根據軟件編碼的中速紅外技術在FTU中的應用

根據軟件編碼的中速紅外技術在FTU中的應用

概 述  

饋線自動化終端(FTU)是自動化系統(tǒng)與一次設備聯(lián)結的接口，主要用于配電系統(tǒng)變壓器、斷路器、重合器、分段器、柱上負荷開關等應用場合，主要安裝于戶外柱上或環(huán)網柜。由于設備和電力一次設備安裝距離比較近，特別是柱上安裝模式給應用程序更新、設備調試、運行參數整定和維護帶來困難，傳統(tǒng)的經過串口進行調試和維護的方式需要直接接觸，往往還需要設備掉電，存在安全隱患，接線很不方便，而非接觸式維護調試接口將解決上述問題。和藍牙等一些短距離無線通訊相比，紅外數據通訊成本低，設計簡單保密性好。紅外通訊是一種短距離無線通訊技術，采用點對點傳輸方式，傳輸距離為0～30 m，發(fā)射角度為30°錐角以內，最高傳輸速率達16 Mb／s。中速紅外數據通訊產品，具有成本低廉、連接方便、簡單易用、結構緊湊、傳輸距離遠和傳輸速率快等特點，非常適合作為FTU調試接口，很好地解決了FTU的參數設置和維護等困難。

1 常用的紅外數據傳輸規(guī)范

1.1 IrDA協(xié)議的紅外數據傳輸

IrDA 1.0協(xié)議基于異步收發(fā)器UART，最高通信速率在115.2 Kb／s。IrDA 1.1協(xié)議提高通信速率到4 Mb／s，之后，IrDA又推出了最高通信速率在16 Mb／s的協(xié)議。使用IrDA協(xié)議的高速傳輸紅外收發(fā)器，傳輸距離比較近，只有幾十厘米，而且角度很窄，而FTU一般安裝在柱上，距地面距離5～6 m，這種方法使現場對準光軸很困難，傳輸距離遠不能滿足要求。而且陽光中的紅外波段會對紅外收發(fā)器的靈敏度產生很大影響，并且?guī)碓S多干擾。

1.2 紅外遙控用數據傳輸

遙控用的收發(fā)器傳輸距離在幾米到幾十米，發(fā)射角度通常在0～30°，發(fā)射強度與接收靈敏度因不同器件不同應用設計而強弱不一，在小型移動設備中有著廣泛的應用。標準的紅外遙控用波長為900～950 nm，副載波為33～40 kHz。但遙控用的紅外收發(fā)器的數據傳輸速率很低，通常只傳輸簡單的命令或讀取設備狀態(tài)等少量數據，對FTU來說其調試接口可能需要觀察設備內部數據或更新程序，需要傳輸的數據量大，如果速率很低，會導致性能無法接受。

2 系統(tǒng)設計方案

FTU安裝在戶外柱上，距離較長，數據速率要求，高干擾，因此采用Vishay中速紅外收發(fā)器，利用CPLD／FPGA實現紅外調制和數據波形識別，通過軟件實現應用層的編碼和解碼，既降低硬件設計難度又提高了電路的抗干擾能力。

整個系統(tǒng)分為主機側紅外適配器和FTU側收發(fā)器，主機側適配器通過RS 232和計算機相連經USB接口為適配器供電，通過FTU維護軟件經適配器向外收發(fā)數據，FTU經紅外收發(fā)器接收來自主機的命令和數據，并向主機發(fā)送主機需要的數據報。FTU是基于A1tera NiosⅡ的SoPC系統(tǒng)，紅外收發(fā)器的信號通過UART和處理器Nios相連接。

2.1 FTU側紅外適配器

FTU側的收發(fā)電路包括一個接收器和兩個紅外發(fā)射管，將紅外收發(fā)器的信號ITXD和IRXD直接接到FPGA的兩個I／O腳上即可，框圖如圖1所示。



圖1中虛線框內的部件由FPGA實現，在Nios處理器的總線上掛接一個UART控制器，UART輸出TXD信號經過紅外調制器和連接到紅外發(fā)射管的驅動電路，來自紅外接收管的信號經整形后送到脈寬檢測器進行解碼，脈寬檢測器的解碼輸出連接到UART的RXD，同時由復位檢出組件檢出復位信號連接到Nios的控制總線來控制系統(tǒng)重啟。

2.2 主機側電路

主機側紅外適配器電路如圖2所示，其中紅外收發(fā)器信號經過CPLD和經MAX232再接入主機的串行接口。通過串口供電可以簡化外部接線，但由于本設計的傳輸距離遠，傳輸速率高，所以功耗要求高，串口不能提供穩(wěn)定的輸出。所以適配器從主機的USB接口接入5 V工作電源，晶振Z103提供給CPLD做紅外物理層編碼時鐘和接收信號識別用。


圖2中R22和C742構成上電復位，D306和J1構成主機側RS 232接口，紅外發(fā)射管由D1，D2串接組成，增強發(fā)射功率和靈敏度。Q1為紅外接收管，D301為CPLDXC9536。主機側由CPLD完成紅外發(fā)射的載波生成和調制及接收信號的脈寬檢測和復位命令產生。

