CN203561840U - 变电站gps对时irig-b解码器 - Google Patents

Abstract

一种变电站GPS对时IRIG-B解码器，包括主控芯片及连接在主控芯片***的电源电路、晶振电路、复位电路及串口通信电路，其特征在于：主控芯片采用TSSOP20封装的STM8S103F芯片，IRIG-B码信号从STM8S103F芯片的高级控制计数/定时器TIM1的输入捕获通道所对应的引脚PC3和PC4输入，并经STM8S103F解码后通过所述的串口通信电路输出绝对时间。本实用新型创新性地运用STM8S103F强大的16位高级控制定时器TIM1的边沿捕获技术来测量IRIG-B码脉冲的脉宽来实现B码解码，完全能够满足变电站B码准确解码授时的要求，并且具有结构简单、体积小、功耗小、精度高等优点，目前已在变电站GPS&IRIG-B授时***中得到成功运用。

Description

变电站GPS对时IRIG-B解码器

技术领域

本实用新型涉及一种解码器，具体是指一种变电站GPS对时IRIG-B解码器。 

背景技术

随着电力***规模的日益扩大和电网自动化水平的不断提高，时间的精确和统一在电力***安全运行中显得尤为重要，它是不同设备时间顺序记录、故障测距、事故时序分析、电能计费、继电保护、自动控制的时间基准。 

国家电网公司发布的技术规范中明确要求新投运的需要授时的变电站自动化***间隔层设备原则上应采用GPS&IRIG-B码对时方式实现对时。GPS&IRIG-B码时间***把GPS卫星信号和现代化靶场间通用的IRIG-B（Inter-Range Instrumentation Group，靶场仪器组B型格式）串行时间码封装于一体，提供高精度廉价的定时服务。IRIG-B码对时方式是一种精确的对时方案，包含准时秒起始点信息和绝对时间信息，可建立单独的对时网络，每个变电站只需安装一个GPS接收终端，利用RS422/485传输时间码，在终端装置前安装具有标准RS422/485接口的解码器即可完成时间解码和设备精确对时，适于近距离传输，解码器则是最关键最复杂的部分，GPS&IRIG-B码时间***结构图如图1所示。 

IRIG-B码（简称B码）是IRIG（Inter-Range Instrumentation Group）六种格式码的一种，以其实际突出的优越性能，成为时统设备首选的标准码型。未经幅度调制的称为IRIG-B码，标准B码帧结构如图2所示。B码时帧速率为1帧/秒，所有的时间格式都是脉宽码，索引计数间隔10ms，每帧100个码元，码元有三种。位置识别标志P0的前沿在帧参考点（即PR）前一个索引计数间隔处，以后每十个码元有一个位置识别标志，分别为P1、P2......、P9，表示一个时间格式帧开始的参考标志是由一个位置识别标志（P0）和相邻的参考码元（PR）组成，脉宽均为8ms；二进制“1”和“0”的脉宽分别为5ms和2ms。B码时序为秒-分-时-天-年，位置在P0到P6之间，其中秒7位、分7位、时6位、天10位、年8位，通过加权计算解析出通用标准时间格式。IRIG-B码解码器的设计要求是能实时地解出编码信息中的年、天、时、分、秒信息，并实时通过异步通信口送往其他设备。 

如今IRIG-B解码器的市场需求很大，国内也出现了许多解码方法和相关产品，但由于器件本身的限制和实现方法的原因，存在解码过程复杂、体积大、功耗大等不足之 处。如基于CPLD、FPGA等技术的解码设计精度达到了要求，但是过于复杂；西安同步电子科技公司等生产的解码器为机箱式，体积大、功耗大；济南唯尚电子有限公司等生产的解码器的时间报文格式不是标准B码格式，在以后市场的标准化上没有优势；深圳云辰科技有限公司开发了一系列IRIG-B解码专业芯片，但是目前只有一种实现了量产，单片价格在40元左右，价格相对来说非常高。基于以上问题，有待对现有的IRIG-B解码器进行改进。 

