專利名稱：一種光串口自適應解碼電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種解碼裝置，具體涉及在智能電網技術領域中應用的光串口自適應IRIG-B和FT3碼解碼電路。
背景技術：
IRIG是英文Inter Range Instrumentation Group的縮寫，它是由美國革巴場間儀器組提出來的時間編碼格式，已成為國際上通用標準，在西歐、日本、澳大利亞等國家和地區得到了廣泛的應用。IRIG時間碼標準有二大類。一類是并行時間碼格式，這類碼由于是并行形式，傳輸距離較近，且是二進制，因此應用遠不如串行格式廣泛。另一類是串行時間碼，共有六種格式。即IRIG-A、B、D、E、G、H。它們的主要差別是時間碼的幀速率不同，從最慢的每小時一幀的D格式到最快的每十毫秒一幀的G格式。其中B格式時間碼由于時幀周期為I秒，適合人們的需求，因此IRIG-B應用最多最普遍，GPS就是其應用之一。隨著智能電網設備對時間統一的要求越來越高，而GPS系統具有使用簡便、定時精度高、信號穩定等優點，因此在許多電力自動化設備中得到了廣泛應用。IRIG-B在具體使用的時候，需要經過信號的解碼才能還原出具體的時間信息。FT3是IEC60044-8標準中規定的幀格式，它是由國際電工委員會(IEC)制定出的電子式電流互感器標準。電子式電流互感器是電力系統中的重要設備，研究它與變電站自動化系統的接口與通信，對于變電站的數字化有著重要的意義。現階段很多電力系統設備都用到了支持FT3的光數字信號接入，FT3在電力系統中的應用非常廣泛。為了實現對智能電網自動化設備的檢測、測試和控制，需要使用具備光數字接口的光數字測試設備，根據智能變電站實際情況，這些光數字測試設備需要提供適用于IEC60044-7/8 (FT3)報文的光串口接入，以及適用于光IRIG-B碼光串口接入，分別實現IEC60044-7/8 (FT3)光數字采樣值SV報文的交互和用于智能變電站時間同步系統測試。實用新型ZL201020526425公開了一種保護、測控和合并單元一體化裝置，其中就分別對FT3信號和IRIG-B信號分別提供了獨立的光串口接入，這種需求必然導致這種光數字測試儀器接口眾多，成本高昂，功耗大，因此如何解決IRIG-B碼和FT3碼自適應接收問題在便攜式智能電網測試設備中具有較強的現實意義。
發明內容
為了解決上述技術問題，本發明提供了一種光串口自適應解碼電路，能夠自動判斷輸入碼流的類型為IRIG-B碼流還是FT3碼流，并自適應地針對碼流類型進行解碼，其特征在于:包括自適應模塊、復用控制模塊、IRIG-B碼解碼模塊、FT3碼解碼模塊、和存儲模塊；所述自適應模塊通過高頻率時鐘計數解析方式判斷輸入碼流的類型為IRIG-B碼流還是FT3碼流；所述復用控制模塊根據自適應模塊給出的輸入碼流的類型，將輸入碼流分配給相應的IRIG-B碼解碼模塊或FT3碼解碼模塊進行解碼；存儲器模塊，存儲解碼出來的IRIG-B碼時間信息和FT3碼信息，可供外部CPU讀取查看。
在上述技術方案中，當自適應模塊判斷輸入碼流的類型為FT3碼流時，進一步通過高頻率時鐘計數解析方式解析出FT3碼流的速率，并將FT3碼流的速率和長度信息提供給FT3碼解碼模塊。在上述技術方案中，當自適應模塊判斷輸入碼流的類型為FT3碼流時，復用控制模塊選中FT3碼解碼模塊，給FT3碼解碼模塊的信號輸入端分配輸入碼流，給IRIG-B碼解碼模塊信號輸入端分配‘0’數據流。在上述技術方案中，當自適應模塊判斷輸入碼流的類型為IRIG-B碼流時，復用控制模塊選中IRIG-B碼解碼模塊，給IRIG-B碼解碼模塊的信號輸入端分配輸入碼流，給FT3碼解碼模塊信號輸入端分配‘0’數據流。