CN102289422A - 基于背板总线与高速串行通讯的多级扩展控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于背板总线与高速串行通讯的多级扩展控制系统，以一个主控机箱、一个或多个扩展机箱为主体，利用背板总线实现控制机箱内各个板卡的数据通讯，利用高速串行通讯实现机箱之间的数据通讯；主控机箱内设主控板、执行单元板卡、从扩展板、背板；扩展机箱内设主扩展板、从扩展板、背板及执行单元板卡，主控机箱的从扩展板与扩展机箱的主扩展板连接，构成二级扩展控制系统；扩展机箱的从扩展板再与下一级扩展机箱的主扩展板连接，构成三级扩展控制系统；以此类推，构成多级扩展控制系统。该控制系统将多个控制机箱构成一个整体的控制系统，极大的满足了不同场合对控制系统的不同需求。

Description

基于背板总线与高速串行通讯的多级扩展控制系统

技术领域

本发明涉及一种电力电子行业的控制系统，特别是一种基于背板总线与高速串行通讯的多级扩展控制系统。

背景技术

随着电力电子技术的不断发展，电力传动与电能质量方面的设备不断地向大功率与大容量方面发展，这些设备的控制系统要控制的执行单元的数量越来越多，种类越来越复杂，而且不同容量、不同应用场合的控制系统所要控制的执行单元的种类和数量各不相同。为了降低控制系统的成本、使控制系统应用灵活方便，控制系统需要进行模块化设计，将不同的功能单元和执行单元做成不同种类的板卡(或模块)，然后根据不同容量、不同应用场合组装出满足实际需要的控制系统。目前普遍的模块化控制系统都是基于VME、PCI等总线设计的，由于这些总线负载能力及MAC层的限制，控制系统可扩展性有一定的局限性，不能充分满足某些大型设备控制系统可扩展性的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于背板总线与高速串行通讯的多级扩展控制系统，该控制系统利用背板总线实现控制机箱内各个板卡的数据通讯，利用高速串行通讯实现机箱之间的数据通讯，将多个控制机箱构成一个整体的控制系统，极大的满足了不同场合对控制系统的不同需求。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

基于背板总线与高速串行通讯的多级扩展控制系统，以一个主控机箱、一个或多个扩展机箱为主体，通过光纤为传输媒介，利用背板总线实现控制机箱内各个板卡的数据通讯，利用高速串行通讯实现机箱之间的数据通讯；主控机箱包括主控板、执行单元板卡、从扩展板、背板；扩展机箱包括主扩展板、从扩展板、背板及执行单元板卡，主控机箱的从扩展板与扩展机箱的主扩展板连接，构成二级扩展控制系统；扩展机箱的从扩展板再与下一级扩展机箱的主扩展板连接，构成三级扩展控制系统；以此类推，构成多级扩展控制系统；主控机箱及扩展机箱的执行单元板卡、从扩展板、背板结构相同。

所述的主控板包括DSP数据处理模块、FPGA控制模块、时钟管理模块，DSP数据处理模块、时钟管理模块分别与FPGA控制模块相连接；DSP数据处理模块用于数据的处理，FPGA控制模块用于数据的传输；主控板上设有Bus LVDS总线接口、总线时钟接口、电源接口和TTL总线接口用于与背板连接，主控板提供全局时钟。

所述的执行单元板卡包括CO板、IO板、AO板、AD板和PU板，CO板为通讯接口板，IO板实现数字量输入输出功能，AO板用于模拟量输出，AD板用于模拟量采集，PU板用于脉冲驱动，各执行单元板卡分别插在背板对应的位置上。

所述的从扩展板是用于实现控制系统多级扩展的板卡，包括FPGA控制模块、SerDes模块、激光收发模块、光纤发送模块，FPGA控制模块用于实现背板数据总线与SerDes模块数据总线的交互，SerDes模块用于将并行数据与高速串行数据相互转换，激光收发模块用于将高速串行数据与光信号相互转换，光纤发送模块用于发送控制周期同步信号，用于保证各控制机箱在统一的控制周期下工作；从扩展板通过Bus LVDS总线接口和电源接口与背板相连接。

