CN103199865A - 一种光串口自适应解码电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光串口自适应解码电路，能够自动判断输入码流的类型为IRIG-B码流还是FT3码流，并自适应地针对码流类型进行解码，其包括自适应模块、复用控制模块、IRIG-B码解码模块、FT3码解码模块、和存储模块；所述自适应模块通过高频率时钟计数解析方式判断输入码流的类型为IRIG-B码流还是FT3码流；所述复用控制模块根据自适应模块给出的输入码流的类型，将输入码流分配给相应的IRIG-B码解码模块或FT3码解码模块；存储器模块，用来存储解码出来的IRIG-B码时间信息和FT3码信息，可供外部CPU读取查看。该解码电路基于FPGA芯片来实现，所以具有扩展性和运算实时性好、结构简单、功耗低和开发周期短、开发成本低的优点。

Description

一种光串口自适应解码电路

技术领域

本发明涉及一种解码装置，具体涉及在智能电网技术领域中应用的光串口自适应IRIG-B和FT3码解码电路。

背景技术

IRIG是英文Inter Range Instrumentation Group的缩写，它是由美国靶场间仪器组提出来的时间编码格式，已成为国际上通用标准，在西欧、日本、澳大利亚等国家和地区得到了广泛的应用。IRIG时间码标准有二大类。一类是并行时间码格式，这类码由于是并行形式，传输距离较近，且是二进制，因此应用远不如串行格式广泛。另一类是串行时间码，共有六种格式。即IRIG-A、B、D、E、G、H。它们的主要差别是时间码的帧速率不同，从最慢的每小时一帧的D格式到最快的每十毫秒一帧的G格式。其中B格式时间码由于时帧周期为1秒，适合人们的需求，因此IRIG-B应用最多最普遍，GPS就是其应用之一。随着智能电网设备对时间统一的要求越来越高，而GPS***具有使用简便、定时精度高、信号稳定等优点，因此在许多电力自动化设备中得到了广泛应用。IRIG-B在具体使用的时候，需要经过信号的解码才能还原出具体的时间信息。

FT3是IEC60044-8标准中规定的帧格式，它是由国际电工委员会(IEC)制定出的电子式电流互感器标准。电子式电流互感器是电力***中的重要设备，研究它与变电站自动化***的接口与通信，对于变电站的数字化有着重要的意义。现阶段很多电力***设备都用到了支持FT3的光数字信号接入，FT3在电力***中的应用非常广泛。

为了实现对智能电网自动化设备的检测、测试和控制，需要使用具备光数字接口的光数字测试设备，根据智能变电站实际情况，这些光数字测试设备需要提供适用于IEC60044-7/8(FT3)报文的光串口接入，以及适用于光IRIG-B码光串口接入，分别实现IEC60044-7/8(FT3)光数字采样值SV报文的交互和用于智能变电站时间同步***测试。实用新型ZL201020526425公开了一种保护、测控和合并单元一体化装置，其中就分别对FT3信号和IRIG-B信号分别提供了独立的光串口接入，这种需求必然导致这种光数字测试仪器接口众多，成本高昂，功耗大，因此如何解决IRIG-B码和FT3码自适应接收问题在便携式智能电网测试设备中具有较强的现实意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光串口自适应解码电路，能够自动判断输入码流的类型为IRIG-B码流还是FT3码流，并自适应地针对码流类型进行解码，其特征在于：包括自适应模块、复用控制模块、IRIG-B码解码模块、FT3码解码模块、和存储模块；所述自适应模块通过高频率时钟计数解析方式判断输入码流的类型为IRIG-B码流还是FT3码流；所述复用控制模块根据自适应模块给出的输入码流的类型，将输入码流分配给相应的IRIG-B码解码模块或FT3码解码模块进行解码；存储器模块，存储解码出来的IRIG-B码时间信息和FT3码信息，可供外部CPU读取查看。

在上述技术方案中，当自适应模块判断输入码流的类型为FT3码流时，进一步通过高频率时钟计数解析方式解析出FT3码流的速率，并将FT3码流的速率和长度信息提供给FT3码解码模块。

在上述技术方案中，当自适应模块判断输入码流的类型为FT3码流时，复用控制模块选中FT3码解码模块，给FT3码解码模块的信号输入端分配输入码流，给IRIG-B码解码模块信号输入端分配‘0’数据流。

在上述技术方案中，当自适应模块判断输入码流的类型为IRIG-B码流时，复用控制模块选中IRIG-B码解码模块，给IRIG-B码解码模块的信号输入端分配输入码流，给FT3码解码模块信号输入端分配‘0’数据流。