在上述技術方案中，被分配‘0’數據流的解碼模塊同時還被設置為復位狀態。在上述技術方案中，所述IRIG-B碼解碼模塊采用高頻率時鐘對輸入碼流高電平進行計數，如果每個IOms周期內的高電平大于等于7.4ms，可判斷為82碼，對應碼字P ;如果大于等于4.4ms小于7.4ms，可判斷為55碼，對應碼字‘I’;否則，可判斷為28碼，對應碼字‘0’，然后在解析出的碼字中進行掃描，找到代表幀參考點兩個P碼位置，再根據IRIG-B碼流存放信息位置，依次找出秒信息，分信息，時信息，日信息，存放到所述存儲器模塊中去。在上述技術方案中，所述IRIG-B碼解碼模塊根據碼元信息，產生秒脈沖信號輸出。在上述技術方案中，所述FT3碼解碼模塊能夠適應于采用國標FT3速率5Mbit/s的輸入信號；采用國家電網標準定義的速率2Mbit/s、4Mbit/s、6Mbit/s、8Mbit/s、IOMbit/s 的輸入信號；采用自定義速率 781.25Kbit/s、lMbit/s、l.6Mbit/s、3.125Mbit/s、20Mbit/s的輸入信號。在上述技術方案中，所述自適應模塊、IRIG-B碼解碼模塊、FT3碼解碼模塊采用的高頻率時鐘為同一時鐘源，頻率為40MHz 200MHz。在上述技術方案中，所述時鐘源的頻率為IOOMHz。本發明取得了以下技術效果:(I)本發明采用IRIG-B碼和FT3共用一個接口，可減少光數字測試設備接口數目，減小體積，降低功耗。另外可供智能電網上的其他裝置獲取GPS時間數據，提高其測量的精度和實時性。本發明融合了智能電網所必需的IRIG-B和FT3碼的解碼，具有一定的通用性和多功能性；(2)本發明的FT3解碼適用國標FT3速率5Mbit/s ;國家電網標準定義速率2Mbit/s、4Mbit/s、6Mbit/s、8Mbit/s、10Mbit/s ;廠家自定義速率 781.25Kbit/s、IMbit/s、
1.6Mbit/s、3.125Mbit/s、20Mbit/s。這使得基于本發明的光數字測試設備適用性更加的全面和廣泛；(3)基于本發明的光數字測試設備還具有硬件結構簡單，設計周期短的優點。
圖1為手持式光數字測試儀的外觀圖；圖2為手持式光數字測試儀的光串口可接入信號示意圖3為光串口自適應解碼電路結構圖。圖中標記:210-手持式外殼；220-SD卡接口 ；230_充電接口 ；240_按鍵；250-液晶屏；260-光功率測試接口 ；270_光以太網接口 ；280_光串口接口 ；100_解碼電路；110-1RIG-B/FT3輸入碼流；120_復用控制模塊；130_自適應模塊；140-1RIG_B解碼模塊；150-FT3解碼模塊；160_存儲模塊；170_外部CPU。
具體實施例方式為了便于本領域普通技術人員理解和實施本發明，下面結合附圖及具體實施方式
對本發明作進一步的詳細描述。采用光串口自適應解碼電路的手持式光數字測試儀可以使用一組光串口來完成FT3報文的處理和光IRIG-B碼的處理，以大大減少手持式光數字測試儀的接口數量，減少接線復雜度，并縮小這種手持式測試設備的體積。這種手持式光數字測試儀的外觀優選如圖1所示，其包括手持式外殼210、SD卡接口 220、充電接口 230、按鍵240、液晶屏250、光功率測試接口 260、光以太網接口 270、光串口接口 280，其中的光串口接口 280可以為2組或更多組，以滿足不同測試項目的需求，而每一組光串口接口 280均可以既接入FT3信號又接入IRIG-B信號。光串口 280可接入的信號類型如圖2所示，針對部分智能變電站采用IEC60044-7/8 (FT3)報文傳輸采樣值的需求，2對光串口 280可模擬智能變電站合并單元(MU)實現IEC60044-7/8(FT3)光數字采樣值SV報文的輸出，傳輸速率5Mbps/10Mbps可選，以適應不同的技術要求，用于測試智能變電站保護IED(Intelligent ElectronicDevice)、測控IED及其他IED，并通過前述光以太網口 270接收上述IED測試過程中反饋的GOOSE開關量，驗證光數字保護裝置及其他IED是否工作正常。