一種低成本的無(wú)線(xiàn)IRIG-H(DC)解碼器

摘要：基于ATmega8單片機設計出一種簡(jiǎn)單、可靠、低成本的H碼(DC)解碼器。通過(guò)標準RS485接口接收差分H碼信號，信號經(jīng)隔離后通過(guò)單片機解碼程序處理，轉換成標準時(shí)間碼(時(shí)分形式)通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送給其他設備。此設計增強了解碼器的使用方便性以及時(shí)間數據及通信協(xié)議設計的靈活性，在實(shí)際應用中取得了滿(mǎn)意的效果。

引言

在工業(yè)控制、電力和其他商業(yè)系統中，IRIG-H碼的校時(shí)設備在系統時(shí)鐘精度要求不高的場(chǎng)合非常適用，可利用其解碼設備占用資源少、效率高的優(yōu)勢為其他設備提供統一校時(shí)。本文通過(guò)ATmega8單片機，根據IRIG-H碼編制程序進(jìn)行解碼處理，轉換出常用的標準時(shí)間格式。由于IRIG-H碼每分鐘一幀，低速和低數據量很適合無(wú)線(xiàn)通信使用?？赏ㄟ^(guò)無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送時(shí)間數據，其他設備可通過(guò)無(wú)線(xiàn)接收其數據，校對自己的時(shí)間或進(jìn)行其他應用。

1 系統原理分析

IRIG(Intcr Range Instrumentation Group)即靶場(chǎng)儀器組，它是美國靶場(chǎng)司令委員會(huì )所屬的機構，它制定了IRIG-H時(shí)間碼(簡(jiǎn)稱(chēng)H碼)，此標準時(shí)間碼可以用來(lái)校正時(shí)間，與時(shí)統總站對時(shí)，也可以通過(guò)時(shí)間碼對時(shí)統設備精確授時(shí)。IRIG-H以分鐘為最小單位，可應用在路燈控制、農業(yè)灌溉、智能樓宇等方面。

IRIG時(shí)間碼標準有兩大類(lèi)：一類(lèi)是并行時(shí)間碼格式;另一類(lèi)是串行時(shí)間碼。并行格式由于傳輸距離較近，因此沒(méi)有串行格式應用廣泛。串行時(shí)間碼共有6種格式，即IRIG-A、B、D、E、G、H。它們的主要差別是時(shí)間碼的幀速率不同，其中H碼格式主要參數如表1所列。

IRIG-H碼每個(gè)脈沖對應一個(gè)碼元，每一個(gè)碼元占用1 s的時(shí)間，根據脈沖中高電平時(shí)間不同，共分3種碼元，如圖1所示。碼元信息“0”和碼元信息“1”所對應碼元的高電平分別為0.2 s和0.5 s，P碼元的位置碼元對應高電平時(shí)間為0.8 s，用于編解碼的定位。

H碼傳送方式為一分鐘一幀，H碼的一幀時(shí)間信息如圖2所示?？梢钥闯雒繋?0個(gè)碼元，其中P0、PR、P1、P2、P3、P4、P5為位置識別標志，參考碼元PR后到下一幀的位置識別碼元P0共60個(gè)碼元，每個(gè)碼元都對應相應的碼元計數從0～59，可見(jiàn)位置碼元PR后面是分、時(shí)等時(shí)間信息，因此PR碼元是重要的基準參考碼元。位置P1～P4中含有分一時(shí)一天的信息，P5可用來(lái)添加控制信息。

在解碼時(shí)，若連續檢測到兩個(gè)位置碼可知一幀開(kāi)始。P0后1～9碼元為無(wú)信息碼元;第10～13碼元表示分的個(gè)位，15～17碼元表示分的十位，共7個(gè)碼元;第20～23碼元表示時(shí)信息個(gè)位，25、26兩個(gè)碼元表示時(shí)信息十位，共6個(gè)碼元;第30～33、35～38、40～41各使用4個(gè)碼元來(lái)表示天數的個(gè)位和十位，使用2個(gè)碼元來(lái)表示天數的百位，共使用10個(gè)碼元。將每年的1月1日定為第1天，全年共365天(閏年為366天)。后接控制位信息，第50～59共10個(gè)碼元。其中14、24、34等碼元為索引標志。一般應用只需檢測到P4即可，以上時(shí)間信息采用二進(jìn)制數表示十進(jìn)制的編碼，即十進(jìn)制時(shí)間信息每一位十進(jìn)制數用二進(jìn)制數編碼，表示次序由低到高，個(gè)位在前十位在后。

2 系統概述

無(wú)線(xiàn)IRIG-H碼解碼器可分為3部分：①信號轉換模塊;②MCU解碼模塊;③無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊。H碼解碼器系統功能框圖如圖3所示。

信號轉換模塊是IRIG-H(DC)碼數據首先經(jīng)過(guò)的部分，信號輸入后經(jīng)過(guò)RS485電平轉換電路轉換成TTL電平，然后信號經(jīng)隔離電路和波形整形電路輸出至MCU解碼部分。

