摘 要:設(shè)計一種用于FTU和主機之間的紅外調(diào)試接口，通過對比分析常用紅外技術(shù)和FTU維護接口的特點，提出利用中速紅外收發(fā)器實現(xiàn)的接口方案。系統(tǒng)由主機側(cè)控制軟件、紅外適配器和FTU紅外接口軟件組成，給出基于軟件差分編碼解碼和硬件脈寬檢測的抗干擾傳輸方法及硬件電路實現(xiàn)，最后闡述了紅外數(shù)據(jù)傳輸幀格式和幀同步的方法及戶外設(shè)計注意事項。系統(tǒng)VHDL和C語言完成設(shè)計，測試和現(xiàn)場運行表明系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)完全達(dá)到性能可靠。

關(guān)鍵詞:紅外數(shù)據(jù)傳輸;紅外檢測;編/解碼;FTU;SoPC

中圖分類號:TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)03-200-05

Application of Medium Speed Infrared Technique with Software Codec in FTU

PANG Jiyao

(Nanjing Paneng Electric Power Technology Co.Ltd.，Nanjing，210036，China)

Abstract:Infrared debug interface between host and FTU is introduced，after analyzing the general infrared specification and characteristics of FTU，a scheme which uses medium speed infrared device is designed.This system consists of host side console，infrared adapter and FTU application software.Because of interfere and EMI in the field，Manchester codec based on software and pulse width detection and modulate circuit of interface are designed.And then the frame format of data transfer and frame synchronize technique is analysed.At last，frame synchronization of infrared data transmission and outdoor design considerations are proposed.This system is coded with C VHDL language，tested and verified by means of simulation and oscilloscope.The field application proves the expected timing goals and performance has achieved perfectly.

Keywords:infrared transfer;infrared detection;codec;FTU;SOPC

0 引 言

饋線自動化終端(FTU)是自動化系統(tǒng)與一次設(shè)備聯(lián)結(jié)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(fù)荷開關(guān)等應(yīng)用場合，主要安裝于戶外柱上或環(huán)網(wǎng)柜。由于設(shè)備和電力一次設(shè)備安裝距離比較近，特別是柱上安裝模式給應(yīng)用程序更新、設(shè)備調(diào)試、運行參數(shù)整定和維護帶來困難，傳統(tǒng)的經(jīng)過串口進行調(diào)試和維護的方式需要直接接觸，往往還需要設(shè)備掉電，存在安全隱患，接線很不方便，而非接觸式維護調(diào)試接口將解決上述問題。和藍(lán)牙等一些短距離無線通訊相比[1]，紅外數(shù)據(jù)通訊成本低，設(shè)計簡單保密性好。紅外通訊是一種短距離無線通訊技術(shù)，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(nèi)，最高傳輸速率達(dá)16 Mb/s。中速紅外數(shù)據(jù)通訊產(chǎn)品，具有成本低廉、連接方便、簡單易用、結(jié)構(gòu)緊湊、傳輸距離遠(yuǎn)和傳輸速率快等特點，非常適合作為FTU調(diào)試接口，很好地解決了FTU的參數(shù)設(shè)置和維護等困難。

1 常用的紅外數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范

1.1 IrDA協(xié)議的紅外數(shù)據(jù)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(xiàn)場對準(zhǔn)光軸很困難，傳輸距離遠(yuǎn)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(chǎn)生很大影響，并且?guī)碓S多干擾。

1.2 紅外遙控用數(shù)據(jù)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(yīng)用設(shè)計而強弱不一，在小型移動設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用[2]。標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)傳輸速率很低[3]，通常只傳輸簡單的命令或讀取設(shè)備狀態(tài)等少量數(shù)據(jù)，對FTU來說其調(diào)試接口可能需要觀察設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)或更新程序，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，如果速率很低，會導(dǎo)致性能無法接受。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

FTU安裝在戶外柱上，距離較長，數(shù)據(jù)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(xiàn)紅外調(diào)制和數(shù)據(jù)波形識別，通過軟件實現(xiàn)應(yīng)用層的編碼和解碼，既降低硬件設(shè)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(cè)紅外適配器和FTU側(cè)收發(fā)器，主機側(cè)適配器通過RS 232和計算機相連經(jīng)USB接口為適配器供電，通過FTU維護軟件經(jīng)適配器向外收發(fā)數(shù)據(jù)，F(xiàn)TU經(jīng)紅外收發(fā)器接收來自主機的命令和數(shù)據(jù)，并向主機發(fā)送主機需要的數(shù)據(jù)報。FTU是基于Altera Nios Ⅱ的SoPC[4]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(cè)紅外適配器

FTU側(cè)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 FTU側(cè)紅外收發(fā)器框圖