在上述技术方案中，被分配‘0’数据流的解码模块同时还被设置为复位状态。

在上述技术方案中，所述IRIG-B码解码模块采用高频率时钟对输入码流高电平进行计数，如果每个10ms周期内的高电平大于等于7.4ms，可判断为82码，对应码字P；如果大于等于4.4ms小于7.4ms，可判断为55码，对应码字‘1’；否则，可判断为28码，对应码字‘0’，然后在解析出的码字中进行扫描，找到代表帧参考点两个P码位置，再根据IRIG-B码流存放信息位置，依次找出秒信息，分信息，时信息，日信息，存放到所述存储器模块中去。

在上述技术方案中，所述IRIG-B码解码模块根据码元信息，产生秒脉冲信号输出。

在上述技术方案中，所述FT3码解码模块能够适应于采用国标FT3速率5Mbit/s的输入信号；采用国家电网标准定义的速率2Mbit/s、4Mbit/s、6Mbit/s、8Mbit/s、10Mbit/s的输入信号；采用自定义速率781.25Kbit/s、1Mbit/s、1.6Mbit/s、3.125Mbit/s、20Mbit/s的输入信号。

在上述技术方案中，所述自适应模块、IRIG-B码解码模块、FT3码解码模块采用的高频率时钟为同一时钟源，频率为40MHz～200MHz。

在上述技术方案中，所述时钟源的频率为100MHz。

本发明取得了以下技术效果：

(1)本发明采用IRIG-B码和FT3共用一个接口，可减少光数字测试设备接口数目，减小体积，降低功耗。另外可供智能电网上的其他装置获取GPS时间数据，提高其测量的精度和实时性。本发明融合了智能电网所必需的IRIG-B和FT3码的解码，具有一定的通用性和多功能性；

(2)本发明的FT3解码适用国标FT3速率5Mbit/s；国家电网标准定义速率2Mbit/s、4Mbit/s、6Mbit/s、8Mbit/s、10Mbit/s；厂家自定义速率781.25Kbit/s、1Mbit/s、1.6Mbit/s、3.125Mbit/s、20Mbit/s。这使得基于本发明的光数字测试设备适用性更加的全面和广泛；

(3)基于本发明的光数字测试设备还具有硬件结构简单，设计周期短的优点。

附图说明

图1为手持式光数字测试仪的外观图；

图2为手持式光数字测试仪的光串口可接入信号示意图；

图3为光串口自适应解码电路结构图。

图中标记：210-手持式外壳；220-SD卡接口；230-充电接口；240-按键；250-液晶屏；260-光功率测试接口；270-光以太网接口；280-光串口接口；100-解码电路；110-IRIG-B/FT3输入码流；120-复用控制模块；130-自适应模块；140-IRIG-B解码模块；150-FT3解码模块；160-存储模块；170-外部CPU。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

采用光串口自适应解码电路的手持式光数字测试仪可以使用一组光串口来完成FT3报文的处理和光IRIG-B码的处理，以大大减少手持式光数字测试仪的接口数量，减少接线复杂度，并缩小这种手持式测试设备的体积。这种手持式光数字测试仪的外观优选如图1所示，其包括手持式外壳210、SD卡接口220、充电接口230、按键240、液晶屏250、光功率测试接口260、光以太网接口270、光串口接口280，其中的光串口接口280可以为2组或更多组，以满足不同测试项目的需求，而每一组光串口接口280均可以既接入FT3信号又接入IRIG-B信号。

光串口280可接入的信号类型如图2所示，针对部分智能变电站采用IEC60044-7/8(FT3)报文传输采样值的需求，2对光串口280可模拟智能变电站合并单元(MU)实现IEC60044-7/8(FT3)光数字采样值SV报文的输出，传输速率5Mbps/10Mbps可选，以适应不同的技术要求，用于测试智能变电站保护IED(Intelligent Electronic Device)、测控IED及其他IED，并通过前述光以太网口270接收上述IED测试过程中反馈的GOOSE开关量，验证光数字保护装置及其他IED是否工作正常。

从光数字报文接收监测的角度看，2对光串口280可自动侦听接收合并单元(MU)所发出的IEC60044-7/8(FT3)光数字采样值SV报文，并在液晶屏250的人机界面中显示报文原码、解析内容，实现报文监测，并进行丢帧统计和报文时间均匀性分析，对于接收的光数字报文所传输的电压、电流、延时等信息在人机界面显示，对电压、电流信息，采用电力行业所熟知的有效值、波形、相量、序量等方式在人机界面显示，并可进一步显示电压、电流通道谐波及单相或三相功率。

