2.2.1 編解碼單元
編解碼單元U3、U4是本設(shè)計(jì)中的核心單元,分別負(fù)責(zé)左右兩側(cè)通道接收數(shù)據(jù)的編碼、解碼,具體功能是：
（1）從光纖接收數(shù)據(jù)流中恢復(fù)主通道、輔助通道通信數(shù)據(jù);
（2）恢復(fù)IRIG-B時(shí)間編碼;
（3）差別網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)（SYNC）;
（4）恢復(fù)數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)鐘TRCLK;
（5）提供接收數(shù)據(jù)有效標(biāo)志REC;
（6）將發(fā)送數(shù)據(jù)編碼到輸出數(shù)據(jù)流中。
該單元內(nèi)部工作流程如下：光纖接收器件接收到的數(shù)據(jù)流首先通過數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL）產(chǎn)生工作時(shí)鐘,用該時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)編解碼狀態(tài)機(jī)。該狀態(tài)機(jī)為Mealy型狀態(tài)機(jī)[5],其狀態(tài)的改變與當(dāng)前狀態(tài)和光纖輸入信號(hào)NET_IN有關(guān)。該狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示。圖中,“0”和“1”為NET_IN輸入狀態(tài),其它標(biāo)注為在該步狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)所產(chǎn)生的附加動(dòng)作。
其中S0為初始狀態(tài),在該狀態(tài)下,必須連續(xù)接收到4個(gè)“0”,即經(jīng)過狀態(tài)S1、S2、S3后才能到達(dá)S4。其間結(jié)果收到“1”則轉(zhuǎn)S0,同時(shí)將接收同步狀態(tài)標(biāo)志SYNC清除,表示此時(shí)處于失步狀態(tài)。SYNC狀態(tài)是進(jìn)行環(huán)網(wǎng)自愈控制的主要依據(jù)。S4狀態(tài)用于接收幀起始標(biāo)志位“1”,如果此時(shí)輸入為“0”,則輸出SYNC無效且保持在該狀態(tài)。如果收到“1”則認(rèn)為收到幀起始標(biāo)志,設(shè)置SYNC為有效并轉(zhuǎn)狀態(tài)S5。S5為IRIG-B碼接收狀態(tài),在該狀態(tài)下輸出IRIG-B碼。S5經(jīng)一個(gè)狀態(tài)機(jī)時(shí)鐘無條件轉(zhuǎn)移到S6。S6為主通道數(shù)據(jù)處理狀態(tài),在本節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)時(shí)（TXEN=0）,輸出收數(shù)據(jù)。如果本節(jié)點(diǎn)處于正常數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)（TXEN=1/NET_EN=0）,則將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)插入到發(fā)送數(shù)據(jù)流中的主通道位置。S6經(jīng)一個(gè)狀態(tài)機(jī)時(shí)鐘無條件轉(zhuǎn)移到S7。S7為輔助通道數(shù)據(jù)處理狀態(tài),在本節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)時(shí)（TXEN=0）,輸出接收數(shù)據(jù)。如果本節(jié)點(diǎn)處于輔助數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)（TXEN=1/NET_EN=1）,則將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)插入到發(fā)送數(shù)據(jù)流中的輔助通道位置。S7經(jīng)一個(gè)狀態(tài)機(jī)時(shí)鐘無條件轉(zhuǎn)移到S8。S8之后將連續(xù)接收4位“0”,即經(jīng)過S8、S1、S2、S3后開始下一幀數(shù)據(jù)接收;如果其間收到“1”,則認(rèn)為幀失步,轉(zhuǎn)入初始狀態(tài)S0。
可見,該狀態(tài)機(jī)通過識(shí)別每幀后面連續(xù)4位“0”和后續(xù)的幀起始位來唯一地確定一幀的開始,并立即進(jìn)入同步狀態(tài),這種做法同步搜索速度快,但要以犧牲通道速度為代價(jià)。在要求速度較高的場(chǎng)合,可增加通信數(shù)據(jù)的位數(shù),但無法做到立即同步,不過可通過收發(fā)數(shù)據(jù)間隔（發(fā)送數(shù)據(jù)位全為0）進(jìn)行同步搜索。