從光數字報文接收監測的角度看，2對光串口 280可自動偵聽接收合并單元(MU)所發出的IEC60044-7/8 (FT3)光數字采樣值SV報文，并在液晶屏250的人機界面中顯示報文原碼、解析內容，實現報文監測，并進行丟幀統計和報文時間均勻性分析，對于接收的光數字報文所傳輸的電壓、電流、延時等信息在人機界面顯示，對電壓、電流信息，采用電力行業所熟知的有效值、波形、相量、序量等方式在人機界面顯示，并可進一步顯示電壓、電流通道諧波及單相或三相功率。兩對光串口 280還能夠復用接收光IRIG-B碼，給測試儀對時并在人機界面顯示光IRIG-B碼信息，用于智能變電站時間同步系統測試。為了實現上述光串口的FT3碼和IRIG-B碼的復用功能，本發明提供了一種光串口自適應IRIG-B和FT3碼解碼電路，其結構如圖3所示，解碼電路100包括自適應(ADAPT)模塊120、復用控制(MUX_CTRL)模塊130、IRIG-B碼解碼模塊140、FT3碼解碼模塊150、存儲(RAM)模塊160。光串口將輸入的光數字信號轉為電數字信號，即IRIG-B/FT3輸入碼流110，并將IRIG-B/FT3輸入碼流輸入到解碼電路100中，解碼電路100中的自適應(ADAPT)模塊120、復用控制(MUX_CTRL)模塊130并行接收該IRIG-B/FT3輸入碼流110。首先，自適應(ADAPT)模塊通過高頻率時鐘計數解析方案，初步判斷輸入碼流是否是10毫秒周期碼字，如果是，那么該輸入碼流是IRIG-B碼字；否則為FT3碼字。如果是FT3碼字，需進一步解析，根據碼字跳變周期，判斷出FT3碼字速率。將獲取的速率傳遞給FT3碼解碼模塊，讓其進行相應速率的解碼操作。具體而言，根據IRIG-B編碼技術規范，IRIG-B信號的每個位元固定為10ms，每秒發送I幀數據，即100個位元，其中將先高電平持續2ms，后低電平持續8ms的位元定義為“0”，先高電平持續5ms，后低電平持續5ms的位元定義為“ 1”，先高電平持續8ms，后低電平持續2ms的位元定義為“P”，因此理論上通過IkHz的時鐘信號，即可實現IRIG-B碼流的解析。而FT3信號的碼流速率則高得多，其最低為781.25Kbit/s，最高為20Mbit/s，因此通過一個20MHz以上的高頻時鐘對IRIG-B/FT3輸入碼流進行計數，即可分辨出輸入碼流的信號類型，當在IOms內(100K個時鐘周期內)輸入信號僅跳變一次的即為IRIG-B輸入信號，否則為FT3輸入信號。基于同樣的原理，當采用更高頻率的時鐘對輸入信號進行計數時，則不僅可以區分出IRIG-B輸入信號和FT3輸入信號的類型，還可以同時判定FT3輸入信號的碼流速率。因為碼流在外界傳輸過程中會引入噪聲造成變形，在這里對碼流進行電平判斷時，最好采取大于傳輸碼流頻率5倍以上的時鐘來進行，可消除融入噪聲的影響。所以在這里采用IOOMHz的高頻時鐘。復用控制(MUX_CTRL)模塊根據自適應(ADAPT)模塊解析出的碼流屬性，分別給IRIG-B碼解碼模塊和FT3碼解碼模塊的信號輸入端分配輸入碼流或‘0’數據流，給IRIG-B碼解碼模塊和FT3碼解碼模塊的使能端分配有效全局復位信號或‘I’。與輸入碼流類型匹配的解碼模塊分配有輸入碼流和全局有效復位信號，處于工作狀態；而類型不匹配的模塊分配的是‘0’數據流和‘I’復位值，處于復位狀態，沒有工作，減小了功耗。如果復用控制(MUX_CTRL)模塊選中了 IRIG-B碼解碼模塊，該IRIG-B碼解碼模塊開始運行。