一種低成本的無線IRIG-H(DC)解碼器

摘要：基于ATmega8單片機設計出一種簡單、可靠、低成本的H碼(DC)解碼器。通過標準RS485接口接收差分H碼信號，信號經隔離后通過單片機解碼程序處理，轉換成標準時間碼(時分形式)通過無線方式發送給其他設備。此設計增強了解碼器的使用方便性以及時間數據及通信協議設計的靈活性，在實際應用中取得了滿意的效果。

引言

在工業控制、電力和其他商業系統中，IRIG-H碼的校時設備在系統時鐘精度要求不高的場合非常適用，可利用其解碼設備占用資源少、效率高的優勢為其他設備提供統一校時。本文通過ATmega8單片機，根據IRIG-H碼編制程序進行解碼處理，轉換出常用的標準時間格式。由于IRIG-H碼每分鐘一幀，低速和低數據量很適合無線通信使用。可通過無線方式發送時間數據，其他設備可通過無線接收其數據，校對自己的時間或進行其他應用。

1 系統原理分析

IRIG(Intcr Range Instrumentation Group)即靶場儀器組，它是美國靶場司令委員會所屬的機構，它制定了IRIG-H時間碼(簡稱H碼)，此標準時間碼可以用來校正時間，與時統總站對時，也可以通過時間碼對時統設備精確授時。IRIG-H以分鐘為最小單位，可應用在路燈控制、農業灌溉、智能樓宇等方面。

IRIG時間碼標準有兩大類：一類是并行時間碼格式;另一類是串行時間碼。并行格式由于傳輸距離較近，因此沒有串行格式應用廣泛。串行時間碼共有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碼每個脈沖對應一個碼元，每一個碼元占用1 s的時間，根據脈沖中高電平時間不同，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碼的一幀時間信息如圖2所示。可以看出每幀包括60個碼元，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個碼元，每個碼元都對應相應的碼元計數從0～59，可見位置碼元PR后面是分、時等時間信息，因此PR碼元是重要的基準參考碼元。位置P1～P4中含有分一時一天的信息，P5可用來添加控制信息。

在解碼時，若連續檢測到兩個位置碼可知一幀開始。P0后1～9碼元為無信息碼元;第10～13碼元表示分的個位，15～17碼元表示分的十位，共7個碼元;第20～23碼元表示時信息個位，25、26兩個碼元表示時信息十位，共6個碼元;第30～33、35～38、40～41各使用4個碼元來表示天數的個位和十位，使用2個碼元來表示天數的百位，共使用10個碼元。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，以上時間信息采用二進制數表示十進制的編碼，即十進制時間信息每一位十進制數用二進制數編碼，表示次序由低到高，個位在前十位在后。

2 系統概述

無線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無線發送模塊。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)碼數據首先經過的部分，信號輸入后經過RS485電平轉換電路轉換成TTL電平，然后信號經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，經過對信號的捕捉，通過軟件處理，轉換成標準時間格式，當然也可轉換為需要的自定義時間格式。轉換完成后，通過SPI接口，將解碼后信號傳遞給無線發送模塊。

無線發送模塊主要是把時間信號和載波混合調制后，以射頻形式發送出去，傳輸格式規約可以由MCU解碼模塊通過軟件自定義，然后按定義好的規約發送無線信號，多個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U6芯片完成RS485電平轉換成TTL電平;信號經電平轉換后輸出到高速光隔U4進行電氣隔離，避免干擾信號或大能量沖擊信號通過導線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，兩個串行USART口，可工作于主從模式的SPI串行接口，獨立片內看門狗定時器，以及10位ADC等豐富強大的硬件接口電路;封裝較小為TQFP-32封裝，價格較低，采用低功耗CMOS工藝生產性能較好。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，使用內部定時器T0作為檢測碼元計時。圖5中LED2作為工作狀態指示燈，顯示當前模塊運行狀態;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(上升沿)產生中斷，使用內部定時器T0開始計時。當信號電子由高到低時(下降沿)產生中斷，此時定時器停止，并計算計時器時間，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接口的通信收發腳，接至無線發送模塊作為解碼數據的傳遞接口，單片機通過自定義規約把時間數據通過SPI接口傳遞出去。

4 無線發射部分線路圖

無線發射部分選用nRF905無線芯片，它是NORDIC公司出品的低于1 GHz無線數傳芯片，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程序進行配置，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接收到時間數據后，調制到載波上，通過天線發送無線數據。此部分操作簡單，可靠性較高，且有較高的性價比。無線傳輸部分電路如圖6所示。

5 系統軟件設計

在單片機軟件設計中，定義三個字節數組Time[3]存放時間信息數據，即“分”、“時”、“天”。滿1分鐘后，中斷接收全時間信息，并進行譯碼轉換，完成轉換后置時間發送標志為1，在主循環中查詢是否有時間發送標志置1，如果是則通過SPI接口發送數據給無線模塊部分進行無線發送。由于IRIG-H碼每分鐘一幀，所以無線發送部分有足夠的時間進行無線通信協議處理，如主機無線發送廣播包給設備，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

此無線IRIC-H碼解碼器設計簡單，所用器件較少，性能穩定，并且能夠可靠地提供準確的時間信息。其具有成本低、開發周期短等優點，C語言編寫解碼程序在傳輸協議上具有靈活性，無線通信接口有較好的可安裝性和可擴展性。