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)是自動化系統與一次設備聯結的接口，主要用于配電系統變壓器、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范

1.1 IrDA協議的紅外數據傳輸

IrDA 1.0協議基于異步收發器UART，最高通信速率在115.2 Kb／s。IrDA 1.1協議提高通信速率到4 Mb／s，之后，IrDA又推出了最高通信速率在16 Mb／s的協議。使用IrDA協議的高速傳輸紅外收發器，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器的靈敏度產生很大影響，并且帶來許多干擾。

1.2 紅外遙控用數據傳輸

遙控用的收發器傳輸距離在幾米到幾十米，發射角度通常在0～30°，發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。

整個系統分為主機側紅外適配器和FTU側收發器，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數據，FTU經紅外收發器接收來自主機的命令和數據，并向主機發送主機需要的數據報。FTU是基于A1tera NiosⅡ的SoPC系統，紅外收發器的信號通過UART和處理器Nios相連接。

2.1 FTU側紅外適配器

FTU側的收發電路包括一個接收器和兩個紅外發射管，將紅外收發器的信號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，紅外發射管由D1，D2串接組成，增強發射功率和靈敏度。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? 收發器組件

紅外發射管采用Vishay公司的TSHF5400，TSHF5400是一個高速砷化鎵紅外發射管，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

紅外收發器的物理層發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，通過發送信號TXD控制數據載波的有無實現數據發送。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，在發射管發送邏輯0時關閉接收回路，避免發射管對接收電路的影響。FTU安裝的環境決定了其強干擾，而短的突發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，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的連續調制輸出。由于正常的編碼發送中沒有連續50 ms的低電平，干擾信號也不會產生連續的電平，所以接收方的復位檢測組件在檢測到紅外接收管連續輸出50 ms低電平后即可產生系統復位信號，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重啟。

4 軟件編碼與解碼

4.1? 幀格式

本文采取了短突發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幀，發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。編碼后實際發送的數據為幀長的兩倍。

4.2 紅外數據編碼發送

通過對應用層數據按曼切斯特編碼規則進行編碼，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：
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(1)循環變量置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，循環變量加1；

(4)若循環變量為7，則退出；否則，轉步驟(2)繼續編碼。

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。


發送時把待發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，循環變量加1；

(4)若循環變量為3則退出，否則轉步驟(2)繼續編碼。

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，接收計數器為12和13時獲得幀長的高字節，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。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。

報文發送方在發送之前先計算報文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送當前數據報。接收方程序在排除違規編碼錯誤和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?系統軟件設計??

整個系統的邏輯采用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，并在QuartusⅡ環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網柜，傳輸距離長，收發器對準困難，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，發射管則采取多個串聯，適當增加驅動電流來兼顧靈敏度和功耗，收發器對準困難；

(2)采用短突發幀，減少數據幀被干擾命中的機率；

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

(4)采用本文所述的發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、濕度和溫度對收發器的影響。

按上述介紹設計的中速紅外收發器電路和軟件已成功應用在我公司DMP2000配電自動化系統的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。