基于GPS的對(duì)時(shí)方式有3種：1)脈沖對(duì)時(shí)方式；2)串行口對(duì)時(shí)方式,；3)IRIG-B時(shí)間編碼對(duì)時(shí)方式。脈沖對(duì)時(shí)和串行口對(duì)時(shí)各有優(yōu)缺點(diǎn),，前者精度高但是無(wú)法直接提供時(shí)間信息,，而后者對(duì)時(shí)精度比較低。IRIG-B碼對(duì)時(shí)方式兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn),，是一種精度很高并且又含有絕對(duì)的精確時(shí)間信息的對(duì)時(shí)方式,，采用IRIC-B碼對(duì)時(shí)，就不再需要現(xiàn)場(chǎng)總線的通信報(bào)文對(duì)時(shí),，也不再需要GPS輸出大量脈沖節(jié)點(diǎn)信號(hào),。國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布的技術(shù)規(guī)范中明確要求新投運(yùn)的需要授時(shí)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)間隔層設(shè)備，原則上應(yīng)采用IRIG-B碼(DC)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí),。
1 繼電保護(hù)裝置對(duì)時(shí)方案
一個(gè)變電站內(nèi)配置一套時(shí)間同步系統(tǒng),，該時(shí)間同步系統(tǒng)可由一面或多面時(shí)鐘裝置屏組成。時(shí)問(wèn)同步系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可采用主從式或主備式結(jié)構(gòu),。時(shí)間同步系統(tǒng)與被授時(shí)的繼電保護(hù)裝置之間采用EIA RS-422/485接口標(biāo)準(zhǔn)來(lái)傳輸IRIG-B(DC)碼信號(hào),。不同廠家的保護(hù)裝置僅需具有EIA RS422/485接口的IRIG-B碼解碼器，即可接入變電站統(tǒng)一對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò),。保護(hù)裝置內(nèi)嵌IRIG-B碼解碼模塊,，采用圖1中的對(duì)時(shí)模式，即由IRIG-B碼解碼模塊檢測(cè)出時(shí)間信息和對(duì)時(shí)脈沖,，通過(guò)串口將時(shí)間信息直接下發(fā)到各個(gè)功能插件,。各功能插件都直接從對(duì)時(shí)模塊引入對(duì)時(shí)脈沖。
2 IRIG-B碼解碼模塊的硬件設(shè)計(jì)
早期的B碼解碼設(shè)備多采用TTL集成電路與單片機(jī)相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用門(mén)電路和觸發(fā)器從編碼信號(hào)中提取出秒同步信號(hào),，而用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)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(jié)構(gòu)復(fù)雜,，可靠性差、同步精度不高,、通用性差,、不利于功能擴(kuò)展等問(wèn)題。
為了解決上述問(wèn)題,，在本設(shè)計(jì)中,，采用CPLD芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)IRIG-B碼的解碼，采用的是Altera公司的EPM3256,。開(kāi)發(fā)仿真軟件采用的是MAX+ PLUSⅡ,，它可以進(jìn)行原理圖編輯和VHDL語(yǔ)言編輯，并支持這些編輯方式的混合設(shè)計(jì),。在本設(shè)計(jì)中利用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行底層模塊的設(shè)計(jì),，用原理圖進(jìn)行上層模塊的設(shè)計(jì)。該軟件具有門(mén)級(jí)仿真功能,，可以進(jìn)行功能和時(shí)序仿真,，并且支持目標(biāo)程序在線下載。
外部接入的IRIG-B編碼信號(hào)是用RS485電平傳輸?shù)牟罘中盘?hào),，需變換為T(mén)TL信號(hào),，轉(zhuǎn)換芯片為AD公司的ADM2483，該芯片是帶隔離的增強(qiáng)型RS485收發(fā)器,，有失效保護(hù),、短路電流限制、熱關(guān)斷和恢復(fù)等功能,。外接的5MHz信號(hào)來(lái)源于5MHz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(shè)計(jì)
3.1 IRIG-B碼原理
IRIG(Inter Range Instrumentation Group)碼是美國(guó)靶場(chǎng)司令委員會(huì)制定的一種時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),，共有4種并行二進(jìn)制時(shí)間碼格式和6種串行二進(jìn)制時(shí)間碼格式,。其中最常用的是IRIG-B時(shí)間碼格式。B碼可以分為直流(DC)碼和交流(AC)碼,，交流碼是1kHz的正弦波載頻對(duì)直流碼進(jìn)行幅度調(diào)制后形成的,；直流碼采用脈寬編碼方式。每秒1幀,，含100個(gè)碼元,，每個(gè)碼元寬度為10ms,。碼元有3種，位置標(biāo)識(shí)符的脈寬是8ms(位置標(biāo)識(shí)P0～P9和參考標(biāo)志Pr),，二進(jìn)制“1”和“0”的脈寬分別為5ms和2ms,。
