基于FPGA的OPTODYN通信協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳述超，劉威鵬，魏民權(quán)，張寶華，周 琦

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

目前，直流輸電工程［1-2］主要應(yīng)用光測量系統(tǒng)測量直流電壓和電流信號，采用混合式或光纖式的測量和傳感技術(shù)。光測量系統(tǒng)［3-4］由承擔(dān)傳感和絕緣作用的室外高壓一次部分與承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸作用的室內(nèi)二次部分組成。

混合式光測量系統(tǒng)發(fā)展較早，技術(shù)成熟，以西門子和ABB的產(chǎn)品為主，在2012年前，其應(yīng)用和裝備數(shù)量占多數(shù)。例如±660 kV寧東工程、±500 kV貴廣1回和貴廣2回工程、±800kV云廣和糯扎渡特高壓工程等［5］。南方電網(wǎng)工程中大量采用西門子的互感器［6-7］和配套的二次采集設(shè)備，由西門子負(fù)責(zé)光測量系統(tǒng)中二次設(shè)備的生產(chǎn)、調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。故障產(chǎn)品需要返回西門子維修，存在維修費(fèi)用高、周期長、無故障原因說明等問題，導(dǎo)致無法分析、定位和查明直流系統(tǒng)停機(jī)的故障點(diǎn)和原因。因此，光測量系統(tǒng)二次設(shè)備的備品備件的持續(xù)供應(yīng)保障和檢修維護(hù)，以及二次設(shè)備改造和相關(guān)聯(lián)的控制保護(hù)設(shè)備的改造，受到國外廠商和技術(shù)的限制，給后續(xù)工程維護(hù)帶來困難。

隨著工程運(yùn)行時間增加，光測量系統(tǒng)的二次設(shè)備逐漸老化，工程故障率呈增長趨勢，光測量系統(tǒng)二次設(shè)備的故障率和維護(hù)工作量也在逐漸增加，部分設(shè)備由于不能滿足設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)需要更換，這些情況和產(chǎn)生的潛在問題都給工程運(yùn)行帶來安全隱患。部分產(chǎn)品因采用的元器件已經(jīng)沒有廠商提供，導(dǎo)致備品備件無法持續(xù)供應(yīng)，工程檢修維護(hù)無法得到保障，只能采用大量儲備備件的辦法暫時解決困難。但是大量備件不僅占壓資金，備件的性能也會在儲備和保存的過程中降低，不是最好的解決方案。

研究光測量系統(tǒng)二次設(shè)備的替代技術(shù)和產(chǎn)品是針對西門子混合式光測量系統(tǒng)維護(hù)、改造的最好選擇。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，更多新技術(shù)可以應(yīng)用到替代品的研制，更能滿足直流測量系統(tǒng)和控制保護(hù)系統(tǒng)的性能要求。

1 直流測量系統(tǒng)組成與協(xié)議

西門子的直流測量系統(tǒng)（Hybrid Optical Measuring Equipment，簡稱 HOM）包括兩大部分［8-9］，遠(yuǎn)端采集模塊OPTODYN（以下簡稱OPTODYN）和數(shù)據(jù)采集處理裝置SIMADYN D或TDC（以下簡稱處理裝置）。OPTODYN應(yīng)用在高壓測量系統(tǒng)的高壓側(cè)，處理裝置放置在控制保護(hù)室。OPTODYN是光測量系統(tǒng)中唯一位于直流開關(guān)場的電子部分。兩部分的連接采用光纖通信方式，無電氣接觸。OPTODYN和處理裝置的光發(fā)送和光接收部分如圖1所示。

圖1 光通信系統(tǒng)示意

處理裝置中的激光能量單元發(fā)送合適功率激光到OPTODYN，為OPTODYN的正常工作提供電能。激光能量單元還具有一定的自檢功能，可以檢測激光管的工作電流，并及時發(fā)出告警信息，保證系統(tǒng)的正常安全運(yùn)行。OPTODYN送采樣數(shù)據(jù)到采集單元，經(jīng)數(shù)據(jù)提取、校驗(yàn)、緩沖、轉(zhuǎn)換等處理后送數(shù)據(jù)處理單元，按照工程應(yīng)用的要求進(jìn)一步處理后即可使用。

