MACH 2系統(tǒng)TDM通信接口的研究

摘要：介紹了基于MACH 2系統(tǒng)的TDM總線原理，并以柔性直流輸電工程為背景，論述了TDM通信接口在高壓直流輸電中的具體研究與應(yīng)用，詳細(xì)描述了TDM時分多路復(fù)用通信方式的性能，并介紹了TDM通訊的編碼形式以及校驗方式。TDM通信采用IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)編碼，具有嚴(yán)格的校驗方式，較高的可靠性和正確性。這種在一個傳輸介質(zhì)上傳輸多路數(shù)字化信號的技術(shù)，在高壓直流輸電控制系統(tǒng)保護(hù)中，具有可靠、快速的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)串行通信連接，單方向傳輸，具有單個發(fā)送源，一個或多個接收源。因此，TDM總線系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)控制保護(hù)領(lǐng)域。
關(guān)鍵字：IEEE-754標(biāo)；串行通信；TDM通信接口；MACH2系統(tǒng)

0 引言
    高壓直流輸電技術(shù)主要用于大容量、長距離輸電或跨區(qū)域電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)、并網(wǎng)方面，近些年取得了顯著的進(jìn)步，它將在我國電網(wǎng)方面起到重要作用?？刂葡到y(tǒng)是高壓直流輸電工程的核心單元，可以充分發(fā)揮直流輸電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能和適應(yīng)各種運(yùn)行方式的需要。MACH 2是Modular Advanced Control HVDC(High Vohage Direct Current)and SVC(StaIic Var Compensator) 2nd edition的縮寫，是一種基于軟件和硬件的開發(fā)平臺，主要用于直流控制保護(hù)系統(tǒng)。

1 TDM通信原理
1．1 TDM總線系統(tǒng)
    TDM(Time Division Multiplexer)就足時分多路復(fù)用。它將一個時間間隔劃分為若干個通道，把不同通道的數(shù)據(jù)按照預(yù)先設(shè)定的位置分配時隙(Slot)到一定速率的通路上，每個時隙(Slot)的速率根據(jù)時鐘信號的頻率而定的，每個通道時隙(Slot)的頻率，即幀周期為99μs。其中每幀的時隙數(shù)即復(fù)用的通道數(shù)與時鐘有關(guān)。在MACH 2系統(tǒng)中，主要采用的是TDM總線通信的方式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。MACH 2系統(tǒng)主要有兩部分組成，一部分是主計算機(jī)單元，另一部分是I／O單元。這兩部分之間利用DSP實現(xiàn)TDM總線。

     一般的，PS860板卡(含一塊DSP)用于模擬量信號采集并以TDM方式發(fā)送給PS801板卡，由DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)接收與處理。TDM總線上的傳輸速率最大可達(dá)到15 Mb／s。
1．2 TDM幀結(jié)構(gòu)
    TDM這種通信協(xié)議，兩個以上的信號或數(shù)據(jù)流可以同時在一條通信線路上傳輸，其表現(xiàn)為同一通信通道。但在物理層面上來看，信號還是輪流占用物理通道的。時間域被分成周期循環(huán)的一些小段，每段時間長度是固定的，每個時段用來傳輸一個通道的信息。一個TDM幀包括了若干個通道，當(dāng)這些通道的信息都傳輸完畢，會隨著幀同步信號開始下一幀數(shù)據(jù)的傳輸，這樣重復(fù)傳輸每一幀的數(shù)據(jù)。

    TDM傳輸數(shù)據(jù)時，首先將通信時間分成一定長度的幀，每幀的長度是固定的(如圖2所示)。每一幀又被分成若干個時隙(Slot)，即每一幀由若干個時隙(Slot)組成。每幀中的時隙(Slot)是預(yù)先分配好的，且這種關(guān)系是固定不變。不論是否有數(shù)據(jù)需要傳輸，所有時隙(Slot)都會被占用。一般情況，具有N路的輸入系統(tǒng)，每幀至少含有N個時隙(Slot)。

    從圖3 TDM Frame中可以看出，一個TDM總線幀需要3組信號分別用于幀同步(Frame sync)、時鐘(Clock)和數(shù)據(jù)(Data)。MACH 2控制系統(tǒng)所采用的TDM通信的兩幀之間間隔配置為99μs，每幀數(shù)據(jù)最大可以配置32個時隙(Slot)，其中前31個是數(shù)據(jù)時隙，最后一個時隙(Slot)是校驗和。每個時隙(Slot)的長度是固定的，都是32 b信息。
    MACH 2控制系統(tǒng)對模擬量數(shù)據(jù)傳輸時，按照IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)編碼對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。其中，F(xiàn)rame sync是一個寬為100 ns，周期為99μs的脈沖信號，由于每幀的32個時隙(Slot)是已經(jīng)固定好的，這個脈沖信號也是不變的。隨著幀同步信號上升沿的到來，表示每一幀數(shù)據(jù)的開始，也就是第一個時隙，即Slot 1。時鐘信號Clock是一個頻率為10．6 MHz的脈沖信號，每次隨著其上升沿的到來，表示傳輸一個b的數(shù)據(jù)Data(0或1)。
    傳送每幀的數(shù)據(jù)，都會占用這32個時隙(Slot)的長度。其中，前31個時隙(Slot)為數(shù)據(jù)時隙，可以根據(jù)實際需要靈活配置時隙的個數(shù)，最大配置為31個時隙(Slot)；第32個時隙(Slot)是校驗和，根據(jù)前面的數(shù)據(jù)產(chǎn)生的。