MCU解碼模塊主要為B碼信號提供解碼處理，經(jīng)過(guò)對信號的捕捉，通過(guò)軟件處理，轉換成標準時(shí)間格式，當然也可轉換為需要的自定義時(shí)間格式。轉換完成后，通過(guò)SPI接口，將解碼后信號傳遞給無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊。

無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊主要是把時(shí)間信號和載波混合調制后，以射頻形式發(fā)送出去，傳輸格式規約可以由MCU解碼模塊通過(guò)軟件自定義，然后按定義好的規約發(fā)送無(wú)線(xiàn)信號，多個(gè)應用接收端可以按同規約接收并解析數據。

3 硬件電路設計方案

3.1 信號轉換部分

IRIG-H輸入接口如圖4所示，H碼DC信號通過(guò)U6芯片完成RS485電平轉換成TTL電平;信號經(jīng)電平轉換后輸出到高速光隔U4進(jìn)行電氣隔離，避免干擾信號或大能量沖擊信號通過(guò)導線(xiàn)引入系統損壞后端系統;U11為電源DC—DC隔離器，隔離強度達2 500 V;最后信號通過(guò)施密特反相器U8輸出更加穩定的方波。

3.2 MCU解碼模塊電路圖

MCU解碼模塊中使用了Atmel公司的ATmega8芯片，它是性能較好的RISC結構的8位單片機，有8 KB的內部可編程Flash存儲器，兩個(gè)串行USART口，可工作于主從模式的SPI串行接口，獨立片內看門(mén)狗定時(shí)器，以及10位ADC等豐富強大的硬件接口電路;封裝較小為T(mén)QFP-32封裝，價(jià)格較低，采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)性能較好。綜上所述功能其很適合做本設計主控芯片。

ATmega 8原理圖如圖5所示，使用外部7.372 8 MHz晶振，使用內部定時(shí)器T0作為檢測碼元計時(shí)。圖5中LED2作為工作狀態(tài)指示燈，顯示當前模塊運行狀態(tài);單片機PD2(INT0)引腳接至信號轉換模塊的輸出，當輸入信號電平由低變高時(shí)(上升沿)產(chǎn)生中斷，使用內部定時(shí)器T0開(kāi)始計時(shí)。當信號電子由高到低時(shí)(下降沿)產(chǎn)生中斷，此時(shí)定時(shí)器停止，并計算計時(shí)器時(shí)間，按照圖1即可解碼出B碼碼元信息對應的數據。引腳PB3和PB4是SPI接口的通信收發(fā)腳，接至無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊作為解碼數據的傳遞接口，單片機通過(guò)自定義規約把時(shí)間數據通過(guò)SPI接口傳遞出去。

4 無(wú)線(xiàn)發(fā)射部分線(xiàn)路圖

無(wú)線(xiàn)發(fā)射部分選用nRF905無(wú)線(xiàn)芯片，它是NORDIC公司出品的低于1 GHz無(wú)線(xiàn)數傳芯片，主要工作于433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM頻段。芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置，非常適合于低功耗、低成本的系統設計。這里采用SPI接口和ATmega 8主控芯片通信，使用433 MHz通信，nRF905接收到時(shí)間數據后，調制到載波上，通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送無(wú)線(xiàn)數據。此部分操作簡(jiǎn)單，可靠性較高，且有較高的性?xún)r(jià)比。無(wú)線(xiàn)傳輸部分電路如圖6所示。

5 系統軟件設計

在單片機軟件設計中，定義三個(gè)字節數組Time[3]存放時(shí)間信息數據，即“分”、“時(shí)”、“天”。滿(mǎn)1分鐘后，中斷接收全時(shí)間信息，并進(jìn)行譯碼轉換，完成轉換后置時(shí)間發(fā)送標志為1，在主循環(huán)中查詢(xún)是否有時(shí)間發(fā)送標志置1，如果是則通過(guò)SPI接口發(fā)送數據給無(wú)線(xiàn)模塊部分進(jìn)行無(wú)線(xiàn)發(fā)送。由于IRIG-H碼每分鐘一幀，所以無(wú)線(xiàn)發(fā)送部分有足夠的時(shí)間進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議處理，如主機無(wú)線(xiàn)發(fā)送廣播包給設備，則接收設備返回確認幀，以保證通信可靠。軟件主流程圖如圖7所示。中斷處理流程圖如圖8所示。

結語(yǔ)

此無(wú)線(xiàn)IRIC-H碼解碼器設計簡(jiǎn)單，所用器件較少，性能穩定，并且能夠可靠地提供準確的時(shí)間信息。其具有成本低、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，C語(yǔ)言編寫(xiě)解碼程序在傳輸協(xié)議上具有靈活性，無(wú)線(xiàn)通信接口有較好的可安裝性和可擴展性。