两对光串口280还能够复用接收光IRIG-B码，给测试仪对时并在人机界面显示光IRIG-B码信息，用于智能变电站时间同步***测试。

为了实现上述光串口的FT3码和IRIG-B码的复用功能，本发明提供了一种光串口自适应IRIG-B和FT3码解码电路，其结构如图3所示，解码电路100包括自适应(ADAPT)模块120、复用控制(MUX_CTRL)模块130、IRIG-B码解码模块140、FT3码解码模块150、存储(RAM)模块160。光串口将输入的光数字信号转为电数字信号，即IRIG-B/FT3输入码流110，并将IRIG-B/FT3输入码流输入到解码电路100中，解码电路100中的自适应(ADAPT)模块120、复用控制(MUX_CTRL)模块130并行接收该IRIG-B/FT3输入码流110。

首先，自适应(ADAPT)模块通过高频率时钟计数解析方案，初步判断输入码流是否是10毫秒周期码字，如果是，那么该输入码流是IRIG-B码字；否则为FT3码字。如果是FT3码字，需进一步解析，根据码字跳变周期，判断出FT3码字速率。将获取的速率传递给FT3码解码模块，让其进行相应速率的解码操作。

具体而言，根据IRIG-B编码技术规范，IRIG-B信号的每个位元固定为10ms，每秒发送1帧数据，即100个位元，其中将先高电平持续2ms，后低电平持续8ms的位元定义为“0”，先高电平持续5ms，后低电平持续5ms的位元定义为“1”，先高电平持续8ms，后低电平持续2ms的位元定义为“P”，因此理论上通过1kHz的时钟信号，即可实现IRIG-B码流的解析。而FT3信号的码流速率则高得多，其最低为781.25Kbit/s，最高为20Mbit/s，因此通过一个20MHz以上的高频时钟对IRIG-B/FT3输入码流进行计数，即可分辨出输入码流的信号类型，当在10ms内(100K个时钟周期内)输入信号仅跳变一次的即为IRIG-B输入信号，否则为FT3输入信号。基于同样的原理，当采用更高频率的时钟对输入信号进行计数时，则不仅可以区分出IRIG-B输入信号和FT3输入信号的类型，还可以同时判定FT3输入信号的码流速率。因为码流在外界传输过程中会引入噪声造成变形，在这里对码流进行电平判断时，最好采取大于传输码流频率5倍以上的时钟来进行，可消除融入噪声的影响。所以在这里采用100MHz的高频时钟。

复用控制(MUX_CTRL)模块根据自适应(ADAPT)模块解析出的码流属性，分别给IRIG-B码解码模块和FT3码解码模块的信号输入端分配输入码流或‘0’数据流，给IRIG-B码解码模块和FT3码解码模块的使能端分配有效全局复位信号或‘1’。与输入码流类型匹配的解码模块分配有输入码流和全局有效复位信号，处于工作状态；而类型不匹配的模块分配的是‘0’数据流和‘1’复位值，处于复位状态，没有工作，减小了功耗。

如果复用控制(MUX_CTRL)模块选中了IRIG-B码解码模块，该IRIG-B码解码模块开始运行。采用高频率时钟对码流高电平计数，如果每个10ms周期内的高电平大于7.4ms，可判断为82码，对应码字P；如果大于4.4ms，可判断为55码，对应码字‘1’；否则，可判断为28码，对应码字‘0’。然后在解析出的码字中进行扫描，找到两个P码，代表帧参考点，一帧的开始；接着根据IRIG-B码流存放信息位置，依次挑出秒信息，分信息，时信息，日信息等等，一一存放到存储器模块中去。

IRIG-B解码模块除了能够解析出时间信息，还能够解析出秒脉冲信号PPS，供智能电网中的装置同步之用。另外，它还会产生一个IRIG-B锁定(irigb_locked)信号，当检测到帧参考点，该信号为高有效，表示IRIG-B码流有效；当通过看门狗计数检测到无效的IRIG-B码流，该信号为低无效，表示IRIG-B码流无效。该信号可作警示之用。

如果复用控制(MUX_CTRL)选中了FT3码解码模块，该FT3码解码模块开始运行。自适应(ADAPT)模块会把解析获取的码流速率属性传递给FT3码解码模块，该码率属性如果为0001，表示输入FT3码流速率为1Mbit/s；如果为0010，表示输入FT3码流速率为2Mbit/s；如果为0011，表示输入FT3码流速率为5Mbit/s；如果为0100，表示输入FT3码流为4Mbit/s；如果为0101，表示输入FT3码流为10Mbit/s；如果为0110，表示输入FT3码流为8Mbit/s；如果为0111，表示输入FT3码流为20Mbit/s；如果为1000，表示输入FT3码流为6Mbit/s；如果为1001，表示输入FT3码流为781.25Kbit/s；如果为1010，表示输入FT3码流为3.125Mbit/s；如果为1011，表示输入FT3码流为1.6Mbit/s。FT3码解码模块会根据码流速率属性进行相应的解码操作。