圖1中虛線框內(nèi)的部件由FPGA實現(xiàn)，在Nios處理器的總線上掛接一個UART控制器，UART輸出TXD信號經(jīng)過紅外調(diào)制器和連接到紅外發(fā)射管的驅(qū)動電路，來自紅外接收管的信號經(jīng)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(fù)位檢出組件檢出復(fù)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(cè)電路

主機側(cè)紅外適配器電路如圖2所示，其中紅外收發(fā)器信號經(jīng)過CPLD和經(jīng)MAX232再接入主機的串行接口。通過串口供電[5]可以簡化外部接線，但由于本設(shè)計的傳輸距離遠(yuǎn)，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R22和C742構(gòu)成上電復(fù)位，D306和J1構(gòu)成主機側(cè)RS 232接口，紅外發(fā)射管由D1，D2串接組成，增強發(fā)射功率和靈敏度。Q1為紅外接收管，D301為CPLD XC9536。主機側(cè)由CPLD完成紅外發(fā)射的載波生成和調(diào)制及接收信號的脈寬檢測和復(fù)位命令產(chǎn)生。

2.3 收發(fā)器組件

紅外發(fā)射管采用Vishay公司的TSHF5400[6]，TSHF5400是一個高速砷化鎵紅外發(fā)射管，調(diào)制帶寬可達(dá)10 MHz，在電流I(xiàn)f=100 mA時tr=30 ns，tf=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[7]，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I(xiàn)f=300 mA時傳輸距離可達(dá)20 m。

圖2 主機側(cè)紅外收發(fā)器組件原理圖

圖3 紅外接收管的特性

3 物理層調(diào)制和寬度鑒別

文獻(xiàn)[8]給出了幾種常用的應(yīng)用層傳輸規(guī)范，但不能滿足現(xiàn)場安全性和強干擾下中速傳輸?shù)目煽啃砸?，所以需要對傳輸?shù)男盘栠M行編碼傳輸，并在無數(shù)據(jù)傳輸時關(guān)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(jié)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(diào)制輸出

紅外收發(fā)器的物理層發(fā)送信號調(diào)制和接收信號檢測由VHDL實現(xiàn)，把主時鐘分頻得到455 kHz的數(shù)據(jù)載波，通過發(fā)送信號TXD控制數(shù)據(jù)載波的有無實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送。若當(dāng)前傳輸信號TXD為0則輸出一串?dāng)?shù)據(jù)載波，否則關(guān)閉輸出。為了減少紅外發(fā)射管的功耗，控制數(shù)據(jù)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(diào)制方式，在發(fā)射管發(fā)送邏輯0時關(guān)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(guān)閉接收部件，這兩個字符分別對應(yīng)0x0和0x80，通過應(yīng)用層對數(shù)據(jù)進行編碼和解碼實現(xiàn)。

3.3 紅外復(fù)位信號發(fā)送和接收

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

主機需要復(fù)位FTU時，只需要通過主機側(cè)接口軟件在RS 232接口的RTS線上產(chǎn)生一個邏輯1到邏輯0的跳變，CPLD檢測到該跳變后產(chǎn)生50 ms的連續(xù)調(diào)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(chǎn)生連續(xù)的電平，所以接收方的復(fù)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(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位信號，完成FTU的重新啟動，整個復(fù)位邏輯不依賴應(yīng)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(jié)構(gòu)如表1所示，包含起始符0x0和結(jié)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(guān)閉紅外接收器。起始符和結(jié)束符由發(fā)送方的驅(qū)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(shù)據(jù)，一個用戶數(shù)據(jù)報文可以分成多個物理層突發(fā)幀，發(fā)送方驅(qū)動程序根據(jù)鏈路特征將用戶數(shù)據(jù)報拆分，接收方負(fù)責(zé)重組。

表1 物理層的幀結(jié)構(gòu)

起始符編碼字段結(jié)束符

00HN B80H

本文所采用的用戶數(shù)據(jù)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(biāo)地址和2 B的幀長(整個編碼字段的字節(jié)長度)、N B的數(shù)據(jù)以及2 B CRC校驗，這部分?jǐn)?shù)據(jù)需要驅(qū)動程序進行軟件差分編碼和解碼。編碼后實際發(fā)送的數(shù)據(jù)為幀長的兩倍。

表2 用戶數(shù)據(jù)報的幀格式

幀頭地址幀長數(shù)據(jù)段校驗

AA55EB90H1 B2 BN B CRC

4.2 紅外數(shù)據(jù)編碼發(fā)送

通過對應(yīng)用層數(shù)據(jù)按曼切斯特編碼規(guī)則進行編碼，保證應(yīng)用數(shù)據(jù)不出現(xiàn)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(jié)果值置0;

(2) 取數(shù)據(jù)位7，若為1，則編碼成10;否則編碼成01;

