信號來源于5 MHz的有源晶振。硬件框圖如圖2所示。 3 IRIG-B碼解碼模塊的軟件設計31 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間標準，共有4種并行二進制時間碼格式和6種串行二進制時間碼格式。其中最常用的是IRIG-B時間碼格式。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行幅度調制后形成的；直流碼采用脈寬編碼方式。每秒1幀，含100個碼元，每個碼元寬度為10ms。碼元有3種，位置標識符的脈寬是8ms(位置標識P0P9和參考標志Pr)，二進制“1”和“0”的脈寬分別為5 ms和2ms。 每幀從參考標志Pr開始，也就是連續(xù)兩個8 ms脈沖中的第2個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碼格式的時間信息(包含秒、分、時、天4種信息)，低位在前，高位在后；個位在前十位在后。在P5和P8之間是CF字段，實現(xiàn)控制功能，可根據(jù)實際使用時的協(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，是用二進制表示的以秒(s)為單位的時間信息。IRIG-B碼的格式如圖3所示。32 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的時鐘信號進行分頻處理，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)送單元提供時間基準。為了減少計數(shù)器的位數(shù)進行了多次分頻。 2)碼元檢測和識別單元首先對B碼信號進行串并轉換。用10個D觸發(fā)器串聯(lián)，用1 000Hz的時鐘信號作為它們的時鐘，這樣只有在1 000 Hz的時鐘信號的上升沿來的時候才對輸入的數(shù)據(jù)進行輸出，其他時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Q9Q0。當并行D觸發(fā)器的輸出“Q9Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0”為“0011111111”時，對應的碼元信息為標識位；同理，“0000011111”對應碼元“1”，而“0000000011”對應碼元“0”。碼元檢測原理框圖如圖5所示。 3)秒同步脈沖的產生根據(jù)碼元識別結果，如果連續(xù)檢測到兩個標識位，則第2個標識位就是參考標志Pr，其前沿為秒同步脈沖的起始點。而參考標志Pr后第1個上升沿對應的是秒同步脈沖經過延時10ms的時刻，所以應該在參考標志Pr后第1個上升沿對應時刻再延時990ms來產生秒同步脈沖信號，在產生秒脈沖的同時把記錄碼元位置信息的計數(shù)器A清零。 4)碼元記錄單元碼元記錄單元根據(jù)碼元識別結果和碼元位置來組合產生時間信息，包括7位秒信息、7位分信息和6位時信息。 5)信息處理因為當前解出的時間是上一秒的時間信息。信息處理單元要將解碼后的時間加上1 s，同時為便于后續(xù)時間信息的傳輸和處理，要將時間信息轉換成BCD碼格式。 6)異步串行發(fā)送異步串行發(fā)送模塊就是把經過處理后的時間信息通過異步串口發(fā)送出去，速率是9 600 bits，8位數(shù)據(jù)位，無校驗位，1位停止位。4 結束語 IRIC-B碼對時有利于簡化回路設計，并且能夠可靠地提供精確的時間信息，必將在電力系統(tǒng)中得到日益廣泛的應用。 傳統(tǒng)的IRIG-B碼解碼器大多采用單片機來實現(xiàn)，器件較多，結構復雜，在受到外界干擾的情況下還可能出現(xiàn)死機等故障。而采用CPLD設計的解碼器可以大大減少器件的數(shù)量、增加解碼器的穩(wěn)定性和應用的靈活性。根據(jù)本方案設計出的解碼器模塊適用于各種電壓等級的保護裝置，性能可靠穩(wěn)定，時間信息準確、對時脈沖精度高(誤差為幾s)。校時精度：IRIG-B（DC）直流偏置信號接口每秒1幀，包含100個碼元，每個碼元10mS。脈沖寬度編碼，2mS寬度表示二進制0、分隔標志或未編碼位，5mS寬度表示二進制1，8mS寬度表示整100mS基準標志。秒準時沿：連續(xù)兩個8mS寬度基準標志脈沖的第二個脈沖的前沿，上升沿。幀結構：起始標志、秒（個位）、分隔標志、秒（十位）、基準標志、分（個位）