B碼解碼接口卡的電路設(shè)計(jì)方案分析

一、 IRIG-B格式碼的格式與規(guī)范

圖1為B（DC）碼示意圖。它是每秒一幀的時(shí)間串碼，每個(gè)碼元寬度為10ms，一個(gè)時(shí)幀周期包括100個(gè)碼元，為脈寬編碼。碼元的“準(zhǔn)時(shí)”參考點(diǎn)是其脈沖前沿，時(shí)幀的參考標(biāo)志由一個(gè)位置識別標(biāo)志和相鄰的參考碼元組成，其寬度為8ms；每10個(gè)碼元有一個(gè)位置識別標(biāo)志：P1，P2，P3，…，P9，P0，它們均為8ms寬度；PR為幀參考點(diǎn)；二進(jìn)制“1”和“0”的脈寬為5ms和2ms。

圖1 B（DC）碼示意圖

一個(gè)時(shí)間格式幀從幀參考標(biāo)志開始。因此連續(xù)兩個(gè)8ms寬脈沖表明秒的開始，如果從第二個(gè)8ms開始對碼元進(jìn)行編碼，分別為第0，1，2，…，99個(gè)碼元。在B碼時(shí)間格式中含有天、時(shí)、分、秒，時(shí)序?yàn)槊?分-時(shí)-天，所占信息位為秒7位、分7位、時(shí)6位、天10位，其位置在P0～P5之間。P6～P0包含其他控制信息。其中“秒”信息：第1，2，3，4，6，7，8碼元；“分”信息：第10，11，12，13，15，16，17碼元；“時(shí)”信息：第20，21，22，23，25，26，27碼元；第5，14，24碼元為索引標(biāo)志，寬度為2ms。時(shí)、分、秒均用BCD碼表示，低位在前，高位在后；個(gè)位在前，十位在后。

二、 B碼解碼接口卡設(shè)計(jì)方案

B碼解碼接口卡功能框圖如圖2所示。

圖2 “B碼解碼接口卡”功能框圖

對B碼進(jìn)行解碼就是將B碼中所包含的時(shí)、分、秒信息提取出來，轉(zhuǎn)換成主計(jì)算機(jī)能夠識別的形式，同時(shí)以秒的準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)為參考，生成毫秒信息，一同送入主計(jì)算機(jī)中。解碼的關(guān)鍵在于檢測B碼中各個(gè)碼元的高電平寬度，首先要檢測連續(xù)兩個(gè)8ms寬的碼元出現(xiàn)的位置，然后再檢測隨后的30個(gè)碼元脈沖寬度，以確定時(shí)、分、秒。這里不檢測天的值，天可以直接在主計(jì)算機(jī)上設(shè)置。

圖3 B碼解碼接口卡電路

檢測高電平寬度：將B碼送入單片機(jī)89C51的INT0端，在INT0引腳由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，啟動單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器T0，開始計(jì)數(shù)；在INT0引腳由高變低時(shí)（即下降沿），觸發(fā)INT0中斷，讀取計(jì)數(shù)器的值，脈沖寬度等于計(jì)數(shù)值乘以計(jì)數(shù)周期。

形成毫秒值：將1kHz信號接到單片機(jī)的INT1端，每毫秒產(chǎn)生一次中斷。INT1中斷處理程序完成毫秒計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)到1000ms時(shí)完成秒加1。

三、 電路設(shè)計(jì)

1 電路設(shè)計(jì)方案1

方案1中，輸入輸出模塊由5片鎖存器構(gòu)成，接口控制簡單，如圖3所示。

來自時(shí)統(tǒng)設(shè)備的IRIG-B（DC）碼，為RS422接口信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換后變?yōu)門TL電平，送至單片機(jī)89C51的INT0端。單片機(jī)初始化設(shè)置中，定時(shí)器T0工作在模式1，采用內(nèi)部時(shí)鐘。當(dāng)INT0引腳由低到高時(shí)，定時(shí)器T0開始計(jì)時(shí)；當(dāng)INT0引腳由高變低時(shí)，觸發(fā)INT0中斷，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，計(jì)算INT0引腳的高電平寬度。根據(jù)寬度對B碼各脈沖進(jìn)行解碼，形成秒、分、時(shí)的BCD碼，存入單片機(jī)的內(nèi)部RAM中。同時(shí)，由頻率源產(chǎn)生的12MHz的信號經(jīng)分頻器后，輸出1kHz信號，送至單片機(jī)INT1引腳，使1ms產(chǎn)生一次INT1中斷，執(zhí)行INT1中斷處理程序，對毫秒進(jìn)行計(jì)數(shù)。毫秒計(jì)數(shù)到1000時(shí)，進(jìn)行秒加1，毫秒初值在B碼的準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)進(jìn)行賦值。