2.3  收發(fā)器組件

紅外發(fā)射管采用Vishay公司的TSHF5400，TSHF5400是一個高速砷化鎵紅外發(fā)射管，調制帶寬可達10 MHz，在電流If=100 mA時tr=30 ns，tf=30 ns，光角φ=±22°，峰值波長為870 nm，工作環(huán)境溫度-40～+100℃，非常適合在戶外運行。

紅外接收采用Vishay的高速接收管TSOP7000，如圖3所示，可以工作在455 kHz，和870 nm的紅外發(fā)射管TSHF5400配對使用時，在If=300 mA時傳輸距離可達20 m。


3 物理層調制和寬度鑒別

文獻[8]給出了幾種常用的應用層傳輸規(guī)范，但不能滿足現場安全性和強干擾下中速傳輸的可靠性要求，所以需要對傳輸的信號進行編碼傳輸，并在無數據傳輸時關閉收發(fā)器。傳輸采用曼切斯特編碼，所以在碼流中除了起始符和結束符采用違規(guī)編碼外不存在連0碼和連1碼。接收部件的寬度檢測單元對編碼字段的碼流進行檢測，三個以上的連0碼和連1碼均判為誤碼。

3.1 紅外調制輸出

紅外收發(fā)器的物理層發(fā)送信號調制和接收信號檢測由VHDL實現，把主時鐘分頻得到455 kHz的數據載波，通過發(fā)送信號TXD控制數據載波的有無實現數據發(fā)送。若當前傳輸信號TXD為0則輸出一串數據載波，否則關閉輸出。為了減少紅外發(fā)射管的功耗，控制數據載波的占空比為30％。

3.2 紅外接收控制

紅外傳輸為半雙工方式ASK調制方式，在發(fā)射管發(fā)送邏輯0時關閉接收回路，避免發(fā)射管對接收電路的影響。FTU安裝的環(huán)境決定了其強干擾，而短的突發(fā)幀被干擾命中的幾率相對較低。本文在接收方增加兩個控制字符和一個信號．檢測部件，僅在檢測到9-bit0時允許接收，在接收到8-bit0時關閉接收部件，這兩個字符分別對應0x0和0x80，通過應用層對數據進行編碼和解碼實現。

3.3 紅外復位信號發(fā)送和接收

FTU在更新應用程序和改變特定的運行參數時需要重啟系統(tǒng)，通過在FTU側的紅外接收接口中的復位脈沖檢出組件和主機側的紅外發(fā)送接口中復位脈沖產生組件相配合，完成主機對FTU的復位控制。

主機需要復位FTU時，只需要通過主機側接口軟件在RS 232接口的RTS線上產生一個邏輯l到邏輯0的跳變，CPLD檢測到該跳變后產生50 ms的連續(xù)調制輸出。由于正常的編碼發(fā)送中沒有連續(xù)50 ms的低電平，干擾信號也不會產生連續(xù)的電平，所以接收方的復位檢測組件在檢測到紅外接收管連續(xù)輸出50 ms低電平后即可產生系統(tǒng)復位信號，完成FTU的重新啟動，整個復位邏輯不依賴應用軟件，可用于緊急情況下系統(tǒng)重啟。

4 軟件編碼與解碼

4.1  幀格式

本文采取了短突發(fā)幀物理層的幀結構如表1所示，包含起始符0x0和結束符0x80不編碼，碼字的連0特性分別用來啟動紅外接收器和關閉紅外接收器。起始符和結束符由發(fā)送方的驅動程序添加，接收方的脈寬檢測單元自動去除。編碼字段用來傳輸用戶數據，一個用戶數據報文可以分成多個物理層突發(fā)幀，發(fā)送方驅動程序根據鏈路特征將用戶數據報拆分，接收方負責重組。


本文所采用的用戶數據報文格式如表2所示，采用字符同步方式，包含AA55EB90H四個字節(jié)的幀頭、1 B的目標地址和2 B的幀長(整個編碼字段的字節(jié)長度)、NB的數據以及2 B CRC校驗，這部分數據需要驅動程序進行軟件差分編碼和解碼。編碼后實際發(fā)送的數據為幀長的兩倍。

4.2 紅外數據編碼發(fā)送

通過對應用層數據按曼切斯特編碼規(guī)則進行編碼，保證應用數據不出現連0和連1。按下面的算法生成編碼查找表：
   
(1)循環(huán)變量置0，編碼結果值置0；
   
(2)取數據位7，若為1，則編碼成10；否則編碼成01；
   
(3)數據左移1位，編碼結果值左移2位，循環(huán)變量加1；

(4)若循環(huán)變量為7，則退出；否則，轉步驟(2)繼續(xù)編碼。

在這張表中，0被編碼成0x5555，0xff編碼成0xaaaa等。由于待編碼的數據總是介于0～255之間，所以通過下面的查找表可以實現應用層編碼。


發(fā)送時把待發(fā)送的字符作為數組索引，依次查找上面的數組就可以得到編碼輸出。

4.3 紅外數據解碼接收

參照編碼算法，發(fā)送方1 b被編碼成2 b，而在接收方，每2 b則被解釋成一個bit，由于接收方接收到的8 b字符也位于0～255之中，對應解碼后的4 b，16 b構成一個8 b字符。按下述方法生成解碼數組：