FT3码解码模块在运行过程中，同样也是采用高频率时钟对码流高电平进行计数分析。因为FT3码流采用曼彻斯特编码，输入码流不是那么规律，解析起来比较困难，这里采用了重编码方案，根据输入码流具备的一定规律，编码出有规律的码字出来，然后对新码字进行解析，这样简单化之前的复杂度。对新码流进行解析中，扫描数据包头0564，一旦找到包头，把接下来解析出的数据依次保存到存储器模块中。

FT3码解码模块所采用的重编码思想是以码率时钟来计数输入信号的码字占空比，将一组高低电平作为中间的码字进行分析，则中间码字高低占空比有2∶2、2∶1、1∶2和1∶1四种形式，分别对应为101码、100码、01码和11或00码的序列；再参考该中间码字前面确定的码字来作判断，这四者分别可判为01码、00码、1码和参考码相同码值，这样就解码得到了输入信号对应的码字。

FT3码解码模块是自适应多种速率的FT3码流信号，因此包长也可能是经常变化的。自适应(ADAPT)模块在传递码流速率的时候，同时也会传递码流相应的长度属性给FT3码解码模块，让其解码出完整的包数据出来。

本发明可为智能电网上的光数字保护IED、故障录波IED、测控IED及其它IED装置提供GPS时间数据，提高测量的精度和实时性。本实用新型基于FPGA芯片来实现，所以具有扩展性和运算实时性好、结构简单、功耗低和开发周期短、开发成本低的优点。

Claims (10)

1.一种光串口自适应解码电路，能够自动判断输入码流的类型为IRIG-B码流还是FT3码流，并自适应地根据输入码流类型进行解码，其特征在于：包括自适应模块、复用控制模块、IRIG-B码解码模块、FT3码解码模块、和存储模块；所述自适应模块通过高频率时钟计数解析方式判断输入码流的类型为IRIG-B码流还是FT3码流；所述复用控制模块根据自适应模块给出的输入码流的类型，将输入码流分配给相应的IRIG-B码解码模块或FT3码解码模块进行解码；所述存储器模块，存储解码出来的IRIG-B码时间信息和FT3码信息，供外部CPU读取查看。

2.根据权利要求1所述的光串口自适应解码电路，其特征在于：当自适应模块判断输入码流的类型为FT3码流时，进一步通过高频率时钟计数解析方式解析出FT3码流的速率，并将FT3码流的速率和长度信息提供给FT3码解码模块。

3.根据权利要求1所述的光串口自适应解码电路，其特征在于：当自适应模块判断输入码流的类型为FT3码流时，复用控制模块选中FT3码解码模块，给FT3码解码模块的信号输入端分配输入码流，给IRIG-B码解码模块信号输入端分配‘0’数据流。

4.根据权利要求1所述的光串口自适应解码电路，其特征在于：当自适应模块判断输入码流的类型为IRIG-B码流时，复用控制模块选中IRIG-B码解码模块，给IRIG-B码解码模块的信号输入端分配输入码流，给FT3码解码模块信号输入端分配‘0’数据流。

5.根据权利要求3或4所述的光串口自适应解码电路，其特征在于：被分配‘0’数据流的解码模块同时还被设置为复位状态。

6.根据权利要求1所述的光串口自适应解码电路，其特征在于：所述IRIG-B码解码模块采用高频率时钟对输入码流高电平进行计数，如果每个10ms周期内的高电平大于等于7.4ms，可判断为82码，对应码字P；如果大于等于4.4ms小于7.4ms，可判断为55码，对应码字‘1’；否则，可判断为28码，对应码字‘0’，然后在解析出的码字中进行扫描，找到代表帧参考点两个P码位置，再根据IRIG-B码流存放信息位置，依次找出秒信息，分信息，时信息，日信息，存放到所述存储器模块中去。

7.根据权利要求6所述的光串口自适应解码电路，其特征在于：所述IRIG-B码解码模块根据码元信息，产生秒脉冲信号输出。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的光串口自适应解码电路，其特征在于：所述FT3码解码模块能够适应于采用国标FT3速率5Mbit/s的输入信号；采用国家电网标准定义的速率2Mbit/s、4Mbit/s、6Mbit/s、8Mbit/s、10Mbit/s的输入信号；采用自定义速率781.25Kbit/s、1Mbit/s、1.6Mbit/s、3.125Mbit/s、20Mbit/s的输入信号。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的光串口自适应解码电路，其特征在于：所述自适应模块、IRIG-B码解码模块、FT3码解码模块采用的高频率时钟为同一时钟源，频率为40MHz～200MHz。

10.根据权利要求9所述的光串口自适应解码电路，其特征在于：所述时钟源的频率为100MHz。

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