所述的背板固定于机箱内部，背板上设有多个槽位，这些位置槽用于插入主控机箱或扩展机箱的各种功能板卡，每一个位置槽都有独立的电源连接器用于给单板供电，系统槽用于插主控板或者主扩展板；TTL总线插槽用于插带有TTL连接器的执行单元板卡；TTL与Bus LVDS混合插槽既可以插带有TTL连接器的执行单元板卡，也可以插带有Bus LVDS连接器的执行单元板卡和从扩展板，控制箱的电源由外部供电到背板，再由背板提供到各个功能板卡。

所述的主扩展板是用于实现控制系统多级扩展的板卡，包括FPGA控制模块、SerDes模块、激光收发模块、光纤接收模块，FPGA控制模块用于数据的传输；SerDes模块用于将并行数据与高速串行数据相互转换，激光收发模块用于将高速串行数据与光信号相互转换，光纤接收模块用于接收从扩展板发过来的控制周期同步信号，主扩展板上设有BusLVDS总线接口、总线时钟接口、电源接口和TTL总线接口与背板连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

该控制系统利用背板总线实现控制机箱内各个板卡的数据通讯，利用高速串行通讯实现机箱之间的数据通讯，将多个控制机箱构成一个整体的控制系统，极大的满足了不同场合对控制系统的不同需求。

附图说明

图1为主控板结构示意图；

图2为背板结构示意图；

图3为从扩展板结构示意图；

图4为主扩展板结构示意图；

图5为主控机箱结构示意图；

图6为扩展机箱结构示意图；

图7为二级扩展控制系统结构示意图；

图8为三级扩展控制系统结构示意图。

具体实施方式

见图7、图8，基于背板总线与高速串行通讯的多级扩展控制系统，以一个主控机箱、一个或多个扩展机箱为主体，通过光纤为传输媒介，利用背板总线实现控制机箱内各个板卡的数据通讯，利用高速串行通讯实现机箱之间的数据通讯。

见图5，主控机箱内设主控板、执行单元板卡(CO板、IO板、AO板、AD板、PU板)、从扩展板、背板。见图6，扩展机箱内设主扩展板、从扩展板、背板及执行单元板卡(CO板、IO板、AO板、AD板、PU板)。见图7、图8，主控机箱的从扩展板与扩展机箱的主扩展板连接，构成二级扩展控制系统；扩展机箱的从扩展板再与下一级扩展机箱的主扩展板连接，构成三级扩展控制系统；以此类推，可构成多级扩展控制系统；主控机箱及扩展机箱的执行单元板卡、从扩展板、背板结构相同。

主控机箱内设主控板、执行单元板卡(CO板、IO板、AO板、AD板、PU板)、从扩展板、背板。一个主控机箱的背板有十三个槽位，其中一个是系统槽，用于插主控板，其余的槽位用于插从扩展板和执行单元板卡，从扩展板根据控制系统的需要可以是0-9个，执行单元板卡根据控制系统需要可以是0-12个，从扩展板和执行单元板卡的总和是1-12个。

扩展机箱内设主扩展板、从扩展板、背板以及执行单元板卡。扩展机箱的背板和主控机箱的背板是同一种背板，背板的系统槽必须插主扩展板，其余的槽位可插从扩展板和执行单元板卡，从扩展板根据控制系统的需要可以是0-9个，执行单元板卡根据控制系统需要可以是0-12个，从扩展板和执行单元板卡的总和是1-12个。

见图1，主控板包括DSP数据处理模块、FPGA控制模块、时钟管理模块，DSP数据处理模块、时钟管理模块分别与FPGA控制模块相连接；该板卡的DSP数据处理模块是整个控制系统的数据处理芯片，FPGA用于数据传输。主控板与背板之间有四种连接器：用于Bus LVDS数据传输的Bus LVDS总线接口、用于TTL数据传输的TTL总线接口、用于提供全局时钟的总线时钟接口、用于电源供电的电源接口。

