[实战] IRIG-B协议详解及Verilog实现（完整代码）

IRIG-B(B码)协议详解及Verilog实现

代码下载（含Verilog实现与python编码实现）

一、IRIG-B协议概述

IRIG-B（InterRange Instrumentation Group-B）是由美国靶场仪器组制定的时间同步标准，广泛应用于电力、通信、航空航天及军事领域。其核心特点为每秒传输一帧时间码（1帧/s），包含100个码元，每个码元持续10ms。协议支持直流（DC）和交流（AC）两种调制方式，其中：

• IRIG-B(DC)：采用脉宽调制，同步精度达几十纳秒，接口为TTL或RS422。
• IRIG-B(AC)：通过1kHz正弦波载波幅度调制，同步精度为10~20微秒，接口为平衡接口。

二、帧格式详细解析

IRIG-B的帧结构以秒为周期，每帧包含100个码元，通过脉宽和位置标识编码时间信息及控制功能。

1. 码元类型与索引计数

• 码元类型：
  • “0”码元：脉宽2ms（占索引计数间隔的20%）。
  • “1”码元：脉宽5ms（占索引计数间隔的50%）。
  • 位置识别标志“P”：脉宽8ms（占索引计数间隔的80%），每10个码元出现一次（P0~P9）。
• 索引计数：
  • 从帧参考点（Pr）开始，以10ms为间隔递增，范围0~99。
  • 帧参考点由连续两个“P”码元标识，第二个“P”码元前沿为“准时”参考点。用易懂的话描述就是，每帧的P0的上升沿为1秒的开始，连续的两个P，其实是由上一帧的P9和下一帧的P0组成。

简单易懂的说法就是每个码元都是1个10ms的脉冲，占空比为20%表示0，站控比为50%表示1，占空比80%表示P。也就是每个0由2ms高和8ms低构成，1由5ms高和5ms低构成，P由8ms高和2ms低构成。

2. 时间编码字段

时间信息采用二进制编码十进制（BCD）格式，按“秒-分-时-天”顺序排列：
具体帧结构如下所示
IRIG-B帧结构分组表（0-99码元）

码元范围	字段名称	编码内容	说明
0	P0（帧头标识）	8ms高电平 + 2ms低电平	帧起始标志
1-4	BCD秒个位	秒个位（0-9）	权重1、2、4、8
6-8	BCD秒十位	秒十位（0-5）	权重1、2、4（高位补0）
10-13	BCD分个位	分个位（0-9）	权重1、2、4、8
15-17	BCD分十位	分十位（0-5）	权重1、2、4（高位补0）
20-23	BCD时个位	时个位（0-9）	权重1、2、4、8
25-26	BCD时十位	时十位（0-2）	权重1、2（高位补0）
30-33	BCD日个位	年积日个位（0-9）	权重1、2、4、8
35-38	BCD日十位	年积日十位（0-9）	权重1、2、4、8
40-41	BCD日百位	年积日百位（0-3）	权重1、2（高位补0）
50-58	BCD年信息	年个位/十位（00-99）	控制字段扩展
60-78	控制/备用字段	闰秒标志、校验位、自定义用途	用户可编程
80-97	二进制天内秒	一天以内的秒技术，二进制表示	标准二进制

具体结构如下图所示

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关键字段说明

1. 位置标识符（P类型）：

   • P0-P10：共11个位置标识符（码元0,9,19,29,39,49,59,69,79,89,99），用于同步和字段分隔，波形固定为8ms高电平+2ms低电平。

2. 时间字段：

   • 二进制秒（80-97）：直接编码0-86399的二进制值（低位在低码元，如Bit0在码元80）。
   • BCD时间：每个时间单位（秒、分、时、日、年）拆分为个位和十位的BCD码，例如：
     • 秒=23 → 个位=3（BCD 0011，码元1-4），十位=2（BCD 0010，码元6-8）。

3. 年积日（DOY）：

   • 由年、月、日计算得出（如2023年10月1日对应DOY=274），编码为3位BCD：
     • 274 → 百位=2（码元30-33），十位=7（码元35-38），个位=4（码元40-41）。

4. 控制与扩展：

   • 码元50~57 年的个位和十位
   • 码元58：关键控制位，通常用于闰秒指示。
   • 码元90-98：用户自定义，可加入CRC校验或扩展信息。

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帧结构示意图

[P0] 1-8  [P1] 10-13 14-17 [P2] 20-23 24-27 [P3] ... [P10]
|-二进制秒-|------BCD秒-----|------BCD分-----| ...    |--帧尾--|

3. 控制功能码元（CF）

位于P5~P8之间，共27位，用于扩展功能或自定义协议，例如：

• 状态标识、设备编号或特殊命令。
• 码元50~57用做年的个位和十位
• 无统一标准编码，由设备生产商自定义。

4. 纯二进制秒码（SBS）

从P8开始，占17位，表示从午夜开始的秒数（0~86399），每日重复。

三、编码与信号特性

• 编码方式：
  • 脉宽调制：通过脉宽差异区分“0”和“1”。
  • 载波调制（AC）：1kHz正弦波，调制比10:3，正交过零点与码元前沿对齐。
• 信号传输：
  • DC码：抗干扰性强，适合短距离高精度同步。
  • AC码：支持远距离传输，但精度略低。

四、时间编码实现

以2025-12-03 01:03:04为例

1. 时间参数转换

• 日期计算：2025年12月3日为第337天（非闰年）

  • 非闰年，12月3日对应年积日 337（计算方式：31天（1月）+28天（2月）+31天（3月）+30天（4月）+31天（5月）+30天（6