(3) 數(shù)據(jù)左移1位，編碼結(jié)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)總是介于0~255之間，所以通過下面的查找表可以實現(xiàn)應(yīng)用層編碼。

const unsigned short mCodeTable[256]={

0x5555，0x5556，0x5559，0x555A，0x5565，0x5566，

0x5569，0x556A，0x5595，0x5596，0x5599，0x559A，

0x55A5，0x55A6，0x55A9，0x55AA，0x5655，0x5656，

0x5659，0x565A，0x5665，0x5666，0x5669，0x566A，

………

0xA995，0xA996，0xA999，0xA99A，0xA9A5，0xA9A6，

0xA9A9，0xA9AA，0xAA55，0xAA56，0xAA59，0xAA5A，

0xAA65，0xAA66，0xAA69，0xAA6A，0xAA95，0xAA96，

0xAA99，0xAA9A，0xAAA5，0xAAA6，0xAAA9，0xAAAA

};

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

4.3 紅外數(shù)據(jù)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(yīng)解碼后的4 b，16 b構(gòu)成一個8 b字符。按下述方法生成解碼數(shù)組:

(1) 循環(huán)變量置0，解碼結(jié)果值置0;

(2) 取數(shù)據(jù)位D7，D6，若為10則將解碼結(jié)果值加1;若為01則將解碼結(jié)果置于0xfe，否則視為誤碼將解碼結(jié)果值加80退出;

(3) 數(shù)據(jù)左移2位，解碼結(jié)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(zhuǎn)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(yīng)其他輸入解碼輸出為0x80即誤碼。

表3 解碼對照表

In5556595a6566696a9596999aa5a6a9aa

Out0123456789abcdeF

4.4 幀接收和幀同步

由于一個應(yīng)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(fù)原始數(shù)據(jù)。本文把同步頭作為一個整體，則根據(jù)編碼算法，序列0xAA55EB90編碼成序列0x99996666a99a9655，接收程序接收到序列0x99996666a99a9655立即同步幀接收計數(shù)器。按表2所述的應(yīng)用層數(shù)據(jù)報文格式，幀同步點對應(yīng)接收計數(shù)器為8。

接收到幀同步序列后就可以處理數(shù)據(jù)接收，由兩個半字符合成一個應(yīng)用層字符。當(dāng)接收計數(shù)器為偶數(shù)時，根據(jù)解碼輸出可以獲得一個字符的低4位;接收計數(shù)器為奇數(shù)時，獲得一個字符的高4位。

如根據(jù)接收計數(shù)器為8和9時獲得目標(biāo)地址字段，接收計數(shù)器為10和11時獲得幀長的低字節(jié)，接收計數(shù)器為12和13時獲得幀長的高字節(jié)，依次類推接收所有應(yīng)用層數(shù)據(jù)，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)=x16+x15+x2+1，校驗出錯的幀被丟棄，并由主機側(cè)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。

圖4 幀同步和解碼流程圖

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(dāng)前數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包提交到應(yīng)用層接收處理程序，如圖4所示。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)的邏輯采用VHDL描述語言，CPLD設(shè)計采用Xilinx ISE進行邏輯綜合和調(diào)試，F(xiàn)TU側(cè)采用Altera SoPC Builder構(gòu)建Nios系統(tǒng)，并在Quartus Ⅱ環(huán)境下完成邏輯設(shè)計和仿真調(diào)試。FTU應(yīng)用軟件則采用C語言，在Nios IDE環(huán)境下完成編碼和調(diào)試，主機側(cè)的軟件采用Visual Basic 6.0完成控制臺軟件編碼和調(diào)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(diào)試。

6 結(jié) 語

由于FTU多安裝在戶外柱上和環(huán)網(wǎng)柜，傳輸距離長，收發(fā)器對準(zhǔn)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(yīng)用場合，應(yīng)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(dāng)增加驅(qū)動電流來兼顧靈敏度和功耗，收發(fā)器對準(zhǔn)困難;

(2) 采用短突發(fā)幀，減少數(shù)據(jù)幀被干擾命中的機率;

(3) 本地發(fā)送數(shù)據(jù)時關(guān)閉接收器，應(yīng)用程序在發(fā)送時不處理接收的數(shù)據(jù)，同時考慮收發(fā)轉(zhuǎn)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(jié)束字符時關(guān)閉接收，減少接收窗口;

(5) 數(shù)據(jù)段采取差分編碼和幀校驗相結(jié)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(yīng)用，設(shè)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(shè)計的中速紅外收發(fā)器電路和軟件已成功應(yīng)用在我公司DMP2000配電自動化系統(tǒng)的FTU中和DMP5000數(shù)字化變電站的智能采集終端，現(xiàn)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(dá)5 m以上，晚上可以達(dá)到20 m，數(shù)據(jù)碼元速率為38 400 b/s，考慮差分編碼因素實際數(shù)據(jù)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(xiàn)場維護和參數(shù)整定。

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