见图2，背板固定于机箱底部，用于连接各个板卡。背板有13个槽位，分别用于插13个控制器板卡，其中有1个系统槽、3个TTL总线插槽、9个TTL与Bus LVDS混合插槽。每一个位置槽都有独立的电源连接器用于给单板供电。系统槽用于插主控板(主控机箱)或者主扩展板(扩展机箱)；TTL总线插槽用于插带有TTL连接器的执行单元板卡；TTL与Bus LVDS混合插槽既可以插带有TTL连接器的执行单元板卡，也可以插带有Bus LVDS连接器的执行单元板卡和从扩展板，当用于插带有Bus LVDS连接器的板卡时就称为BusLVDS总线插槽，当用于插带有TTL连接器的板卡时就称为TTL总线插槽。控制箱的电源都是由外部供电到背板，再由背板提供到各个单板。

见图3，从扩展板是用于实现控制系统多级扩展的板卡，该板卡由FPGA控制模块、SerDes模块、高速激光收发模块及光纤发送模块组成，FPGA控制模块用于实现背板数据总线与SerDes模块数据总线的交互，SerDes模块用于将并行数据与高速串行数据相互转换，高速激光收发模块用于将高速串行数据与光信号相互转换，光纤发送模块用于发送控制周期同步信号，用于保证各控制机箱在统一的控制周期下工作。从扩展板与背板之间有2种连接器：用于Bus LVDS数据传输的Bus LVDS总线接口和用于电源供电的电源接口。

见图4，扩展机箱的主扩展板是用于实现控制系统多级扩展的板卡，该板卡由FPGA控制模块、SerDes模块、高速激光收发模块和光纤接收模块组成，除了光纤接收模块外，其它器件功能与从扩展板上的器件功能相同。光纤接收模块用于接收从扩展板发过来的控制周期同步信号。主扩展板与背板之间的有四种连接器：用于Bus LVDS数据传输的Bus LVDS总线接口、用于TTL数据传输的TTL总线接口、用于提供全局时钟的总线时钟接口、用于电源供电的电源接口。

见图5、图6，执行单元板卡包括模拟量采集AD板、数字量输入输出IO板、脉冲驱动PU板、以太网和CAN总线等通讯接口CO板、模拟量输出AO板等多种功能板卡。其中PU板采用Bus LVDS数据总线，AD板、IO板、CO板和AO板采用TTL数据总线。这些执行单元板卡分别插到背板对应的位置上。

背板总线是在背板上用于传输数据的总线，包括TTL数据总线和Bus LVDS数据总线这两种总线。其中TTL数据总线是单端信号，总线位宽32位，传输的数据速率为20Mbps；Bus LVDS数据总线是差分信号，总线位宽32位，传输的数据速率为100Mbps。

高速串行通讯是通过FPGA控制模块、SerDes模块、高速激光收发模块和高速光纤这四部分实现。FPGA控制模块用于实现SerDes模块和高级激光模块的控制逻辑，以及读写SerDes模块的并行数据总线；SerDes模块与高速激光收发模块之间通过高速差分信号进行串行数据传输；主控机箱与扩展机箱，扩展机箱与扩展机箱之间的高速激光收发模块通过高速光纤进行数据传输。

控制系统可根据需要来进行多级扩展，扩展级数可以是一级扩展，即只有一个主控机箱(图5)；也可以是二级扩展，即包括主控机箱和一个扩展机箱(图7，扩展机箱不需设置从扩展板)；还可以是三级扩展，即由第二级扩展机箱继续扩展出第三级扩展机箱(图8)；所述多级扩展控制系统只是以一、二、三级扩展为例，但不限于一、二、三级扩展级数的控制系统，以此类推，由一个主控机箱和多个扩展机箱可形成四级、五级等更多扩展级数的控制系统。

