Kod czasu IRIG

Kod czasu IRIG (ang. IRIG timecode, ang. Inter-Range Instrumentation Group timecode) – rodzina standardowych formatów szeregowego przesyłania czasu, używanych do synchronizacji czasu urządzeń pomiarowych i sterujących^[1][2]. W odróżnieniu od prostszego sygnału PPS, który jedynie wyznacza początek każdej sekundy, kod IRIG przenosi datę i czas dobowy – dzień roku oraz godzinę, minutę i sekundę, a w części wariantów także rok^[1][2].

Stosuje się je zwłaszcza tam, gdzie odbiornik czasu, zegar atomowy, odbiornik GPS lub centralny generator ma podawać wspólny czas wielu urządzeniom podrzędnym^[1][2].

Najbardziej rozpowszechnionym formatem z tej rodziny jest IRIG-B, którego ramka trwa jedną sekundę i zawiera 100 pozycji bitowych. W praktyce określenie „IRIG-B” bywa używane szerzej niż „kod czasu IRIG”, choć litery A, B, D, E, G i H oznaczają technicznie sześć odrębnych formatów. Pełne oznaczenie sygnału, takie jak B122 albo B007, określa nie tylko format czasowy, lecz także modulację, częstotliwość nośną lub rozdzielczość oraz zestaw zakodowanych pól^[3][1].

Prace nad rodziną kodów IRIG rozpoczęła w 1956 roku grupa telekomunikacyjna amerykańskiej Inter-Range Instrumentation Group, działająca w środowisku poligonów, telemetrii i systemów śledzenia. Nazwa tej organizacji – w dosłownym tłumaczeniu „międzypoligonowa grupa ds. aparatury pomiarowej” – jest źródłem skrótu IRIG. Pierwsze formaty zaakceptowano w 1960 roku jako IRIG Document 104-60, następnie zrewidowano je jako IRIG Document 104-70. Później rozwijano je w standardach serii 200, w tym IRIG Standard 200-70, 200-95, 200-98, 200-04 i 200-16; ich współczesne wydania publikuje Range Commanders Council (RCC), amerykańska rada dowódców poligonów^[3][4].

Standard RCC 200-16 z sierpnia 2016 opisuje szeregowe kody czasu (przesyłane bit po bicie jednym kanałem) używane przez administrację amerykańską i przemysł prywatny. Jako powód ich stosowania dokument wskazuje potrzebę wspólnego czasu w systemach łączności, przetwarzania danych, śledzenia pocisków i statków kosmicznych oraz korelacji danych pomiarowych z czasem. Dokument odróżnia rodzinę kodów szeregowych od równoległych kodów czasu opisanych w osobnym standardzie IRIG 205^[1]. Opisywane niżej formaty należą do aktualnego standardu RCC 200-16.

Odrębny standard IRIG/RCC 212-00 opisywał IRIG J, czyli asynchroniczny kod czasu oparty na znakach ASCII. Nie należy on do podstawowych formatów A, B, D, E, G i H z rodziny RCC 200^[5].

W systemach rządowych i testowych Stanów Zjednoczonych punktem odniesienia dla czasu jest UTC utrzymywany względem zegara głównego United States Naval Observatory. Kod IRIG nie jest więc samodzielną skalą czasu, lecz sposobem przekazania informacji o czasie z urządzenia odniesienia do odbiorników w danej instalacji^[1].

Standard RCC 200-16 definiuje sześć głównych formatów oznaczanych literami. Różnią się one szybkością bitową (liczbą pozycji bitowych nadawanych w ciągu sekundy), czasem trwania ramki i zakresem przenoszonych informacji. Najszybszy IRIG-G ma 10 000 impulsów na sekundę i ramkę 0,01 s, natomiast IRIG-D ma ramkę trwającą godzinę. IRIG-B, dzięki ramce jednej sekundy i 100 bitom, stał się najwygodniejszym wariantem dla wielu urządzeń przemysłowych i pomiarowych^[1][2].

