基于FPGA的OPTODYN通信协议设计与实现

吴述超，刘威鹏，魏民权，张宝华，周 琦

（许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000）

0 引言

目前，直流输电工程［1-2］主要应用光测量系统测量直流电压和电流信号，采用混合式或光纤式的测量和传感技术。光测量系统［3-4］由承担传感和绝缘作用的室外高压一次部分与承担数据转换和传输作用的室内二次部分组成。

混合式光测量系统发展较早，技术成熟，以西门子和ABB的产品为主，在2012年前，其应用和装备数量占多数。例如±660 kV宁东工程、±500 kV贵广1回和贵广2回工程、±800kV云广和糯扎渡特高压工程等［5］。南方电网工程中大量采用西门子的互感器［6-7］和配套的二次采集设备，由西门子负责光测量系统中二次设备的生产、调试和系统联调。故障产品需要返回西门子维修，存在维修费用高、周期长、无故障原因说明等问题，导致无法分析、定位和查明直流系统停机的故障点和原因。因此，光测量系统二次设备的备品备件的持续供应保障和检修维护，以及二次设备改造和相关联的控制保护设备的改造，受到国外厂商和技术的限制，给后续工程维护带来困难。

随着工程运行时间增加，光测量系统的二次设备逐渐老化，工程故障率呈增长趋势，光测量系统二次设备的故障率和维护工作量也在逐渐增加，部分设备由于不能满足设计技术指标需要更换，这些情况和产生的潜在问题都给工程运行带来安全隐患。部分产品因采用的元器件已经没有厂商提供，导致备品备件无法持续供应，工程检修维护无法得到保障，只能采用大量储备备件的办法暂时解决困难。但是大量备件不仅占压资金，备件的性能也会在储备和保存的过程中降低，不是最好的解决方案。

研究光测量系统二次设备的替代技术和产品是针对西门子混合式光测量系统维护、改造的最好选择。随着电子技术的发展，更多新技术可以应用到替代品的研制，更能满足直流测量系统和控制保护系统的性能要求。

1 直流测量系统组成与协议

西门子的直流测量系统（Hybrid Optical Measuring Equipment，简称 HOM）包括两大部分［8-9］，远端采集模块OPTODYN（以下简称OPTODYN）和数据采集处理装置SIMADYN D或TDC（以下简称处理装置）。OPTODYN应用在高压测量系统的高压侧，处理装置放置在控制保护室。OPTODYN是光测量系统中唯一位于直流开关场的电子部分。两部分的连接采用光纤通信方式，无电气接触。OPTODYN和处理装置的光发送和光接收部分如图1所示。

图1 光通信系统示意

处理装置中的激光能量单元发送合适功率激光到OPTODYN，为OPTODYN的正常工作提供电能。激光能量单元还具有一定的自检功能，可以检测激光管的工作电流，并及时发出告警信息，保证系统的正常安全运行。OPTODYN送采样数据到采集单元，经数据提取、校验、缓冲、转换等处理后送数据处理单元，按照工程应用的要求进一步处理后即可使用。

HOM系统的通信协议是一种自定义的通信协议，图2是该通信协议的时序图。协议从起始位开始，起始位后有若干个空闲位，空闲位为备用数据位，然后是12位数据位，MSB在前，LSB在后，最后是空闲位和校验位。

2 样机设计

2.1 硬件设计

仿真样机的硬件主要包括AD采样回路、激光能量接收及转换模块、数据发送回路和协议实现模块FPGA等；样机硬件还具有其他辅助功能，如测温回路和复位电路等。样机硬件原理如图3所示。AD采样回路负责接收外部模拟信号，滤波后传送给AD采样芯片，完成AD采样；激光能量接收及转换模块为整个硬件回路提供电能和同步信号；FPGA负责AD采样的启动及数据接收、协议实现和数据的输出；数据发送模块实现输出数据的光电转换。

