基于FPGA的OPTODYN通信協議設計與實現

吳述超，劉威鵬，魏民權，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］主要應用光測量系統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。光測量系統［3-4］由承擔傳感和絕緣作用的室外高壓一次部分與承擔數據轉換和傳輸作用的室內二次部分組成。

混合式光測量系統發展較早，技術成熟，以西門子和ABB的產品為主，在2012年前，其應用和裝備數量占多數。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備，由西門子負責光測量系統中二次設備的生產、調試和系統聯調。故障產品需要返回西門子維修，存在維修費用高、周期長、無故障原因說明等問題，導致無法分析、定位和查明直流系統停機的故障點和原因。因此，光測量系統二次設備的備品備件的持續供應保障和檢修維護，以及二次設備改造和相關聯的控制保護設備的改造，受到國外廠商和技術的限制，給后續工程維護帶來困難。

隨著工程運行時間增加，光測量系統的二次設備逐漸老化，工程故障率呈增長趨勢，光測量系統二次設備的故障率和維護工作量也在逐漸增加，部分設備由于不能滿足設計技術指標需要更換，這些情況和產生的潛在問題都給工程運行帶來安全隱患。部分產品因采用的元器件已經沒有廠商提供，導致備品備件無法持續供應，工程檢修維護無法得到保障，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。

研究光測量系統二次設備的替代技術和產品是針對西門子混合式光測量系統維護、改造的最好選擇。隨著電子技術的發展，更多新技術可以應用到替代品的研制，更能滿足直流測量系統和控制保護系統的性能要求。

1 直流測量系統組成與協議

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

圖1 光通信系統示意

處理裝置中的激光能量單元發送合適功率激光到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，并及時發出告警信息，保證系統的正常安全運行。OPTODYN送采樣數據到采集單元，經數據提取、校驗、緩沖、轉換等處理后送數據處理單元，按照工程應用的要求進一步處理后即可使用。

HOM系統的通信協議是一種自定義的通信協議，圖2是該通信協議的時序圖。協議從起始位開始，起始位后有若干個空閑位，空閑位為備用數據位，然后是12位數據位，MSB在前，LSB在后，最后是空閑位和校驗位。

2 樣機設計

2.1 硬件設計

仿真樣機的硬件主要包括AD采樣回路、激光能量接收及轉換模塊、數據發送回路和協議實現模塊FPGA等；樣機硬件還具有其他輔助功能，如測溫回路和復位電路等。樣機硬件原理如圖3所示。AD采樣回路負責接收外部模擬信號，濾波后傳送給AD采樣芯片，完成AD采樣；激光能量接收及轉換模塊為整個硬件回路提供電能和同步信號；FPGA負責AD采樣的啟動及數據接收、協議實現和數據的輸出；數據發送模塊實現輸出數據的光電轉換。

圖2 HOM系統通信協議時序

仿真樣機的硬件選用的是基于Xilinx Spartan6系列 FPGA，所用芯片為 XC6LX45。Spartan6是Xilinx提供的面向成本優化的FPGA器件，可提供各種業界領先的連接特性，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協議等。器件采用45 nm技術構建，器件系列提供一種新的更高效的雙寄存器查找表（LUT）結構，片內集成SDRAM控制器、第二代DSP48A1單元等硬核。器件功耗降低，實現創新性省電模式，支持快速喚醒功能的掛起模式可保持配置和狀態，從而可將靜態功耗降低20%～30%，睡眠節電模式支持零功耗。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，以便在數學運算量較大的情況下使用。 DSP48A1 Slice支持眾多獨立功能，包括乘法器、乘法累加器（MACC）、預加法器/減法器＋乘法累加器、乘法器＋加法器、寬總線多路復用器以及寬計數器。可將多個DSP48A1 Slice連在一起，以實現寬數學函數、DSP運算、濾波器以及復雜運算，而且不會浪費任何通用FPGA邏輯。

圖3 樣機硬件原理

2.2 FPGA程序設計

程序功能如圖4所示，主要有數據處理與發送模塊、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據協議中的空閑位而增加的功能，用于驗證OPTODYN的工作環境，為進一步提高工作可靠性提供預研。AD采樣模塊實現控制一次側互感器采樣的功能，包括發出啟動采樣命令、讀取采樣數據等；測溫模塊實現溫度檢測功能，發出溫度檢測命令并接收溫度數據；數據處理與發送模塊實現對測溫數據、電壓檢測數據和AD采樣數據的接收并進行數據處理，對數據進行編碼并發送數據到下位機。

2.3 基于狀態機的數據處理與發送程序設計

使用狀態機原理實現數據的采集、處理與發送。數據的處理與發送模塊負責所有模塊的時序及跳轉的控制，由一個5狀態的狀態機實現，其狀態轉移如圖5所示。

圖4 程序功能

Idle為空閑狀態時，檢測狀態機的使能信號SYNC是否為高電平，當SYNC有效時，進入數據采樣及發送操作時序狀態。在CLK時鐘上升沿的控制下，由IDLE狀態依次進入S1、S2、S3、S4狀態。在S1狀態時，數據處理和發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狀態時，數據處理和發送模塊CSN和SC輸出保持，發送報文頭；在S3狀態時，數據處理和發送模塊CSN和SC輸出保持，SCK輸出時鐘信號，接收AD采樣數據；在S4狀態時，CSN和SC輸出中止，SCK輸出時鐘信號，數據處理和發送模塊校驗AD采樣數據并發送數據。當數據發送完成時，數據處理和發送模塊有效輸出結束。有限狀態機回到IDLE狀態，操作時序結束。

3 仿真驗證

根據上述設計方案，采用Xilinx公司的ISE14.6軟件對其進行VHDL編程設計，并在modelsim10.1軟件中進行時序仿真和編程實現，數據發送操作時序驗證如圖6所示。當數據處理時鐘SYNC啟動時，CNV產生一個啟動信號，程序啟動AD采樣模塊，并發送通信起始位，起始位完成后發送空閑位，若干個空閑位后發送AD數據起始位及數據頭；同時啟動AD采樣時鐘，獲取AD采樣數據，并開始發送AD采樣數據；有效數據發送完成后發送空閑位和校驗位，所有數據發送完成后結束本周期的工作。下一個數據處理時鐘SYNC到來時啟動下一個循環周期。

在ISE14.6中完成該模塊的綜合，生成可執行文件，下載到仿真樣機上進行驗證。測試在國產化的SIMADYN D設備和自主開發完成仿真樣機上完成驗證，并在處理裝置中測量得到通信數據的波形如圖7所示。圖中通道1為同步信號SYNC，通道2為DTS信號。

圖7 OPTODYN仿真樣機輸出數據錄波

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為主要元件開發的仿真樣機達到了設計要求，完成了OPTODYN通信協議的設計與實現。仿真樣機可以代替OPTODYN與SIMADYN D設備的正常通信，滿足產品調試以及備品備件功能和性能測試的需求，緩解工程運維的壓力，為進一步開展OPTODYN的替代研究和應用奠定了基礎。

4 結語

基于FPGA設計仿真樣機，實現了OPTODYN通信協議，經仿真測試和調試驗證滿足應用需求。本設計已在試驗設備中使用，運行穩定，驗證了FPGA有限狀態機實現OPTODYN通信協議設計的正確性和可行性。基于FPGA開發的通信協議功能具有通信數據和報文格式可靈活定義及擴展性強等特點。該模塊結構簡單，可根據新的需求進行修改需求實現自主化的通信協議，增加溫度等各種監控數據，不僅具有較強的可移植性，還提高了產品的可靠性。