每幀從參考標(biāo)志Pr開(kāi)始，也就是連續(xù)兩個(gè)8ms脈沖中的第2個(gè)8ms脈沖的前沿開(kāi)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(shí)間信息(包含秒,、分、時(shí),、天4種信息),，低位在前，高位在后,；個(gè)位在前十位在后,。在P5和P8之間是CF字段，實(shí)現(xiàn)控制功能,，可根據(jù)實(shí)際使用時(shí)的協(xié)議制定使用方法,，在這里沒(méi)有用到該字段。在P5和P8之間是SBS字段,，是用二進(jìn)制表示的以秒(s)為單位的時(shí)間信息。IRIG-B碼的格式如圖3所示,。
3.2 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5MHz的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻處理，輸出1000Hz和9600Hz的信號(hào),，為碼元檢測(cè)和識(shí)別單元,、碼元記錄單元和異步申行發(fā)送單元提供時(shí)間基準(zhǔn)。為了減少計(jì)數(shù)器的位數(shù)進(jìn)行了多次分頻,。
2)碼元檢測(cè)和識(shí)別單元首先對(duì)B碼信號(hào)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換,。用10個(gè)D觸發(fā)器串聯(lián)，用1 000Hz的時(shí)鐘信號(hào)作為它們的時(shí)鐘,，這樣只有在1000Hz的時(shí)鐘信號(hào)的上升沿來(lái)的時(shí)候才對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出,，其他時(shí)候處于保持原來(lái)輸出不變。串行觸發(fā)器的輸出分別連到10個(gè)并行D觸發(fā)器,，由IRIG-B碼的上升沿來(lái)控制并行D觸發(fā)器的輸出Q9～Q0,。當(dāng)并行D觸發(fā)器的輸出“Q9Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0”為“0011111111”時(shí)，對(duì)應(yīng)的碼元信息為標(biāo)識(shí)位；同理,，“0000011111”對(duì)應(yīng)碼元“1”,，而“0000000011”對(duì)應(yīng)碼元“0”。碼元檢測(cè)原理框圖如圖5所示,。
3)秒同步脈沖的產(chǎn)生根據(jù)碼元識(shí)別結(jié)果,，如果連續(xù)檢測(cè)到兩個(gè)標(biāo)識(shí)位，則第2個(gè)標(biāo)識(shí)位就是參考標(biāo)志Pr,，其前沿為秒同步脈沖的起始點(diǎn),。而參考標(biāo)志Pr后第1個(gè)上升沿對(duì)應(yīng)的是秒同步脈沖經(jīng)過(guò)延時(shí)10ms的時(shí)刻，所以應(yīng)該在參考標(biāo)志Pr后第1個(gè)上升沿對(duì)應(yīng)時(shí)刻再延時(shí)990ms來(lái)產(chǎn)生秒同步脈沖信號(hào),，在產(chǎn)生秒脈沖的同時(shí)把記錄碼元位置信息的計(jì)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(shí)別結(jié)果和碼元位置來(lái)組合產(chǎn)生時(shí)間信息,，包括7位秒信息,、7位分信息和6位時(shí)信息,。
5)信息處理因?yàn)楫?dāng)前解出的時(shí)間是上一秒的時(shí)間信息。信息處理單元要將解碼后的時(shí)間加上1s,，同時(shí)為便于后續(xù)時(shí)間信息的傳輸和處理,，要將時(shí)間信息轉(zhuǎn)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(jīng)過(guò)處理后的時(shí)間信息通過(guò)異步串口發(fā)送出去,，速率是9600bit/s，8位數(shù)據(jù)位,，無(wú)校驗(yàn)位，1位停止位,。
4 結(jié)束語(yǔ)
IRIC-B碼對(duì)時(shí)有利于簡(jiǎn)化回路設(shè)計(jì)，并且能夠可靠地提供精確的時(shí)間信息,，必將在電力系統(tǒng)中得到日益廣泛的應(yīng)用,。
傳統(tǒng)的IRIG-B碼解碼器大多采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn),，器件較多,，結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，在受到外界干擾的情況下還可能出現(xiàn)死機(jī)等故障。而采用CPLD設(shè)計(jì)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(yīng)用的靈活性,。根據(jù)本方案設(shè)計(jì)出的解碼器模塊適用于各種電壓等級(jí)的保護(hù)裝置，性能可靠穩(wěn)定,，時(shí)間信息準(zhǔn)確,、對(duì)時(shí)脈沖精度高(誤差為幾μs),。