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状，提供一种结构简单、精度高、体积小、功耗小并能完全达到精确对时要求的变电站GPS对时IRIG-B解码器。 

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：该变电站GPS对时IRIG-B解码器，包括主控芯片及连接在主控芯片***的电源电路、晶振电路、复位电路及串口通信电路，其特征在于：所述的主控芯片采用TSSOP20封装的STM8S103F芯片，IRIG-B码信号从STM8S103F芯片的高级控制计数/定时器TIM1的输入捕获通道所对应的引脚PC3和PC4输入，并经所述STM8S103F芯片解码后通过所述的串口通信电路输出绝对时间。 

优选地，所述的串口通信电路采用MAX232为主控芯片，MAX232主控芯片的引脚T1in与所述STM8S103F芯片的引脚RX相连接。 

进一步优选，还包括有一程序烧写电路，该程序烧写电路的SWIM接口与所述STM8S103F芯片的SWIM数据接口相连接。 

作为优选方案，还包括有一由所述电源电路供电的USB接口电路。 

作为另一优选方案，所述的电源电路和STM8S103F芯片均外接有LED指示电路。 

作为上述任一方案的优选，包括有分频模块、TIM1边沿捕获模块、计算转码转换时间模块、显示模块和接口模块等功能模块，***基准时钟频率经分频模块后作为TIM1边沿捕获模块的频率，所述TIM边沿捕获模块对IRIG-B码进行边沿捕获后输出至所述的计算转码转换时间模块的输入端，所述计算转码转换时间模块的输出端与所述接口模块的输入端相连接，所述计算转码转换时间模块的输出端同时连接在所述的显示模块上。 

与现有技术相比，本实用新型创新性地运用STM8S103F强大的16位高级控制定时器TIM1的边沿捕获技术来测量IRIG-B码脉冲的脉宽来实现B码解码，完全能够满足变电站B码准确解码授时的要求，并且具有结构简单、体积小、功耗小、精度高等优点，目前已在变电站GPS&IRIG-B授时***中得到成功运用。 

附图说明

图1为GPS&IRIG-B码时间***结构图； 

图2为标准IRIG-B码帧结构图； 

图3为IRIG-B码解码器功能结构框图； 

图4为IRIG-B码解码器电路原理图； 

图5为IRIG-B码解码器的程序流程图。 

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。 

如图3所示，该变电站GPS对时IRIG-B码解码器（简称B码解码器）主要分为五个功能模块，分别为分频模块、TIM1边沿捕获模块、计算转码转换时间模块、显示模块和接口模块，其中最关键的部分是TIM1边沿捕获模块。***基准时钟频率采用8Mhz并经分频模块后作为TIM1边沿捕获模块的频率，所述TIM边沿捕获模块对IRIG-B码进行边沿捕获后输出至所述的计算转码转换时间模块的输入端，所述计算转码转换时间模块的输出端与所述接口模块的输入端相连接，所述计算转码转换时间模块的输出端同时连接在所述的显示模块上。 

1、B码解码器的硬件设计 

如图4所示，主控芯片采用ST公司的STM8S103F，采用TSSOP20封装形式，其具有强大的16位高级控制定时器TIM1，含4个捕获/比较通道，输入捕获通道3和输入捕获通道4分别对应引脚PC3和PC4，捕获精度可达us级，完全能够同步灵活的在脉冲沿出现的位置。同时，该主控芯片具有用户可调整的内部16Mhz RC，具有3级流水线的哈佛结构，8K字节Flash，1K字节RAM。 

解码器电路包括电源电路、晶振电路、复位电路、串口通信电路、程序烧写电路和USB接口电路，其中，电源电路提供3.3V和5V两种电源，为上述各电路供电。 

具体地，IRIG-B码信号从STM8S103F芯片的高级控制计数/定时器TIM1的输入捕获通道所对应的引脚PC3和PC4输入，并经STM8S103F芯片解码后通过串口通信电路输出绝对时间。串口通信电路采用MAX232为主控芯片，MAX232主控芯片的引脚T1in与STM8S103F芯片的引脚RX相连接。程序烧写电路的SWIM接口与STM8S103F芯片的SWIM数据接口相连接。另外，解码器硬件电路设计中，电源电路和STM8S103F芯片均外接有LED指示电路。 

