CN103795520B

CN103795520B - 一种基于fpga报文实时同步方法

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Publication number: CN103795520B
Application number: CN201410031244.6A
Authority: CN
Inventors: 周华良; 谢黎; 姜雷; 赵马泉; 胡钰林; 侯喆; 潘书燕
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI; State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd; Nari Technology Co Ltd; NARI Nanjing Control System Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI; State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd; Nari Technology Co Ltd; NARI Nanjing Control System Co Ltd
Priority date: 2014-01-23
Filing date: 2014-01-23
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2034-01-23
Also published as: CN103795520A

Abstract

本发明涉及的是一种基于FPGA报文实时同步方法，其方法为：系统的主设备（模块）通过FPGA芯片将同步报文按设定的时刻下发给各分设备（模块），各分设备（模块）通过FPGA芯片对接收到的同步报文到达时刻沿进行锁定并解析同步报文信息、根据报文延时和同步时延实时触发同步信号，从而实现各分设备（模块）实时同步工作。本发明采用点对点的传输方式，通过同步报文触发同步信号，进而实现各个设备实时同步，这样使得系统的可靠性进一步提高、各个设备之间的信息交互得以更加灵活，同时也利于降低系统复杂度、提高系统的集成度和运行的可维护性，为电力系统及工业控制领域的可靠的稳定运行提供经济可行的方法。

Description

一种基于FPGA报文实时同步方法

技术领域

本发明涉及的是一种利用FPGA之间串行通信报文方式实现的实时同步方法，即基于FPGA报文实时同步方法，属于电力系统及工业控制领域。

背景技术

在电力系统及工业测控领域常常需要实时同步技术，以实现多个设备同步运行或者协同工作的功能。设备间同步的内容有时间、运行参数等，设备间的实时同步一般通过通信方式实现，通信介质可以是电缆、双绞线、光纤等，其实时性也有具体指标要求，如秒级、毫秒级、微秒级或亚微秒级甚至更高。对于实时性要求不高的场合，通用异步收发器（UART）技术可以满足应用要求。

随着微电子技术、计算机技术、通信技术的发展，目前在实时性要求较高的场合已经有现场总线技术、工业以太网技术可以满足不同工业设备之间的实时同步要求，这两类技术均遵循公开、规范的网络体系结构，各自针对特定的应用场合提出标准的通信协议，基于总线方式实现了实时的工业数据通信，其实时性可以达到亚毫秒级。近年来，现场可编程门阵列（FPGA）技术迅速发展，此技术凭借其实时性、灵活性、并行性等性能上的优势在工业测控领域得到了广泛应用。FPGA能够基于硬件实现逻辑处理、数据交换及各种通信接口等功能，通信协议可以采用开放的标准协议，也可以采用私有协议，通信内容可以灵活配置，具有提高通信实时性能的能力，其实时性可以达到百纳秒级。

但在电力系统及工业控制领域中，实时同步存在着系统造价高，集成度低，而不同系统的要求可支持不同的传输速率，难以满足同步实时的需求，抗干扰性能低的缺陷。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是提供一种利用FPGA之间串行通信报文方式实现的实时同步方法，即基于FPGA报文实时同步方法，采用点对点的传输方式，可靠性进一步提高、各个模块（模块）之间的信息交互得以更加灵活，降低系统复杂度、提高系统的集成度和运行的可维护性，为电力系统及工业控制领域的可靠的稳定运行提供经济可行的方法。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种基于FPGA报文实时同步方法，其方法为：电力系统的主设备通过FPGA芯片将同步报文按设定的等间隔时刻下传输给各分设备，各分设备通过FPGA芯片对接收到的同步报文到达时刻沿进行锁定并解析同步报文信息、根据报文延时和同步时延实时触发同步信号，分设备根据该同步信号执行相关工作后，发送反馈报文给主设备，主设备解析反馈报文交予主运算处理器计算处理，完成相应操作后，再进行下一轮的同步报文下发，进而实现各分设备实时同步工作。

所述主设备（模块）与各分设备（模块）之间是基于FPGA的点对点通讯连接，传输通道共享，所述点对点传输的物理层介质为电缆形式，或适合各类波长的光纤光缆通信介质。

所述点对点通讯中，主设备（模块）和分设备（模块）之间是FPGA与FPGA一对一的双向链路通信；对于主设备（模块）而言，是一对多个分设备（模块）的通讯，各个分设备（模块）之间是相互独立的，主设备（模块）内各个通道是相互独立的。