图2 HOM系统通信协议时序

仿真样机的硬件选用的是基于Xilinx Spartan6系列 FPGA，所用芯片为 XC6LX45。Spartan6是Xilinx提供的面向成本优化的FPGA器件，可提供各种业界领先的连接特性，如小型封装以及高逻辑引脚比、MicroBlazeTM软处理器、800 Mb／s DDR3 支持以及各种多样化支持性 I／O协议等。器件采用45 nm技术构建，器件系列提供一种新的更高效的双寄存器查找表（LUT）结构，片内集成SDRAM控制器、第二代DSP48A1单元等硬核。器件功耗降低，实现创新性省电模式，支持快速唤醒功能的挂起模式可保持配置和状态，从而可将静态功耗降低20%～30%，睡眠节电模式支持零功耗。为最大化性能，同时尽可能减少功耗和芯片使用，Spartan-6器件采用较高的DSP48A1 Slice与通用逻辑比，以便在数学运算量较大的情况下使用。 DSP48A1 Slice支持众多独立功能，包括乘法器、乘法累加器（MACC）、预加法器/减法器＋乘法累加器、乘法器＋加法器、宽总线多路复用器以及宽计数器。可将多个DSP48A1 Slice连在一起，以实现宽数学函数、DSP运算、滤波器以及复杂运算，而且不会浪费任何通用FPGA逻辑。

图3 样机硬件原理

2.2 FPGA程序设计

程序功能如图4所示，主要有数据处理与发送模块、AD采样模块以及测温模块等，其中测温模块是考虑利用原数据协议中的空闲位而增加的功能，用于验证OPTODYN的工作环境，为进一步提高工作可靠性提供预研。AD采样模块实现控制一次侧互感器采样的功能，包括发出启动采样命令、读取采样数据等；测温模块实现温度检测功能，发出温度检测命令并接收温度数据；数据处理与发送模块实现对测温数据、电压检测数据和AD采样数据的接收并进行数据处理，对数据进行编码并发送数据到下位机。

2.3 基于状态机的数据处理与发送程序设计

使用状态机原理实现数据的采集、处理与发送。数据的处理与发送模块负责所有模块的时序及跳转的控制，由一个5状态的状态机实现，其状态转移如图5所示。

图4 程序功能

Idle为空闲状态时，检测状态机的使能信号SYNC是否为高电平，当SYNC有效时，进入数据采样及发送操作时序状态。在CLK时钟上升沿的控制下，由IDLE状态依次进入S1、S2、S3、S4状态。在S1状态时，数据处理和发送模块输出控制时钟CSN输出低电平，CNV输出高电平，SC输出时钟信号；在S2状态时，数据处理和发送模块CSN和SC输出保持，发送报文头；在S3状态时，数据处理和发送模块CSN和SC输出保持，SCK输出时钟信号，接收AD采样数据；在S4状态时，CSN和SC输出中止，SCK输出时钟信号，数据处理和发送模块校验AD采样数据并发送数据。当数据发送完成时，数据处理和发送模块有效输出结束。有限状态机回到IDLE状态，操作时序结束。

3 仿真验证

根据上述设计方案，采用Xilinx公司的ISE14.6软件对其进行VHDL编程设计，并在modelsim10.1软件中进行时序仿真和编程实现，数据发送操作时序验证如图6所示。当数据处理时钟SYNC启动时，CNV产生一个启动信号，程序启动AD采样模块，并发送通信起始位，起始位完成后发送空闲位，若干个空闲位后发送AD数据起始位及数据头；同时启动AD采样时钟，获取AD采样数据，并开始发送AD采样数据；有效数据发送完成后发送空闲位和校验位，所有数据发送完成后结束本周期的工作。下一个数据处理时钟SYNC到来时启动下一个循环周期。

在ISE14.6中完成该模块的综合，生成可执行文件，下载到仿真样机上进行验证。测试在国产化的SIMADYN D设备和自主开发完成仿真样机上完成验证，并在处理装置中测量得到通信数据的波形如图7所示。图中通道1为同步信号SYNC，通道2为DTS信号。

图7 OPTODYN仿真样机输出数据录波

将图7的通道1、通道2分别与图6的SYNC和DTS信号做比较可得，利用FPGA为主要元件开发的仿真样机达到了设计要求，完成了OPTODYN通信协议的设计与实现。仿真样机可以代替OPTODYN与SIMADYN D设备的正常通信，满足产品调试以及备品备件功能和性能测试的需求，缓解工程运维的压力，为进一步开展OPTODYN的替代研究和应用奠定了基础。

4 结语

基于FPGA设计仿真样机，实现了OPTODYN通信协议，经仿真测试和调试验证满足应用需求。本设计已在试验设备中使用，运行稳定，验证了FPGA有限状态机实现OPTODYN通信协议设计的正确性和可行性。基于FPGA开发的通信协议功能具有通信数据和报文格式可灵活定义及扩展性强等特点。该模块结构简单，可根据新的需求进行修改需求实现自主化的通信协议，增加温度等各种监控数据，不仅具有较强的可移植性，还提高了产品的可靠性。