NET_OUT為該單元的輸出,當(dāng)處于接收狀態(tài)時(shí),它嚴(yán)格地與輸入NET_IN相同;當(dāng)片于發(fā)送狀態(tài)時(shí),它的主/輔助通道數(shù)據(jù)位將被發(fā)送數(shù)據(jù)替換,其它保持原來的狀態(tài)不變。
2.2.2 自愈控制
數(shù)據(jù)選擇器U1、U2用于選擇光纖發(fā)送端的數(shù)據(jù)源,實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)工作模式的轉(zhuǎn)換。它有三個(gè)數(shù)據(jù)輸入端,分別輸入對(duì)側(cè)數(shù)據(jù)、本側(cè)數(shù)據(jù)和主控模式下的發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)從節(jié)點(diǎn)兩側(cè)接收都處于同步狀態(tài)時(shí),選擇對(duì)側(cè)數(shù)據(jù),則數(shù)據(jù)流向如圖2（a）所示。當(dāng)對(duì)側(cè)數(shù)據(jù)收異常時(shí)（取決于對(duì)側(cè)的SYNC狀態(tài)）,則選擇本側(cè)數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)自愈環(huán)功能,如圖2（b）及力2（c）表示。當(dāng)該節(jié)點(diǎn)處于主控位置時(shí),兩側(cè)數(shù)據(jù)源均由主控編碼單元U13提供。U13輸出數(shù)據(jù)格式如圖3所示。每幀以起始位開始,依次是IRIG-B標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間位、主通道位、輔助通道位。當(dāng)主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),占用主通道發(fā)送數(shù)據(jù),不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)該位為“0”。本單元的工作模式由單元U6確定。當(dāng)M/S設(shè)置為主節(jié)點(diǎn)模式時(shí),NET_EN有效時(shí)本節(jié)點(diǎn)處于主控模式,否則處于非主控模式,非主控模式下的工作狀態(tài)同從械。NET_EN用于實(shí)現(xiàn)多主節(jié)點(diǎn)切換網(wǎng)絡(luò)控制權(quán),同時(shí)只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)NET_EN有效,它由主節(jié)點(diǎn)設(shè)備上的切換邏輯控制。
2.2.3 接收數(shù)據(jù)選擇
因光纖雙環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)可從左右兩個(gè)方向接收到,需要在本節(jié)點(diǎn)對(duì)采用哪個(gè)方向的接收數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇,這個(gè)任務(wù)由接收數(shù)據(jù)選擇單元U7（主通道）、U8（輔助通道）完成。其選擇依據(jù)是：離發(fā)送源路徑最后 ,則傳輸延遲最小,最先收到。每次接收信息時(shí),總是選擇最先到達(dá)一側(cè)的數(shù)據(jù),但必須等兩側(cè)都傳送完畢后才能允許重新切換接收源,以防頻繁切換造成時(shí)鐘抖動(dòng)及數(shù)據(jù)的重疊接收。其切換關(guān)系可通過圖6所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖表示。
圖6中,S0為左側(cè)正常接收狀態(tài),S1為左側(cè)正常接收完畢后空閑狀態(tài),S2為右側(cè)正常接收狀態(tài),S3為右側(cè)接收完畢后空閑狀態(tài)。轉(zhuǎn)移條件由REC_L和REC_R的組合確定,REC_L及REC_R分別指示兩通道數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。當(dāng)處于S0及S1狀態(tài)時(shí),選擇左側(cè)通道接收,處于S2及S3狀態(tài)時(shí)選擇右側(cè)通道接收。由S1到S0及S3到S2的轉(zhuǎn)移條件可以看出,在兩側(cè)同時(shí)接收到數(shù)據(jù)時(shí),優(yōu)先選擇上次接收到數(shù)據(jù)的那一側(cè),這樣可以避免通道的頻繁切換。