Oznaczenie pełnego sygnału składa się z litery formatu i trzech cyfr. Pierwsza cyfra oznacza sposób kodowania sygnału: DCLS (ang. direct current level shift), czyli przesunięcie poziomu stałego bez nośnej, modulację amplitudy sinusoidalnej nośnej albo zmodyfikowane kodowanie Manchester. Druga cyfra określa nośną (falę o stałej częstotliwości, na którą nakłada się kod) lub rozdzielczość, na przykład brak nośnej, 100 Hz, 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz lub 1 MHz. Trzecia cyfra określa zestaw danych: BCDTOY (ang. binary-coded decimal time of year), czyli dzień roku i czas dobowy zapisane w kodzie BCD, oraz opcjonalnie rok, funkcje kontrolne (CF) i licznik SBS (ang. straight binary seconds)^[1][3].

Przykładowo B122 oznacza format B z modulowaną amplitudowo sinusoidalną nośną 1 kHz i kodem BCD czasu roku bez dodatkowego pola z rokiem, funkcji kontrolnych ani licznika SBS. B007 oznacza z kolei IRIG-B bez nośnej, z rozszerzonym zestawem pól obejmującym rok oraz licznik sekund doby. Takie szczegółowe oznaczenia są istotne, ponieważ dwa urządzenia „IRIG-B” mogą nie być zgodne, jeżeli oczekują innej nośnej, poziomu sygnału albo innego zestawu pól^[1][2].

Przykładowe oznaczenia pokazują, że sama nazwa IRIG-B nie określa jeszcze wszystkich cech sygnału^[1][2]:

Standard ogranicza przy tym dopuszczalne kombinacje cyfr dla poszczególnych formatów^[1]:

Ramka kodu IRIG składa się z pozycji bitowych numerowanych od początku ramki. Początek ramki jest sygnalizowany znacznikami pozycji, a punktem odniesienia czasu jest zbocze prowadzące bitu odniesienia. W kodowaniu szerokością impulsu binarne 0 trwa 0,2 czasu pozycji bitowej, binarne 1 trwa 0,5 czasu pozycji, a znacznik pozycji lub znacznik ramki trwa 0,8 czasu pozycji^[1].

Warianty A, B, E i G przenoszą informację o roku w formacie BCD, natomiast podstawowe słowo czasu roku obejmuje dzień roku, godzinę, minutę, sekundę i w szybszych formatach ułamki sekundy. W części sygnałów występuje też SBS – 17-bitowy licznik sekund od początku doby. W odróżnieniu od pozostałych pól, zapisywanych w kodzie BCD, zlicza on sekundy w zwykłym, „prostym” kodzie dwójkowym – stąd człon „straight binary” w nazwie. Odczyt jest powtarzany w cyklu dobowym z uwzględnieniem konwencji sekund przestępnych^[1].

Pola CF, czyli funkcje kontrolne, nie są uniwersalnym mechanizmem kontroli błędów. Standard rezerwuje je na funkcje kontrolne, identyfikacyjne i specjalne, ale dopuszcza ich definiowanie przez konkretną instalację. To ułatwia dopasowanie kodu do lokalnego systemu telemetrii lub sterowania, a jednocześnie oznacza, że odbiornik musi być skonfigurowany zgodnie z profilem używanym w danej instalacji^[1].

IRIG-B ma szybkość 100 impulsów na sekundę, pozycję bitową 10 ms i ramkę dokładnie jednej sekundy. Początek każdej ramki sygnalizują dwa kolejne znaczniki 8 ms, a pola BCD kodują sekundy, minuty, godziny i dzień roku. W wariantach nowszego standardu można dodatkowo przenosić rok, funkcje kontrolne i licznik SBS^[1].

W urządzeniach przemysłowych i energetycznych IRIG-B jest szczególnie popularny, bo ramka sekundowa dobrze odpowiada potrzebie synchronizacji rejestratorów zdarzeń, zabezpieczeń, sterowników i urządzeń pomiarowych. Według opisu Microchip format jest szeroko używany między innymi w systemach automatyki stacyjnej, komunikacji wojskowej, pomiarach morskich i przemysłowych układach kontroli^[2].

