IRIG-B格式时间码解码接口卡电路设计

一、 IRIG-B格式码的格式与规范  

图1为B（DC）码示意图。它是每秒一帧的时间串码，每个码元宽度为10ms，一个时帧周期包括100个码元，为脉宽编码。码元的“准时”参考点是其脉冲前沿，时帧的参考标志由一个位置识别标志和相邻的参考码元组成，其宽度为8ms；每10个码元有一个位置识别标志：P1,P2,P3，…，P9,P0，它们均为8ms宽度；PR为帧参考点；二进制“1”和“0”的脉宽为5ms和2ms。  

图1 B（DC）码示意图  

一个时间格式帧从帧参考标志开始。因此连续两个8ms宽脉冲表明秒的开始，如果从第二个8ms开始对码元进行编码，分别为第0，1，2，…，99个码元。在B码时间格式中含有天、时、分、秒，时序为秒-分-时-天，所占信息位为秒7位、分7位、时6位、天10位，其位置在P0～P5之间。P6～P0包含其他控制信息。其中“秒”信息：第1，2，3，4，6，7，8码元；“分”信息：第10，11，12，13，15，16，17码元；“时”信息：第20，21，22，23，25，26，27码元；第5，14，24码元为索引标志，宽度为2ms。时、分、秒均用BCD码表示，低位在前，高位在后；个位在前，十位在后。  

二、 B码解码接口卡设计方案  

B码解码接口卡功能框图如图2所示。  


图2 “B码解码接口卡”功能框图  

对B码进行解码就是将B码中所包含的时、分、秒信息提取出来，转换成主计算机能够识别的形式，同时以秒的准时点为参考，生成毫秒信息，一同送入主计算机中。解码的关键在于检测B码中各个码元的高电平宽度，首先要检测连续两个8ms宽的码元出现的位置，然后再检测随后的30个码元脉冲宽度，以确定时、分、秒。这里不检测天的值，天可以直接在主计算机上设置。  

图3 B码解码接口卡电路  

检测高电平宽度：将B码送入单片机89C51的INT0端，在INT0引脚由低电平变为高电平时，启动单片机的内部定时器T0，开始计数；在INT0引脚由高变低时（即下降沿），触发INT0中断，读取计数器的值，脉冲宽度等于计数值乘以计数周期。  

形成毫秒值：将1kHz信号接到单片机的INT1端，每毫秒产生一次中断。INT1中断处理程序完成毫秒计数，当计到1000ms时完成秒加1。  

三、 电路设计  

1 电路设计方案1  

方案1中，输入输出模块由5片锁存器构成，接口控制简单，如图3所示。  

来自时统设备的IRIG-B（DC）码，为RS422接口信号，经转换后变为TTL电平，送至单片机89C51的INT0端。单片机初始化设置中，定时器T0工作在模式1，采用内部时钟。当INT0引脚由低到高时，定时器T0开始计时；当INT0引脚由高变低时，触发INT0中断，执行中断服务程序，计算INT0引脚的高电平宽度。根据宽度对B码各脉冲进行解码，形成秒、分、时的BCD码，存入单片机的内部RAM中。同时，由频率源产生的12MHz的信号经分频器后，输出1kHz信号，送至单片机INT1引脚，使1ms产生一次INT1中断，执行INT1中断处理程序，对毫秒进行计数。毫秒计数到1000时，进行秒加1，毫秒初值在B码的准时点进行赋值。  

单片机的P0口经锁存器Ⅰ输出地址线A0、A1，以控制两个并行接口芯片8255的输出端。单片机解码和计数输出的毫秒（2字节）、秒（1字节）、分（1字节）、时（1字节）BCD码，在单片机的写指令控制下，分五次送到两片8255的不同端口。各端口经锁存器Ⅱ"锁存器Ⅵ，将数据锁存。单片机送出一组时间码后，向主计算机发送中断。主计算机响应中断后，依次读取各锁存器的值，即为当前的时统时间。  


图4 FIFO实现输入输出控制原理图  

锁存器Ⅱ"Ⅵ的数据输出端直接挂在EISA（ISA）总线上，其片选信号CS1"CS5通过地址译码产生。  

主计算机读时应能保证数据不处于变化中，因此，须将单片机的写信号WR经延时反向后，送到各锁存器的LE端，使数据被锁存。主计算机内设一存储单元，存放前一秒的数据。当前读取的数据如果比前一秒多1，则认为时间正确。  

为避免板内程序死循环，在该板上设计了看门狗复位电路。在单片机板内程序中，每隔一定时间对P1.6口进行置1。计时器的最高位输出端接至单片机的Reset端。在正常情况下，P1.6口总能执行置1操作，不会对单片机复位；但若程序中有死循环，则P1.6口不被置1。当计时器计到最高位输出端为1时，就会对单片机复位。看门狗复位电路采用14位二进制计数器4060，并具备上电复位和手动复位的功能，其振荡周期由外接电阻、电容的大小决定。  

2 电路设计方案2  

方案2如图4所示。解码原理同方案1。该电路采用FIFO（IDT7201）加状态寄存器和缓冲器，实现单片机与主计算机之间的数据传输，无需8255和锁存器，器件较少，但相应地会增加软件控制的工作量。单片机解码后，在每帧数据前加上标志码，输出时、分、秒、毫秒信息，在写信号的控制下，经缓冲器送入FIFO中。主计算机查询状态寄存器，了解FIFO的状态（空、满、半满）后，读取FIFO中的数据。这里用FIFO的8位数据线。  

IDT7201为先进先出双口存储器。内部RAM：512×9，设有空标志（EF）、满标志（FF）和半满标志（HF），以避免数据溢出和空读。读、写数据通过内部循环指针，无须地址信息存取数据。  

IDT7201复位时，空标志（EF）置0；满标志（FF）和半满标志（HF）置1；读、写指针设到初始位置。当写信号（）由高变低时，若满标志（FF）为1，则开始写循环，将数据写入RAM中，不受任何读操作的影响；当RAM半满时，HF置0；当写指针比读指针小1时，表明缓冲区已满，FF置0，禁止写操作。当读信号（）由低到高时，如果EF为1，则开始读循环，数据以FIFO的方式读出；当所有数据均读出，读指针等于写指针，缓冲区已空，EF置0，禁止读操作。在缓冲区空或满时，、信号的外部变化，不影响FIFO。