經(jīng)U7進(jìn)行通道選擇后,還要經(jīng)過U5與兩側(cè)通道的同步狀態(tài)共同決策,最終確定接收端采用哪一側(cè)的數(shù)據(jù),并驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)選擇器U9、U10、U11、U12,分別產(chǎn)生最終輸出,包括主通道數(shù)據(jù)RXD,輔助通道數(shù)據(jù)RXD_A、數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)鐘TRCLK及IRIG-B時(shí)間編碼B_OUT。
以上論述主要是針對(duì)工作于從節(jié)點(diǎn)模式下的情況。在主控模式下,發(fā)送編碼由U13完成,接收情況與從節(jié)點(diǎn)基本相同。
2.3 硬件實(shí)現(xiàn)方案
光纖環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)單元的EPLD芯片選用ALTERA公司的電源除可編程邏輯器件EPM7128[6]。它具有“在系統(tǒng)內(nèi)編程”（In-System Programmability）功能,使用其JATG接口編程,以后功能上的升級(jí)非常方便。
光纖收發(fā)器件采用HP公司的Versatile Link系列產(chǎn)品,其內(nèi)部電路集成化程度高,光纖環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)模塊可做得非常小,實(shí)際為54mm×40mm,很容易嵌入到產(chǎn)品內(nèi)部。
光纖采用1mmPOF光纖或200μmHCS光纖,其中POFD光纖通信距離可達(dá)100m,不需要特殊加工工具,現(xiàn)場(chǎng)布線及維護(hù)方便,適用于近距離通信。HCS光纖通信距離可達(dá)500m,適用于控制點(diǎn)分散的場(chǎng)合,兩種光纖使用相同的光纖收發(fā)器件,可混合使用。
2.4 軟件實(shí)現(xiàn)方案
上述各單元的邏輯功能均采用AHDL語言（ALTERA公司的硬件描述語言）編程實(shí)現(xiàn),限于篇幅,程序清單略。
3 系統(tǒng)性能測(cè)試
本文所論述的光纖自愈環(huán)網(wǎng)已應(yīng)用于煙臺(tái)東方電子信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司最新開發(fā)的“DF3600而向?qū)ο蟮母邏鹤冸娬咀詣?dòng)化系統(tǒng)”中,目前該系統(tǒng)成功通過了中國(guó)電科院RTU質(zhì)檢部嚴(yán)格的型式試驗(yàn),即將投放現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行。
試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：光纖雙環(huán)網(wǎng)在通信速率為1Mbps時(shí),IRIG-B信號(hào)由通道組幀造成的最大誤差為1μs,通信速率為187.5kbps時(shí)的最大誤差為6μs;數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)過每個(gè)節(jié)點(diǎn)引起延遲不大于0.6μs。按環(huán)網(wǎng)中配置50個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算,正常狀態(tài)下（雙環(huán)工作）,總延遲不大于150μs,最壞情況（在主控點(diǎn)附近發(fā)生單側(cè)故障）總延遲不大于300μs,即IRIG-B時(shí)間精度主要取決于光纖環(huán)路傳輸延遲,在節(jié)點(diǎn)數(shù)量不多于50個(gè)時(shí),可保證小于0.3ms,滿足<<220～500kV變電所計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定>>[3]中“整個(gè)系統(tǒng)對(duì)時(shí)精度應(yīng)不大于0.5ms”的要求。
針對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中光纖網(wǎng)絡(luò)存在的缺陷,本文提出并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套光纖自愈環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了變電站自動(dòng)變系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的抗電磁干擾能力問題,滿足了通信主機(jī)雙重冗余配置、高對(duì)時(shí)精度及對(duì)突發(fā)事件快速響應(yīng)等要求,且具有現(xiàn)場(chǎng)施工維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。該光纖網(wǎng)絡(luò)還可通過降低通信速率的方式應(yīng)用于異步通信系統(tǒng)中。因此,該光纖自愈環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。