Wersje modulowane amplitudowo są często przesyłane jako sygnał sinusoidalny z nośną, na przykład 1 kHz w klasycznych odmianach B12x, natomiast wersje bez nośnej używają przesunięcia poziomu stałego, zwykle określanego jako DCLS. Wybór wariantu zależy od wejść odbiornika, długości i rodzaju okablowania, separacji galwanicznej, poziomów napięć oraz wymagań instalacyjnych^[3][2].

Kody IRIG mogą być przekazywane jako sygnały modulowane nośną lub jako sygnały bez nośnej. Dla sygnałów modulowanych standard opisuje nośną sinusoidalną zsynchronizowaną ze zboczami kodu oraz typowy stosunek poziomu znacznika do odstępu. Dla sygnałów bez nośnej najważniejsze są poziomy logiczne, zbocza impulsów i odporność toru transmisyjnego^[1][3].

W praktycznych instalacjach stosuje się między innymi przewody koncentryczne, pary skręcane, interfejsy różnicowe, krótkie połączenia elektryczne i łącza światłowodowe. Sam standard IRIG określa strukturę i czasowanie kodu, ale wiele szczegółów poziomów elektrycznych, impedancji, zakończenia linii i odporności na zakłócenia zależy od urządzeń oraz zaleceń producenta^[3][2].

Dokładność, jaką można uzyskać na wyjściu odbiornika, zależy od wielu czynników. Poza zapisem bitów w ramce wpływ mają jakość źródła czasu, opóźnienia przewodów, rodzaj modulacji, filtry, detekcja zbocza i procedura kompensacji opóźnień. IRIG-B może być skutecznym lokalnym sygnałem dystrybucji czasu, ale wymaga uwzględnienia właściwości całego toru transmisyjnego^[2][1].

Kod IRIG może współistnieć z prostym sygnałem PPS, z NTP i z systemami nawigacji satelitarnej. Odbiornik GNSS albo zegar atomowy może generować jednocześnie PPS, IRIG-B i komunikaty tekstowe lub sieciowe, a różne urządzenia w tej samej instalacji mogą wymagać różnych interfejsów czasu^[2][3].

W porównaniu z NTP kod IRIG jest sygnałem lokalnym i fizycznym, a nie protokołem działającym przez sieć pakietową. Odbiornik dostaje zakodowany czas z nadajnika i musi uwzględnić opóźnienia toru transmisyjnego innymi metodami. W porównaniu z PPS IRIG przenosi więcej informacji kalendarzowej, ale typowy PPS ma prostszą rolę: wskazać bardzo dokładną granicę sekundy^[1][2].

Najczęstszym problemem integracyjnym jest nieprecyzyjne używanie nazwy „IRIG-B”. Urządzenia mogą różnić się modulacją, nośną, poziomami elektrycznymi, obecnością roku, interpretacją funkcji kontrolnych i dodatkowymi rozszerzeniami branżowymi. Dlatego przy integracji nie wystarcza informacja, że oba urządzenia „obsługują IRIG-B”. Trzeba znać pełne oznaczenie sygnału i profil danych^[1][3].

W zastosowaniach elektroenergetycznych część instalacji wykorzystuje rozszerzenia pól CF opisane przez standardy IEEE (ang. Institute of Electrical and Electronics Engineers, Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników) – IEEE 1344, IEEE C37.118 i IEEE C37.118.1 – dla pomiarów synchrofazorowych. Według Microchip takie pola mogą przekazywać między innymi informacje o jakości źródła czasu i warunkach użycia sygnału^[2].

Drugim ograniczeniem jest niepełna informacja o dacie w części wariantów. Starsze i prostsze sygnały mogą zawierać dzień roku i czas dobowy, ale nie pełny rok lub stulecie. Wtedy system odbiorczy musi znać dodatkowy kontekst daty, a błędna konfiguracja roku, strefy czasu albo lokalnych funkcji kontrolnych może prowadzić do poprawnego elektrycznie, lecz błędnie interpretowanego czasu^[1].

• Precision Time Protocol

• IRIG Serial Time Code Formats, RCC 200-16 (ang.) (PDF)