报文传输遵循报文传输机制，双向通信链路上传输的是报文形式的数据流，其不是简单的逻辑控制信号，报文是以一定的编码形式存在的；所述报文传输机制包含同步帧、同步反馈帧，通讯帧采用的协议或规约采用通用的标准规约，或采用自行定义的规约形式，所述报文传输的链路层编码方式为曼彻斯特编码、UART格式、4B5B、或8B10B的形式。

FPGA发送控制和接收同步处理方法为，主设备（模块）通过FPGA实现同步报文的等间隔实时发送；各分设备（模块）通过FPGA来检测同步报文起始帧头，通过FPGA高速时钟采样来锁定报文帧头到达的时刻沿，并接收解码相关报文，按给定和计算所得的延时，实时触发同步信号，从而实现各分设备（模块）实时同步工作。

守时容错技术：当主设备（模块）与分设备（模块）FPGA之间的通讯出现故障时，分设备（模块）可以通过FPGA守时容错技术，实现系统正常工作。FPGA首先通过自学习，掌握同步报文的到达时间间隔，在系统丢帧的情况下，通过这个自学习的时间间隔，触发预设定次数的同步信号，实现各分设备（模块）同步工作。在下行通讯链路中断、上行通讯链路正常的情况下，分设备（模块）也可利用守时容错功能实现故障信息上传。

报文类型包括：同步报文，用于同步各个分设备（模块）并可以传输相关分设备（模块）的控制信息；同步反馈报文，用于分设备（模块）反馈结果组帧后回送。

本发明通过利用FPGA技术及基于报文方式实现实时同步，即就特定编码的通讯报文，采用点对点的传输方式，通过同步报文触发同步信号，进而实现各个设备（模块）实时同步，这样使得系统的可靠性进一步提高、各个设备（模块）之间的信息交互得以更加灵活，同时也利于降低系统复杂度、提高系统的集成度和运行的可维护性，为电力系统及工业控制领域的可靠的稳定运行提供经济可行的方法。

本发明的有益效果如下：

1)通过基于FPGA之间点对点报文同步的方式优化系统的现场网络布线，优化系统造价，增加集成度；

2)使用FPGA技术提高了同步的性能参数，可以达到100ns以下，同时具备容错功能和抗干扰性能；

3)报文通讯支持不同的编码形式，如曼彻斯特编码、4B5B编码等；

4)根据不同系统的要求可支持不同的传输速率，可支持从5Mbps到1Gbps不同的传输速率；

5)通讯传输介质适用于电缆和光缆两种通讯介质；

6)FPGA协处理机制实现系统的并发性计算，处理性能强。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的主设备（模块）同步工作原理框图；

图3为本发明的分设备（模块）同步工作原理框图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本实施例是一种基于FPGA报文实时同步方法，其方法为：系统的主设备（模块）通过FPGA芯片将同步报文按设定的时刻下发给各分设备（模块），各分设备（模块）通过FPGA芯片对接收到的同步报文到达时刻沿进行锁定并解析同步报文信息、根据报文延时和同步时延实时触发同步信号，从而实现各分设备（模块）实时同步工作。

在电力系统及工业控制等一些应用领域，需要做到不同设备同步运行或者协同工作，本发明使用FPGA之间串行通信报文方式实现不同设备（模块）之间的实时同步。其采用在FPGA内部利用特定编码的通讯报文，采用点对点的传输方式，通过同步报文触发同步信号，进而实现各个设备（模块）实时同步。为更加详细阐述本发明，本发明具体实施例如下：

如图1所示，主设备（模块）通过FPGA芯片将同步报文按设定的等间隔时刻下发给各分设备（模块），各分设备（模块）通过FPGA对接收到的同步报文到达时刻沿进行锁定并解析同步报文信息、根据报文延时和同步时延触发同步信号，分设备（模块）根据此同步信号执行相关工作后，发送反馈报文给主设备（模块），主设备（模块）解析反馈报文交予主运算处理器计算处理，完成相应操作后，再进行下一轮的同步报文下发，进而实现系统基于FPGA报文实时同步的功能。主设备（模块）和各分设备（模块）之间的报文通过不同的报文类型来加以区分实现。