HOM系統(tǒng)的通信協(xié)議是一種自定義的通信協(xié)議，圖2是該通信協(xié)議的時序圖。協(xié)議從起始位開始，起始位后有若干個空閑位，空閑位為備用數(shù)據(jù)位，然后是12位數(shù)據(jù)位，MSB在前，LSB在后，最后是空閑位和校驗(yàn)位。

2 樣機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

仿真樣機(jī)的硬件主要包括AD采樣回路、激光能量接收及轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送回路和協(xié)議實(shí)現(xiàn)模塊FPGA等；樣機(jī)硬件還具有其他輔助功能，如測溫回路和復(fù)位電路等。樣機(jī)硬件原理如圖3所示。AD采樣回路負(fù)責(zé)接收外部模擬信號，濾波后傳送給AD采樣芯片，完成AD采樣；激光能量接收及轉(zhuǎn)換模塊為整個硬件回路提供電能和同步信號；FPGA負(fù)責(zé)AD采樣的啟動及數(shù)據(jù)接收、協(xié)議實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)的輸出；數(shù)據(jù)發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)的光電轉(zhuǎn)換。

圖2 HOM系統(tǒng)通信協(xié)議時序

仿真樣機(jī)的硬件選用的是基于Xilinx Spartan6系列 FPGA，所用芯片為 XC6LX45。Spartan6是Xilinx提供的面向成本優(yōu)化的FPGA器件，可提供各種業(yè)界領(lǐng)先的連接特性，如小型封裝以及高邏輯引腳比、MicroBlazeTM軟處理器、800 Mb／s DDR3 支持以及各種多樣化支持性 I／O協(xié)議等。器件采用45 nm技術(shù)構(gòu)建，器件系列提供一種新的更高效的雙寄存器查找表（LUT）結(jié)構(gòu)，片內(nèi)集成SDRAM控制器、第二代DSP48A1單元等硬核。器件功耗降低，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性省電模式，支持快速喚醒功能的掛起模式可保持配置和狀態(tài)，從而可將靜態(tài)功耗降低20%～30%，睡眠節(jié)電模式支持零功耗。為最大化性能，同時盡可能減少功耗和芯片使用，Spartan-6器件采用較高的DSP48A1 Slice與通用邏輯比，以便在數(shù)學(xué)運(yùn)算量較大的情況下使用。 DSP48A1 Slice支持眾多獨(dú)立功能，包括乘法器、乘法累加器（MACC）、預(yù)加法器/減法器＋乘法累加器、乘法器＋加法器、寬總線多路復(fù)用器以及寬計(jì)數(shù)器?？蓪⒍鄠€DSP48A1 Slice連在一起，以實(shí)現(xiàn)寬數(shù)學(xué)函數(shù)、DSP運(yùn)算、濾波器以及復(fù)雜運(yùn)算，而且不會浪費(fèi)任何通用FPGA邏輯。

圖3 樣機(jī)硬件原理

2.2 FPGA程序設(shè)計(jì)

程序功能如圖4所示，主要有數(shù)據(jù)處理與發(fā)送模塊、AD采樣模塊以及測溫模塊等，其中測溫模塊是考慮利用原數(shù)據(jù)協(xié)議中的空閑位而增加的功能，用于驗(yàn)證OPTODYN的工作環(huán)境，為進(jìn)一步提高工作可靠性提供預(yù)研。AD采樣模塊實(shí)現(xiàn)控制一次側(cè)互感器采樣的功能，包括發(fā)出啟動采樣命令、讀取采樣數(shù)據(jù)等；測溫模塊實(shí)現(xiàn)溫度檢測功能，發(fā)出溫度檢測命令并接收溫度數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理與發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)對測溫?cái)?shù)據(jù)、電壓檢測數(shù)據(jù)和AD采樣數(shù)據(jù)的接收并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼并發(fā)送數(shù)據(jù)到下位機(jī)。

2.3 基于狀態(tài)機(jī)的數(shù)據(jù)處理與發(fā)送程序設(shè)計(jì)

使用狀態(tài)機(jī)原理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理與發(fā)送。數(shù)據(jù)的處理與發(fā)送模塊負(fù)責(zé)所有模塊的時序及跳轉(zhuǎn)的控制，由一個5狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖5所示。