2、B码解码器的软件设计 

IRIG-B码解码器的功能是首先从时间码帧中判断出秒的准时点，然后利用 STM8S103F定时器TIM1的输入捕获功能进行脉冲边沿计数捕捉，通过计数值计算出脉冲高电平时间宽度，并根据5ms和2ms脉冲出现的位置提取时间信息，转化为BCD码存储在内存中，解析完成后以尽可能小的延时通过接口将绝对时间传输给其他装置完成对时。开发程序全部用C语言编写。 

1)、分频 

时钟选择STM8S103F可调的内部16MHz RC时钟，两分频后的8MHz时钟作为***基准时钟频率。 

16位高级控制计数/定时器TIM1的预分频器可以将时钟频率按1到65536之间的任意值分频，由于B码索引计数间隔为10ms，则TIM1从1计数到65536的时间周期必须大于10ms，本次TIM1频率定为0.5MHz，即再进行16分频，并用此频率计算高电平时间宽度。 

2)、TIM1边沿捕获 

无论采用何种技术体制进行IRIG-B码的解码，其关键都在于时间码元的识别、提取，本次提出了利用定时器边沿捕获技术实现解码的新方法，具体实现方法是定时器捕捉通道寄存器在脉冲上升沿、下降沿来临时精确捕捉记录当前计数值，然后通过相邻两次计数值和计数频率来计算每个码元脉冲的脉宽，根据IRIG-B码原理解析出绝对时间信息。 

本次选用的STM8S103F芯片，其高级控制计数/定时器TIM1由一个16位的自动装载计数器组成，由一个可编程的预分频器驱动，共有四个独立的输入捕获/比较通道。定时器的I/O引脚(TIM1_CCi)可以用作输入捕获或者输出比较，这个功能可以通过配置捕获/比较通道模式寄存器(TIM1_CCMRi)的CCiS通道选择位来实现。每一个捕获/比较通道都是围绕着一个捕获/比较寄存器来构建的，捕获/比较模块由一个预装载寄存器和一个影子寄存器组成，在捕获模式下捕获发生在影子寄存器上，然后再复制到预装载寄存器中。 

设计过程中将TIM1的输入捕获通道3、通道4分别设置为脉冲上升沿捕获和下升沿输入捕获模式，设置定时器TIM1为向上计数模式，并使能输入捕获通道。当每次检测到IC3/IC4信号上相应的边沿后，计数器的当前值会被锁存到捕获/比较寄存器TIM1_CCR3/TIM1_CCR4中。当发生捕获事件时，相应的CC3IF/CC4IF标志（TIM1_SR寄存器）被置1；如果发生捕获事件时CC3IF/CC4IF标志已经为高，那么重复捕获标志CC3OF/CC4IF(TIM1_SR2寄存器)被置1。写CCiIF=0或读取存储在TIM1_CCRiL寄存器中的捕获数据都可清除CCiIF，写CCiOF=0可清除CCiOF。每次捕获完成后立即将TIM1_CCR3/TIM1_CCR4中的计数值保存到内存，以此循环地进行脉冲边沿捕捉。 

3)、计算脉宽 

根据两次捕获的计数值的差值和TIM1计数频率计算脉冲脉宽。 

4）、判断IRIG-B码时间帧秒准时点 

根据IRIG-B码格式，连续两个8ms宽脉冲中的第二个8ms脉冲前沿为秒的准时起始点，因此将连续的两个8ms宽脉冲作为信息头，只有正确判断出秒的准时起始点才能解析出正确的时间信息。 

5）、转BCD码并存储 

IRIG-B码共有3种码元，其中5ms和2ms两种码元代表了时间信息，在转BCD码时二进制BCD码“1”和“0”分别代表5ms和2ms脉宽。由于在计算时难免会存在误差，转码时根据B码3种码元给计算的脉宽设定一个不交叉的范围。转码表如表1所示。 