采用高頻率時鐘對碼流高電平計數，如果每個IOms周期內的高電平大于7.4ms,可判斷為82碼，對應碼字P ;如果大于4.4ms，可判斷為55碼，對應碼字‘I’ ；否則，可判斷為28碼，對應碼字‘0’。然后在解析出的碼字中進行掃描，找到兩個P碼，代表幀參考點，一幀的開始；接著根據IRIG-B碼流存放信息位置，依次挑出秒信息，分信息，時信息，日信息等等，一一存放到存儲器模塊中去。IRIG-B解碼模塊除了能夠解析出時間信息，還能夠解析出秒脈沖信號PPS，供智能電網中的裝置同步之用。另外，它還會產生一個IRIG-B鎖定(irigbjocked)信號，當檢測到幀參考點，該信號為高有效，表示IRIG-B碼流有效；當通過看門狗計數檢測到無效的IRIG-B碼流，該信號為低無效，表示IRIG-B碼流無效。該信號可作警示之用。如果復用控制(MUX_CTRL)選中了 FT3碼解碼模塊，該FT3碼解碼模塊開始運行。自適應(ADAPT)模塊會把解析獲取的碼流速率屬性傳遞給FT3碼解碼模塊，該碼率屬性如果為0001，表示輸入FT3碼流速率為IMbit/s ;如果為0010，表示輸入FT3碼流速率為2Mbit/s ;如果為0011，表示輸入FT3碼流速率為5Mbit/s ;如果為0100，表示輸入FT3碼流為4Mbit/s ;如果為0101，表示輸入FT3碼流為10Mbit/s ;如果為0110，表示輸入FT3碼流為8Mbit/s ;如果為0111，表示輸入FT3碼流為20Mbit/s ;如果為1000，表示輸入FT3碼流為6Mbit/s ;如果為1001，表示輸入FT3碼流為781.25Kbit/s ;如果為1010，表示輸入FT3碼流為3.125Mbit/s ;如果為1011，表示輸入FT3碼流為1.6Mbit/s。FT3碼解碼模塊會根據碼流速率屬性進行相應的解碼操作。FT3碼解碼模塊在運行過程中，同樣也是采用高頻率時鐘對碼流高電平進行計數分析。因為FT3碼流采用曼徹斯特編碼，輸入碼流不是那么規律，解析起來比較困難，這里采用了重編碼方案，根據輸入碼流具備的一定規律，編碼出有規律的碼字出來，然后對新碼字進行解析，這樣簡單化之前的復雜度。對新碼流進行解析中，掃描數據包頭0564，一旦找到包頭，把接下來解析出的數據依次保存到存儲器模塊中。FT3碼解碼模塊所采用的重編碼思想是以碼率時鐘來計數輸入信號的碼字占空t匕，將一組高低電平作為中間的碼字進行分析，則中間碼字高低占空比有2: 2、2: 1、
1: 2和1:1四種形式，分別對應為101碼、100碼、01碼和11或00碼的序列；再參考該中間碼字前面確定的碼字來作判斷，這四者分別可判為01碼、00碼、I碼和參考碼相同碼值，這樣就解碼得到了輸入信號對應的碼字。FT3碼解碼模塊是自適應多種速率的FT3碼流信號，因此包長也可能是經常變化的。自適應(ADAPT)模塊在傳遞碼流速率的時候，同時也會傳遞碼流相應的長度屬性給FT3碼解碼模塊，讓其解碼出完整的包數據出來。本發明可為智能電網上的光數字保護IED、故障錄波IED、測控IED及其它IED裝置提供GPS時間數據，提高測量的精度和實時性。本實用新型基于FPGA芯片來實現，所以具有擴展性和運算實時性好、結構簡單、功耗低和開發周期短、開發成本低的優點。
權利要求
1.一種光串口自適應解碼電路，能夠自動判斷輸入碼流的類型為IRIG-B碼流還是FT3碼流，并自適應地根據輸入碼流類型進行解碼，其特征在于:包括自適應模塊、復用控制模塊、IRIG-B碼解碼模塊、FT3碼解碼模塊、和存儲模塊；所述自適應模塊通過高頻率時鐘計數解析方式判斷輸入碼流的類型為IRIG-B碼流還是FT3碼流；所述復用控制模塊根據自適應模塊給出的輸入碼流的類型，將輸入碼流分配給相應的IRIG-B碼解碼模塊或FT3碼解碼模塊進行解碼；所述存儲器模塊，存儲解碼出來的IRIG-B碼時間信息和FT3碼信息，供外部(PU讀取查看。