背板总线以TTL数据总线和Bus LVDS数据总线为例，但不限于TTL数据总线和Bus LVDS数据总线，它包括LVCMOS等多种单端数据总线和LVPECL等多种差分数据总线，总线位宽也不限于32位，还包括8位、16位、64位等各种总线位宽。

多级扩展以光纤为介质的高速串行通讯为例，但不限于以光纤为介质的高速串行通讯，它包括并行数据通讯，无线数据通讯以及电缆为介质的串行通讯。

Claims (6)

1.基于背板总线与高速串行通讯的多级扩展控制系统，其特征在于，以一个主控机箱、一个或多个扩展机箱为主体，通过光纤为传输媒介，利用背板总线实现控制机箱内各个板卡的数据通讯，利用高速串行通讯实现机箱之间的数据通讯；主控机箱包括主控板、执行单元板卡、从扩展板、背板；扩展机箱包括主扩展板、从扩展板、背板及执行单元板卡，主控机箱的从扩展板与扩展机箱的主扩展板连接，构成二级扩展控制系统；扩展机箱的从扩展板再与下一级扩展机箱的主扩展板连接，构成三级扩展控制系统；以此类推，构成多级扩展控制系统；主控机箱及扩展机箱的执行单元板卡、从扩展板、背板结构相同。

2.根据权利要求1所述的基于背板总线与高速串行通讯的多级扩展控制系统，其特征在于，所述的主控板包括DSP数据处理模块、FPGA控制模块、时钟管理模块，DSP数据处理模块、时钟管理模块分别与FPGA控制模块相连接；DSP数据处理模块用于数据的处理，FPGA控制模块用于数据的传输；主控板上设有Bus LVDS总线接口、总线时钟接口、电源接口和TTL总线接口用于与背板连接，主控板提供全局时钟。

3.根据权利要求1所述的基于背板总线与高速串行通讯的多级扩展控制系统，其特征在于，所述的执行单元板卡包括CO板、IO板、AO板、AD板和PU板，CO板为通讯接口板，IO板实现数字量输入输出功能，AO板用于模拟量输出，AD板用于模拟量采集，PU板用于脉冲驱动，各执行单元板卡分别插在背板对应的位置上。

4.根据权利要求1所述的基于背板总线与高速串行通讯的多级扩展控制系统，其特征在于，所述的从扩展板是用于实现控制系统多级扩展的板卡，包括FPGA控制模块、SerDes模块、激光收发模块、光纤发送模块，FPGA控制模块用于实现背板数据总线与SerDes模块数据总线的交互，SerDes模块用于将并行数据与高速串行数据相互转换，激光收发模块用于将高速串行数据与光信号相互转换，光纤发送模块用于发送控制周期同步信号，用于保证各控制机箱在统一的控制周期下工作；从扩展板通过Bus LVDS总线接口和电源接口与背板相连接。

5.根据权利要求1所述的基于背板总线与高速串行通讯的多级扩展控制系统，其特征在于，所述的背板固定于机箱内部，背板上设有多个槽位，这些位置槽用于插入主控机箱或扩展机箱的各种功能板卡，每一个位置槽都有独立的电源连接器用于给单板供电，系统槽用于插主控板或者主扩展板；TTL总线插槽用于插带有TTL连接器的执行单元板卡；TTL与Bus LVDS混合插槽既可以插带有TTL连接器的执行单元板卡，也可以插带有BusLVDS连接器的执行单元板卡和从扩展板，控制箱的电源由外部供电到背板，再由背板提供到各个功能板卡。

6.根据权利要求1所述的基于背板总线与高速串行通讯的多级扩展控制系统，其特征在于，所述的主扩展板是用于实现控制系统多级扩展的板卡，包括FPGA控制模块、SerDes模块、激光收发模块、光纤接收模块，FPGA控制模块用于数据的传输；SerDes模块用于将并行数据与高速串行数据相互转换，激光收发模块用于将高速串行数据与光信号相互转换，光纤接收模块用于接收从扩展板发过来的控制周期同步信号，主扩展板上设有BusLVDS总线接口、总线时钟接口、电源接口和TTL总线接口与背板连接。

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