码元	转码范围	BCD码
			2ms	1-3ms	0
5ms	4-6ms	1
			8ms	7-9ms

表1 

由于IRIG-B码时间信息保存在P0-P6之间的38个码元中，因此所开内存必须大于38。通过检测得出TIM1捕获、转码、存储P0开始的96个脉冲所需时间约为950ms；存储完后立即进行加权计算解析和绝对时间信息输出，这段时间约为非常短。为减小误差，内存开个96个字节，一个字节存储一个时间码元BCD码，连续存储前96个码元信息。 

6）、绝对时间计算和输出 

根据秒-分-时-天-年的位置提取时间BCD码信息进行加权计算，计算秒时间时在原来基础上加一秒，解析后通过接口将绝对时间传输给其他装置完成对时，这样时间误差就能控制在内50ms之内。 

7）、程序编写 

开发程序全部用C语言编写，其中最重要的部分是定时器TIM1输入捕获通道的初始化和模式设置。另外，为消除计数溢出对下一次计算值的影响，在一次计算完成后立即对相关变量和计数器TIM1进行清零。其中，IRIG-B码解码流程图如图5所示。 

3、仿真测试 

将模拟的IRIG-B码信号通过引入TIM1输入捕获通道3、通道4对应的引脚PC3和PC4 进行解码测试。测试结果显示对输入的IRIG-B码，解码器能及时准确的解码输出，可长期连续稳定工作。此次创新性的运用STM8S103F强大的16位高级控制定时器TIM1设计的GPS&IRIG-B解码器，完全可以满足变电站自动化授时***解码授时的要求。 

4、解码器功能 

GPS接收终端通过RS422/232/485传输IRIG-B时间码，解码器对输入的IRIG-B码进行解码，并通过RS232/485输出绝对时间进行授时。 

5、解码器技术参数 

（1）电源电压：3.3V/5V； 

（2）RS422/232/485输入IRIG-B码时间码，对输入的IRIG-B码进行解码后通过RS232/485输出绝对时间进行授时； 

（3）单片机***时钟：8MHz； 

（4）定时器TIM1时基：0.5MHz； 

（5）串口输出设置：波特率115200，8位数据位，1位停止位，无校验位； 

（6）同步对时精度≤50ms。 

Claims (6)

1.一种变电站GPS对时IRIG-B解码器，包括主控芯片及连接在主控芯片***的电源电路、晶振电路、复位电路及串口通信电路，其特征在于：所述的主控芯片采用TSSOP20封装的STM8S103F芯片，IRIG-B码信号从STM8S103F芯片的高级控制计数/定时器TIM1的输入捕获通道所对应的引脚PC3和PC4输入，并经所述STM8S103F芯片解码后通过所述的串口通信电路输出绝对时间。 

2.根据权利要求1所述的变电站GPS对时IRIG-B解码器，其特征在于：所述的串口通信电路采用MAX232为主控芯片，MAX232主控芯片的引脚T1in与所述STM8S103F芯片的引脚RX相连接。 

3.根据权利要求1或2所述的变电站GPS对时IRIG-B解码器，其特征在于：还包括有一程序烧写电路，该程序烧写电路的SWIM接口与所述STM8S103F芯片的SWIM数据接口相连接。 

4.根据权利要求1或2所述的变电站GPS对时IRIG-B解码器，其特征在于：还包括有一由所述电源电路供电的USB接口电路。 

5.根据权利要求1或2所述的变电站GPS对时IRIG-B解码器，其特征在于：所述的电源电路和STM8S103F芯片均外接有LED指示电路。 

6.根据权利要求1或2所述的变电站GPS对时IRIG-B解码器，其特征在于：包括有分频模块、TIM1边沿捕获模块、计算转码转换时间模块、显示模块和接口模块等功能模块，***基准时钟频率经分频模块后作为TIM1边沿捕获模块的频率，所述TIM边沿捕获模块对IRIG-B码进行边沿捕获后输出至所述的计算转码转换时间模块的输入端，所述计算转码转换时间模块的输出端与所述接口模块的输入端相连接，所述计算转码转换时间模块的输出端同时连接在所述的显示模块上。 

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