(1)循環(huán)變量置0，解碼結果值置0；

(2)取數據位D7，D6，若為10則將解碼結果值加1；若為01則將解碼結果置于0xfe，否則視為誤碼將解碼結果值加80退出；

(3)數據左移2位，解碼結果值左移1位，循環(huán)變量加1；

(4)若循環(huán)變量為3則退出，否則轉步驟(2)繼續(xù)編碼。

十六進制解碼對照表如表3所示，如輸入55，解碼值為0，輸入99解碼值為a，對應其他輸入解碼輸出為0x80即誤碼。 
 


4.4  幀接收和幀同步

由于一個應用幀會被分成多個物理層幀，而且采用差分編碼發(fā)送，一個字符被分成兩個字符，所以解碼時幀同步很重要，否則無法重新恢復原始數據。本文把同步頭作為一個整體，則根據編碼算法，序列0xAA55EB90編碼成序列0x99998666a99a9655，接收程序接收到序列0x99996666a99a9655立即同步幀接收計數器。按表2所述的應用層數據報文格式，幀同步點對應接收計數器為8。

接收到幀同步序列后就可以處理數據接收，由兩個半字符合成一個應用層字符。當接收計數器為偶數時，根據解碼輸出可以獲得一個字符的低4位；接收計數器為奇數時，獲得一個字符的高4位。

如根據接收計數器為8和9時獲得目標地址字段，接收計數器為10和11時獲得幀長的低字節(jié)，接收計數器為12和13時獲得幀長的高字節(jié)，依次類推接收所有應用層數據，整個幀同步和解碼過程如圖4所示。

4.5  差錯控制

本文綜合使用了寬度檢測、編碼違規(guī)檢測和幀校驗三種手段進行接收幀校驗。幀校驗采用16位的CRC校驗，其生成多項式為G(x)=x16+x15+x2+1，校驗出錯的幀被丟棄，并由主機側控制超時重發(fā)。通過這種機制識別錯誤報文，強干擾時仍然能夠保證邏輯鏈路的可靠性。

報文發(fā)送方在發(fā)送之前先計算報文CRC校驗碼并附加在報文的幀校驗字段，然后啟動編碼程序編碼并發(fā)送當前數據報。接收方程序在排除違規(guī)編碼錯誤和CRC錯誤后才將收到的數據包提交到應用層接收處理程序，如圖4所示。


5 系統(tǒng)軟件設計  

整個系統(tǒng)的邏輯采用VHDL描述語言，CPLD設計采用Xilinx ISE進行邏輯綜合和調試，FTU側采用Altera SoPC Buitder構建Nios系統(tǒng)，并在QuartusⅡ環(huán)境下完成邏輯設計和仿真調試。FTU應用軟件則采用C語言，在Nios IDE環(huán)境下完成編碼和調試，主機側的軟件采用Visual Basic 6.0完成控制臺軟件編碼和調試。通過這些開發(fā)工具的相互配合完成整個項目的編碼和調試。

6 結  語

由于FTU多安裝在戶外柱上和環(huán)網柜，傳輸距離長，收發(fā)器對準困難，背景光很強，必須考慮可見光和日光的干擾。針對這種應用場合，應從以下幾個方面考慮靈敏度和抗干擾的問題：

(1)采用廣角的紅外接收管，發(fā)射管則采取多個串聯(lián)，適當增加驅動電流來兼顧靈敏度和功耗，收發(fā)器對準困難；

(2)采用短突發(fā)幀，減少數據幀被干擾命中的機率；

(3)本地發(fā)送數據時關閉接收器，應用程序在發(fā)送時不處理接收的數據，同時考慮收發(fā)轉換的時機；

(4)采用本文所述的發(fā)送端編碼和接收段進行寬度檢測的方法，僅在收到啟動字符時打開接收部件，收到結束字符時關閉接收，減少接收窗口；

(5)數據段采取差分編碼和幀校驗相結合以及出錯重發(fā)等差錯控制機制，配合軟件有效濾除出錯報文，使得鏈路抗干擾性能進一步加強；

(6)對戶外應用，設計還要考慮背景光、電磁干擾、濕度和溫度對收發(fā)器的影響。

按上述介紹設計的中速紅外收發(fā)器電路和軟件已成功應用在我公司DMP2000配電自動化系統(tǒng)的FTU中和DMP5000數字化變電站的智能采集終端，現場運行三年，穩(wěn)定可靠。在中午陽光直射條件下傳輸距離可達5 m以上，晚上可以達到20 m，數據碼元速率為38 400 b／s，考慮差分編碼因素實際數據傳輸速率為19 200 b／s，鏈路檢錯和抗干擾能力很強，極大地方便了FTU現場維護和參數整定。