圖4 程序功能

Idle為空閑狀態(tài)時，檢測狀態(tài)機(jī)的使能信號SYNC是否為高電平，當(dāng)SYNC有效時，進(jìn)入數(shù)據(jù)采樣及發(fā)送操作時序狀態(tài)。在CLK時鐘上升沿的控制下，由IDLE狀態(tài)依次進(jìn)入S1、S2、S3、S4狀態(tài)。在S1狀態(tài)時，數(shù)據(jù)處理和發(fā)送模塊輸出控制時鐘CSN輸出低電平，CNV輸出高電平，SC輸出時鐘信號；在S2狀態(tài)時，數(shù)據(jù)處理和發(fā)送模塊CSN和SC輸出保持，發(fā)送報(bào)文頭；在S3狀態(tài)時，數(shù)據(jù)處理和發(fā)送模塊CSN和SC輸出保持，SCK輸出時鐘信號，接收AD采樣數(shù)據(jù)；在S4狀態(tài)時，CSN和SC輸出中止，SCK輸出時鐘信號，數(shù)據(jù)處理和發(fā)送模塊校驗(yàn)AD采樣數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成時，數(shù)據(jù)處理和發(fā)送模塊有效輸出結(jié)束。有限狀態(tài)機(jī)回到IDLE狀態(tài)，操作時序結(jié)束。

3 仿真驗(yàn)證

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，采用Xilinx公司的ISE14.6軟件對其進(jìn)行VHDL編程設(shè)計(jì)，并在modelsim10.1軟件中進(jìn)行時序仿真和編程實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)發(fā)送操作時序驗(yàn)證如圖6所示。當(dāng)數(shù)據(jù)處理時鐘SYNC啟動時，CNV產(chǎn)生一個啟動信號，程序啟動AD采樣模塊，并發(fā)送通信起始位，起始位完成后發(fā)送空閑位，若干個空閑位后發(fā)送AD數(shù)據(jù)起始位及數(shù)據(jù)頭；同時啟動AD采樣時鐘，獲取AD采樣數(shù)據(jù)，并開始發(fā)送AD采樣數(shù)據(jù)；有效數(shù)據(jù)發(fā)送完成后發(fā)送空閑位和校驗(yàn)位，所有數(shù)據(jù)發(fā)送完成后結(jié)束本周期的工作。下一個數(shù)據(jù)處理時鐘SYNC到來時啟動下一個循環(huán)周期。

在ISE14.6中完成該模塊的綜合，生成可執(zhí)行文件，下載到仿真樣機(jī)上進(jìn)行驗(yàn)證。測試在國產(chǎn)化的SIMADYN D設(shè)備和自主開發(fā)完成仿真樣機(jī)上完成驗(yàn)證，并在處理裝置中測量得到通信數(shù)據(jù)的波形如圖7所示。圖中通道1為同步信號SYNC，通道2為DTS信號。

圖7 OPTODYN仿真樣機(jī)輸出數(shù)據(jù)錄波

將圖7的通道1、通道2分別與圖6的SYNC和DTS信號做比較可得，利用FPGA為主要元件開發(fā)的仿真樣機(jī)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，完成了OPTODYN通信協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。仿真樣機(jī)可以代替OPTODYN與SIMADYN D設(shè)備的正常通信，滿足產(chǎn)品調(diào)試以及備品備件功能和性能測試的需求，緩解工程運(yùn)維的壓力，為進(jìn)一步開展OPTODYN的替代研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

基于FPGA設(shè)計(jì)仿真樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了OPTODYN通信協(xié)議，經(jīng)仿真測試和調(diào)試驗(yàn)證滿足應(yīng)用需求。本設(shè)計(jì)已在試驗(yàn)設(shè)備中使用，運(yùn)行穩(wěn)定，驗(yàn)證了FPGA有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)OPTODYN通信協(xié)議設(shè)計(jì)的正確性和可行性?；贔PGA開發(fā)的通信協(xié)議功能具有通信數(shù)據(jù)和報(bào)文格式可靈活定義及擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。該模塊結(jié)構(gòu)簡單，可根據(jù)新的需求進(jìn)行修改需求實(shí)現(xiàn)自主化的通信協(xié)議，增加溫度等各種監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，不僅具有較強(qiáng)的可移植性，還提高了產(chǎn)品的可靠性。