【導讀】在同步傳輸?shù)倪^程中包含了時鐘,常見的簡單通信協(xié)議中傳輸時鐘都是通過一根時鐘線以及一根數(shù)據(jù)線。要想實現(xiàn)僅僅利用一根線就能進行數(shù)據(jù)和時鐘的傳輸,并且協(xié)議簡單,這可能嗎?具體要如何進行編碼與解碼呢?最后還有應用呢?
關(guān)于單線實現(xiàn)同步傳輸?shù)幕卮鹗强隙ǖ模疫@種協(xié)議的數(shù)量還不少,曼切斯特編碼(Manchester Encoding)就是其中一種,曼切斯特編碼也叫做相位編碼(PE)和雙相碼(Biphase Code)。它的編碼規(guī)則是將每個二進制碼元變換成相位不同的一個方波周期。例如,消息碼“0”對應相位,“1”對應相位0。也可以這樣理解,每一位的中間有一跳變,位中間的跳變既作為時鐘信號,又作為數(shù)據(jù)信號;從高到低跳變表示“0”,從低到高跳變表示“1”,如圖1所示,以Manchester IEEE802.3為準。在傳輸碼元信息的同時,也將時鐘同步信號一起傳輸?shù)綄Ψ?,每位編碼中有一跳變,不存在直流分量(高電平和低電平電壓相反的情況),因此具有自同步能力和良好的抗干擾性能。小小的不足就是每一個碼元都被調(diào)制成兩個電平,所以數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾手挥姓{(diào)制速率的1/2。
圖1 曼切斯特編碼傳輸協(xié)議
1.編碼
如圖1所示,曼切斯特編碼一種簡單的實現(xiàn)就是數(shù)據(jù)和時鐘的異或,這種實現(xiàn)的前提是數(shù)據(jù)是依據(jù)時鐘信號進行輸出,即當前的數(shù)據(jù)和時鐘是同步的,這種方式實現(xiàn)在數(shù)據(jù)和時鐘的邊沿處可能會出現(xiàn)毛刺信號。如果數(shù)據(jù)和時鐘異步的,那毛刺信號就很多了,就不能簡單采用異或的方式實現(xiàn)。因此為了得到質(zhì)量較好的曼切斯特編碼不能簡單的采用異或方式實現(xiàn),另一種實現(xiàn)方式就是采用兩倍的是時鐘進行調(diào)制,即得到時鐘雙邊沿,雙邊沿采用數(shù)據(jù),依據(jù)數(shù)據(jù)的電平?jīng)Q定輸出的信號,較好的實現(xiàn)方式就是采用狀態(tài)機進行轉(zhuǎn)換,由于實現(xiàn)比較復雜因此也就不詳細講解了。
2.解碼
如圖1所示,曼切斯特解碼一種簡單的實現(xiàn)就是曼切斯特信號和時鐘的異或,這種實現(xiàn)是不穩(wěn)定的,因為解碼端的時鐘和編碼端時鐘是很難保證一樣,都有各自的時鐘抖動和偏差。因此保證正確的解碼,一種好的實現(xiàn)方式是采用高頻時鐘信號去采用曼切斯特信號,得到曼切斯特信號的脈寬和邊沿類型,脈寬可以得到時鐘頻率,脈寬和邊沿一起可以解碼出具體數(shù)據(jù),由于實現(xiàn)比較復雜因此也就不詳細講解了。
3.應用
由于曼切斯特編碼具有自同步能力和良好的抗干擾性能,因此在智能變電站中,互感器采樣得到數(shù)據(jù)傳輸通信就采用了曼切斯特編碼作為傳輸協(xié)議,并定義了數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約,簡稱為FT3。FT3是IEC60044-8電子式電流互感器標準里規(guī)定使用的幀格式,所以描述FT3實際上要從IEC60044-8的標準說起。FT3的數(shù)據(jù)傳輸采用串行傳輸,可采用異步方式傳輸,也可采用同步方式傳輸。
FT3同步傳輸介質(zhì)宜采用光纖傳輸系統(tǒng),邏輯“1”定義為“光纖亮”,邏輯“0”定義為“光纖滅”。傳輸比特速率為2.5Mbit/s或其整數(shù)倍。采樣率為4KHz和12.8KHz。光波長范圍為820nm~860nm(850nm),光纜類型為62.5/125μm多模光纖,光纖接頭宜采用ST或FC接頭。
數(shù)字編碼采用曼徹斯特編碼,首先傳輸MSB(最高有效位)。曼徹斯特編碼:從高位轉(zhuǎn)移到低位(下降沿)為二進制1,從低位轉(zhuǎn)移到高位(上升沿)為二進制0,即圖 1的Manchester G.E.Thomas。
FT3幀結(jié)構(gòu)如表1所示。
(1) 每幀固定長度,每個字節(jié)8位。
(2) 每幀由起始符開始,起始符由兩個字節(jié)組成,固定為0x0564。
(3) 報文類型:表示不同的幀類型和數(shù)據(jù)長度、信息排序。
(4) 用戶數(shù)據(jù),不同幀類型代表的意義不同。
(5) 用戶數(shù)據(jù)之后跟隨一個16位的CRC校驗序列,由下列多項式生成校驗,序列碼為X16+X13+X12+X11+X10+X8+X6+X5+X2+1,生成的16比特校驗序列再取反成為所要求的校驗序列。
表1 幀結(jié)構(gòu)表
數(shù)字變電站光分析儀DT6000系統(tǒng)都支持FT3的編碼和解碼,F(xiàn)T3的解碼為自適應波特率,不需要用戶配置波特率。并且解碼自動識別報文類型,目前支持報文類型有,F(xiàn)T3標準幀、FT3擴展幀和四種互感器協(xié)議,自適應解碼如圖2所示。
圖2 FT同步自適應解碼
曼切斯特編碼具有自同步能力和良好的抗干擾性能,單線串行傳輸數(shù)據(jù)和時鐘,因此在智能變電站中,F(xiàn)T3協(xié)議就采用了曼切斯特編碼作為傳輸協(xié)議,智能變電站光分析儀DT6000系列支持FT3的編碼與解碼,并且解碼為自適應波特率,自識別FT3幀格式。