2.根據權利要求1所述的光串口自適應解碼電路，其特征在于:當自適應模塊判斷輸入碼流的類型為FT3碼流時，進一步通過高頻率時鐘計數解析方式解析出FT3碼流的速率，并將FT3碼流的速率和長度信息提供給FT3碼解碼模塊。
3.根據權利要求1所述的光串口自適應解碼電路，其特征在于:當自適應模塊判斷輸入碼流的類型為FT3碼流時，復用控制模塊選中FT3碼解碼模塊，給FT3碼解碼模塊的信號輸入端分配輸入碼流，給IRIG-B碼解碼模塊信號輸入端分配‘0’數據流。
4.根據權利要求1所述的光串口自適應解碼電路，其特征在于:當自適應模塊判斷輸入碼流的類型為IRIG-B碼流時，復用控制模塊選中IRIG-B碼解碼模塊，給IRIG-B碼解碼模塊的信號輸入端分配輸入碼流，給FT3碼解碼模塊信號輸入端分配‘0’數據流。
5.根據權利要求3或4所述的光串口自適應解碼電路，其特征在于:被分配‘0’數據流的解碼模塊同時還被設置為復位狀態。
6.根據權利要求1所述的光串口自適應解碼電路，其特征在于:所述IRIG-B碼解碼模塊采用高頻率時鐘對輸入碼流高電平進行計數，如果每個IOms周期內的高電平大于等于7.4ms，可判斷為82碼，對應碼字P ;如果大于等于4.4ms小于7.4ms，可判斷為55碼，對應碼字‘I’ ；否則，可判斷為28碼，對應碼字‘0’，然后在解析出的碼字中進行掃描，找到代表幀參考點兩個P碼位置，再根據IRIG-B碼流存放信息位置，依次找出秒信息，分信息，時信息，日信息，存放到所述存儲器模塊中去。
7.根據權利要求6所述的光串口自適應解碼電路，其特征在于:所述IRIG-B碼解碼模塊根據碼兀信息，產生秒脈沖信號輸出。
8.根據權利要求1-7中任一項所述的光串口自適應解碼電路，其特征在于:所述FT3碼解碼模塊能夠適應于采用國標FT3速率5Mbit/s的輸入信號；采用國家電網標準定義的速率2Mbit/s、4Mbit/s、6Mbit/s、8Mbit/s、10Mbit/s的輸入信號；采用自定義速率781.25Kbit/s、lMbit/s、l.6Mbit/s、3.125Mbit/s、20Mbit/s 的輸入信號。
9.根據權利要求1-7中任一項所述的光串口自適應解碼電路，其特征在于:所述自適應模塊、IRIG-B碼解碼模塊、FT3碼解碼模塊采用的高頻率時鐘為同一時鐘源，頻率為40MHz 200MHz。
10.根據權利要求9所述的光串口自適應解碼電路，其特征在于:所述時鐘源的頻率為IOOMHz。
全文摘要
本發明涉及一種光串口自適應解碼電路，能夠自動判斷輸入碼流的類型為IRIG-B碼流還是FT3碼流，并自適應地針對碼流類型進行解碼，其包括自適應模塊、復用控制模塊、IRIG-B碼解碼模塊、FT3碼解碼模塊、和存儲模塊；所述自適應模塊通過高頻率時鐘計數解析方式判斷輸入碼流的類型為IRIG-B碼流還是FT3碼流；所述復用控制模塊根據自適應模塊給出的輸入碼流的類型，將輸入碼流分配給相應的IRIG-B碼解碼模塊或FT3碼解碼模塊；存儲器模塊，用來存儲解碼出來的IRIG-B碼時間信息和FT3碼信息，可供外部CPU讀取查看。該解碼電路基于FPGA芯片來實現，所以具有擴展性和運算實時性好、結構簡單、功耗低和開發周期短、開發成本低的優點。
文檔編號H03M5/12GK103199865SQ20121000534
公開日2013年7月10日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者王映波, 王天, 楊經超, 于同偉, 張延鵬, 楊飛, 張武洋 申請人:武漢凱默電氣有限公司