2 校驗
    MACH 2控制系統(tǒng)進(jìn)行TDM通信時，每幀都有校驗，位于這一幀的最后一個時隙(Slot)。校驗碼是根據(jù)每幀前面31個時隙(Slot)的信息產(chǎn)生，為32 b的長度。具體校驗方法如下所示：
    TDM通信每幀為32個通道，如圖4所示，每個通道上傳輸32 b的信息。

    校驗的具體過程如下所示：
    (1)A1=數(shù)據(jù)Slot 1左循環(huán)移1位+1；
    (2)A2=數(shù)據(jù)Slot 2左循環(huán)移2位+2；
    (3)A3=數(shù)據(jù)Slot 3左循環(huán)移3位+3；
     … …
    (30)A30=數(shù)據(jù)Slot 30左循環(huán)移30位+30；
    (31)A31=數(shù)據(jù)Slot 31左循環(huán)移31位+31；
    (32)B=A1+A2+A3+…+A30+A31；
    (33)Checksum=B+C。
    最后，將B的值加上一個隨機(jī)數(shù)C(例如：0x12345678，自己可以定義個數(shù))后得到的值即為校驗碼和Checksum的值。注意在移位求和的過程中，采用循環(huán)移位的方法，也就是如果移位有溢出，把溢出的值放在最低位再進(jìn)行求和運(yùn)算，并沒有把溢出的值給扔掉。
    如果經(jīng)計算后得到的Checksum的值為全“1”，即：0xFFFFFFFF或者全“0”，即：0x00000000的形式，那么最終的Checksum的值要經(jīng)過處理，這里可以根據(jù)需要自己定義兩個數(shù)(例如：0xAABBCCDD，0x5a6b7c8d)，這兩種情況可以用作特殊的用途。

3 TDM通信在柔性直流輸電中的應(yīng)用
    柔性直流輸電技術(shù)是基于電壓源換流器(VSC)的新一代直流輸電技術(shù)，通過控制IGBT的通斷來實現(xiàn)子模塊投切狀態(tài)的切換。由于子模塊的數(shù)量比較多(一個橋臂為384個子模塊)，需要向閥控系統(tǒng)上傳每個子模塊的電容電壓和狀態(tài)信息，這些數(shù)據(jù)量比較大，并且對控制周期有嚴(yán)格的要求，所以采用TDM這種通信方式可以提高傳輸速率，改善通信質(zhì)量。
    圖5為柔性直流輸電閥控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可以看出，閥控系統(tǒng)主要有三部分組成：閥控制機(jī)箱、橋臂控制機(jī)箱和子模塊接口單元。閥控制機(jī)箱是閥控系統(tǒng)的核心單元，負(fù)責(zé)對閥控6個橋臂的協(xié)調(diào)控制，接收極控下發(fā)的控制指令，上傳閥控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息、報警、跳閘信息。采用100M光纖高速傳輸，能夠快速上傳控制保護(hù)信息，完成對閥控保護(hù)的功能。

    橋臂控制機(jī)箱是連接子模塊接口單元與閥控制機(jī)箱的樞紐，它最多可以連接24個子模塊接口單元，主要完成子模塊電容電壓排序，故障檢測的功能；通過一收一發(fā)光纖，實現(xiàn)子模塊狀態(tài)信息的上傳和控制命令的下發(fā)。

4 測試波形
    在MACH 2控制系統(tǒng)上，置位4個通道的數(shù)據(jù)，借助于示波器，在測控機(jī)箱上測試Frame svnc，Clock，Data這三個信號。測試波形分別如圖6，圖7所示。

    通過示波器觀察，在測控機(jī)箱上測得Frame svnc，Clock，Data這三個信號。在這里只給了4個通道數(shù)據(jù)，圖6所示的是相鄰兩幀的數(shù)據(jù)，這4個通道的數(shù)據(jù)依次為0，+1，-1，+1。圖7所示的是校驗碼的信息，它位于每幀的最后一個Slot，長度為32 b信息。經(jīng)過測試，證明TDM這種通信方式傳輸數(shù)據(jù)的正確性以及可靠性。

5 結(jié)語
    TDM作為一種新興的傳輸技術(shù)，按照預(yù)先指定的時間間隙，遵從固定的數(shù)據(jù)格式對信息進(jìn)行傳輸。就某一時刻而言，通道上傳送的僅是一路信號而不是多路復(fù)用信號；就某一時間段而言，通道上傳送的是多路復(fù)用信號，也就是時分復(fù)用。TDM通信能夠提供豐富的數(shù)據(jù)采集、處理方式，提高了通信系統(tǒng)通道的利用率和時效性，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化的通信領(lǐng)域。