單片機(jī)的P0口經(jīng)鎖存器Ⅰ輸出地址線A0、A1，以控制兩個(gè)并行接口芯片8255的輸出端。單片機(jī)解碼和計(jì)數(shù)輸出的毫秒（2字節(jié)）、秒（1字節(jié)）、分（1字節(jié)）、時(shí)（1字節(jié)）BCD碼，在單片機(jī)的寫指令控制下，分五次送到兩片8255的不同端口。各端口經(jīng)鎖存器Ⅱ“鎖存器Ⅵ，將數(shù)據(jù)鎖存。單片機(jī)送出一組時(shí)間碼后，向主計(jì)算機(jī)發(fā)送中斷。主計(jì)算機(jī)響應(yīng)中斷后，依次讀取各鎖存器的值，即為當(dāng)前的時(shí)統(tǒng)時(shí)間。

圖4 FIFO實(shí)現(xiàn)輸入輸出控制原理圖

鎖存器Ⅱ”Ⅵ的數(shù)據(jù)輸出端直接掛在EISA（ISA）總線上，其片選信號CS1“CS5通過地址譯碼產(chǎn)生。

主計(jì)算機(jī)讀時(shí)應(yīng)能保證數(shù)據(jù)不處于變化中，因此，須將單片機(jī)的寫信號WR經(jīng)延時(shí)反向后，送到各鎖存器的LE端，使數(shù)據(jù)被鎖存。主計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)一存儲單元，存放前一秒的數(shù)據(jù)。當(dāng)前讀取的數(shù)據(jù)如果比前一秒多1，則認(rèn)為時(shí)間正確。

為避免板內(nèi)程序死循環(huán)，在該板上設(shè)計(jì)了看門狗復(fù)位電路。在單片機(jī)板內(nèi)程序中，每隔一定時(shí)間對P1.6口進(jìn)行置1。計(jì)時(shí)器的最高位輸出端接至單片機(jī)的Reset端。在正常情況下，P1.6口總能執(zhí)行置1操作，不會對單片機(jī)復(fù)位；但若程序中有死循環(huán)，則P1.6口不被置1。當(dāng)計(jì)時(shí)器計(jì)到最高位輸出端為1時(shí)，就會對單片機(jī)復(fù)位?？撮T狗復(fù)位電路采用14位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器4060，并具備上電復(fù)位和手動復(fù)位的功能，其振蕩周期由外接電阻、電容的大小決定。

2 電路設(shè)計(jì)方案2

方案2如圖4所示。解碼原理同方案1。該電路采用FIFO（IDT7201）加狀態(tài)寄存器和緩沖器，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與主計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，無需8255和鎖存器，器件較少，但相應(yīng)地會增加軟件控制的工作量。單片機(jī)解碼后，在每幀數(shù)據(jù)前加上標(biāo)志碼，輸出時(shí)、分、秒、毫秒信息，在寫信號的控制下，經(jīng)緩沖器送入FIFO中。主計(jì)算機(jī)查詢狀態(tài)寄存器，了解FIFO的狀態(tài)（空、滿、半滿）后，讀取FIFO中的數(shù)據(jù)。這里用FIFO的8位數(shù)據(jù)線。

IDT7201為先進(jìn)先出雙口存儲器。內(nèi)部RAM：512×9，設(shè)有空標(biāo)志（EF）、滿標(biāo)志（FF）和半滿標(biāo)志（HF），以避免數(shù)據(jù)溢出和空讀。讀、寫數(shù)據(jù)通過內(nèi)部循環(huán)指針，無須地址信息存取數(shù)據(jù)。

IDT7201復(fù)位時(shí)，空標(biāo)志（EF）置0；滿標(biāo)志（FF）和半滿標(biāo)志（HF）置1；讀、寫指針設(shè)到初始位置。當(dāng)寫信號（）由高變低時(shí)，若滿標(biāo)志（FF）為1，則開始寫循環(huán)，將數(shù)據(jù)寫入RAM中，不受任何讀操作的影響；當(dāng)RAM半滿時(shí)，HF置0；當(dāng)寫指針比讀指針小1時(shí)，表明緩沖區(qū)已滿，F(xiàn)F置0，禁止寫操作。當(dāng)讀信號（）由低到高時(shí)，如果EF為1，則開始讀循環(huán)，數(shù)據(jù)以FIFO的方式讀出；當(dāng)所有數(shù)據(jù)均讀出，讀指針等于寫指針，緩沖區(qū)已空，EF置0，禁止讀操作。在緩沖區(qū)空或滿時(shí)，、信號的外部變化，不影響FIFO。

四、 板內(nèi)程序設(shè)計(jì)流程

在單片機(jī)內(nèi)部RAM中，用可位尋址的21H、22H、23H、24H單元分別存放“秒”、“分”、“時(shí)”BCD碼和幀標(biāo)志等，如表1所列。

表1 時(shí)間碼存放表

INT0、INTI中斷處理程序如圖5和圖6所示。

圖5 INT0中斷處理程序流程圖

圖6 INT1中斷處理程序流程圖

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