2020年03月11日 | 一种低成本的无线IRIG-H（DC）解码器

引言

在工业控制、电力和其他商业系统中，IRIG-H码的校时设备在系统时钟精度要求不高的场合非常适用，可利用其解码设备占用资源少、效率高的优势为其他设备提供统一校时。本文通过ATmega8单片机，根据IRIG-H码编制程序进行解码处理，转换出常用的标准时间格式。由于IRIG-H码每分钟一帧，低速和低数据量很适合无线通信使用。可通过无线方式发送时间数据，其他设备可通过无线接收其数据，校对自己的时间或进行其他应用。

1 系统原理分析

IRIG(Intcr Range Instrumentation Group)即靶场仪器组，它是美国靶场司令委员会所属的机构，它制定了IRIG-H时间码(简称H码)，此标准时间码可以用来校正时间，与时统总站对时，也可以通过时间码对时统设备精确授时。IRIG-H以分钟为最小单位，可应用在路灯控制、农业灌溉、智能楼宇等方面。

IRIG时间码标准有两大类：一类是并行时间码格式;另一类是串行时间码。并行格式由于传输距离较近，因此没有串行格式应用广泛。串行时间码共有6种格式，即IRIG-A、B、D、E、G、H。它们的主要差别是时间码的帧速率不同，其中H码格式主要参数如表1所列。

IRIG-H码每个脉冲对应一个码元，每一个码元占用1 s的时间，根据脉冲中高电平时间不同，共分3种码元，如图1所示。码元信息“0”和码元信息“1”所对应码元的高电平分别为0.2 s和0.5 s，P码元的位置码元对应高电平时间为0.8 s，用于编解码的定位。

H码传送方式为一分钟一帧，H码的一帧时间信息如图2所示。可以看出每帧包括60个码元，其中P0、PR、P1、P2、P3、P4、P5为位置识别标志，参考码元PR后到下一帧的位置识别码元P0共60个码元，每个码元都对应相应的码元计数从0～59，可见位置码元PR后面是分、时等时间信息，因此PR码元是重要的基准参考码元。位置P1～P4中含有分一时一天的信息，P5可用来添加控制信息。

在解码时，若连续检测到两个位置码可知一帧开始。P0后1～9码元为无信息码元;第10～13码元表示分的个位，15～17码元表示分的十位，共7个码元;第20～23码元表示时信息个位，25、26两个码元表示时信息十位，共6个码元;第30～33、35～38、40～41各使用4个码元来表示天数的个位和十位，使用2个码元来表示天数的百位，共使用10个码元。将每年的1月1日定为第1天，全年共365天(闰年为366天)。后接控制位信息，第50～59共10个码元。其中14、24、34等码元为索引标志。一般应用只需检测到P4即可，以上时间信息采用二进制数表示十进制的编码，即十进制时间信息每一位十进制数用二进制数编码，表示次序由低到高，个位在前十位在后。

2 系统概述

无线IRIG-H码解码器可分为3部分：①信号转换模块;②MCU解码模块;③无线发送模块。H码解码器系统功能框图如图3所示。

信号转换模块是IRIG-H(DC)码数据首先经过的部分，信号输入后经过RS485电平转换电路转换成TTL电平，然后信号经隔离电路和波形整形电路输出至MCU解码部分。

MCU解码模块主要为B码信号提供解码处理，经过对信号的捕捉，通过软件处理，转换成标准时间格式，当然也可转换为需要的自定义时间格式。转换完成后，通过SPI接口，将解码后信号传递给无线发送模块。

无线发送模块主要是把时间信号和载波混合调制后，以射频形式发送出去，传输格式规约可以由MCU解码模块通过软件自定义，然后按定义好的规约发送无线信号，多个应用接收端可以按同规约接收并解析数据。

3 硬件电路设计方案

3.1 信号转换部分

IRIG-H输入接口如图4所示，H码DC信号通过U6芯片完成RS485电平转换成TTL电平;信号经电平转换后输出到高速光隔U4进行电气隔离，避免干扰信号或大能量冲击信号通过导线引入系统损坏后端系统;U11为电源DC—DC隔离器，隔离强度达2 500 V;最后信号通过施密特反相器U8输出更加稳定的方波。

3.2 MCU解码模块电路图

MCU解码模块中使用了Atmel公司的ATmega8芯片，它是性能较好的RISC结构的8位单片机，有8 KB的内部可编程Flash存储器，两个串行USART口，可工作于主从模式的SPI串行接口，独立片内看门狗定时器，以及10位ADC等丰富强大的硬件接口电路;封装较小为TQFP-32封装，价格较低，采用低功耗CMOS工艺生产性能较好。综上所述功能其很适合做本设计主控芯片。

ATmega 8原理图如图5所示，使用外部7.372 8 MHz晶振，使用内部定时器T0作为检测码元计时。图5中LED2作为工作状态指示灯，显示当前模块运行状态;单片机PD2(INT0)引脚接至信号转换模块的输出，当输入信号电平由低变高时(上升沿)产生中断，使用内部定时器T0开始计时。当信号电子由高到低时(下降沿)产生中断，此时定时器停止，并计算计时器时间，按照图1即可解码出B码码元信息对应的数据。引脚PB3和PB4是SPI接口的通信收发脚，接至无线发送模块作为解码数据的传递接口，单片机通过自定义规约把时间数据通过SPI接口传递出去。

4 无线发射部分线路图

无线发射部分选用nRF905无线芯片，它是NORDIC公司出品的低于1 GHz无线数传芯片，主要工作于433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM频段。芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置，非常适合于低功耗、低成本的系统设计。这里采用SPI接口和ATmega 8主控芯片通信，使用433 MHz通信，nRF905接收到时间数据后，调制到载波上，通过天线发送无线数据。此部分操作简单，可靠性较高，且有较高的性价比。无线传输部分电路如图6所示。

5 系统软件设计

在单片机软件设计中，定义三个字节数组Time[3]存放时间信息数据，即“分”、“时”、“天”。满1分钟后，中断接收全时间信息，并进行译码转换，完成转换后置时间发送标志为1，在主循环中查询是否有时间发送标志置1，如果是则通过SPI接口发送数据给无线模块部分进行无线发送。由于IRIG-H码每分钟一帧，所以无线发送部分有足够的时间进行无线通信协议处理，如主机无线发送广播包给设备，则接收设备返回确认帧，以保证通信可靠。软件主流程图如图7所示。中断处理流程图如图8所示。

结语

此无线IRIC-H码解码器设计简单，所用器件较少，性能稳定，并且能够可靠地提供准确的时间信息。其具有成本低、开发周期短等优点，C语言编写解码程序在传输协议上具有灵活性，无线通信接口有较好的可安装性和可扩展性。