本发明的具体工作步骤如下：

如图2所示，主设备（模块）同步工作原理，包含主运算处理器CPU和FPGA处理器，通过FPGA扩展多路报文收发通道；主设备（模块）在每个控制周期内按照设定的延时发送同步报文，待收到反馈报文后进行相应的运算处理，完成相应操作后，再进行下一轮的同步报文下发；依次循环。

如图3所示，分设备（模块）同步工作原理，由FPGA处理器和功能逻辑电路组成；分设备（模块）在收到同步报文后进行同步并延时触发功能逻辑，执行相应的功能逻辑之后，组帧并发送同步反馈报文；同时，通过FPGA的处理对同步报文具有一定的容错处理和抗干扰功能。

报文设计说明，报文类型包括同步报文（用于同步各个分设备（模块），也可以附属传输相关分设备（模块）的控制信息）、同步反馈报文（用于分设备（模块）将相应执行结果组帧回送）。报文的形式及内容根据具体使用情况来定。

上述主设备（模块）即为此系统的主处理单元，负责同步各个分设备（模块）、处理解析各分设备（模块）的各类数据、进行实时处理计算、控制同步报文发送以及参数配置等功能，其一般为处理器加FPGA处理设备单元。

上述分设备（模块）主要利用FPGA实现各个不同应用需求的功能逻辑，可以实现进行参数配置、参数校准优化等，用于具体功能逻辑的实时执行控制、反馈以及相关的容错处理等。

本发明通过利用FPGA技术及基于报文方式实现实时同步，即就特定编码的通讯报文，采用点对点的传输方式，通过同步报文触发同步信号，进而实现各个设备（模块）实时同步，这样使得系统的可靠性进一步提高、各个模块（模块）之间的信息交互得以更加灵活，同时也利于降低系统复杂度、提高系统的集成度和运行的可维护性，为电力系统及工业控制领域的可靠的稳定运行提供经济可行的方法。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种基于FPGA报文实时同步方法，其特征在于，其方法为：电力系统的主设备通过FPGA芯片将同步报文按设定的等间隔时刻下传输给各分设备，各分设备通过FPGA芯片对接收到的同步报文到达时刻沿进行锁定并解析同步报文信息、根据报文延时和同步时延实时触发同步信号，分设备根据该同步信号执行相关工作后，发送反馈报文给主设备，主设备解析反馈报文交予主运算处理器计算处理，完成相应操作后，再进行下一轮的同步报文下发，进而实现各分设备实时同步工作，当主设备与分设备FPGA之间的通讯出现故障时，分设备通过FPGA的守时容错方法，实现系统正常工作；FPGA首先通过自学习，掌握同步报文的到达时间间隔，在系统丢帧的情况下，通过这个自学习的时间间隔，触发预设定次数的同步信号，实现各分设备同步工作；在下行通讯链路中断、上行通讯链路正常的情况下，分设备利用FPGA的守时容错方法实现故障信息上传。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA报文实时同步方法，其特征在于，根据报文延时和同步时延触发同步信号，主设备和各分设备之间的报文通过不同的报文类型来加以区分实现。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA报文实时同步方法，其特征在于，所述主设备与各分设备之间是基于FPGA的点对点通讯连接，传输通道共享。

4.根据权利要求3所述的基于FPGA报文实时同步方法，其特征在于，所述点对点传输的物理层介质为电缆形式，或适合各类波长的光纤光缆通信介质。

5.根据权利要求3所述的基于FPGA报文实时同步方法，其特征在于，所述点对点通讯中，主设备和分设备之间是FPGA与FPGA一对一的双向链路通信；所述主设备是一对多个分设备的通讯，各个分设备之间是相互独立的，主设备内各个通道是相互独立的。

6.根据权利要求5所述的基于FPGA报文实时同步方法，其特征在于，所述同步报文的传输遵循报文传输机制，所述双向通信链路上传输的是报文形式的数据流，报文是以一定的编码形式存在的。

7.根据权利要求6所述的基于FPGA报文实时同步方法，其特征在于，所述报文传输机制包含同步帧和同步反馈帧；通讯帧采用的协议或规约采用通用的标准规约或采用自行定义的规约形式；报文传输的链路层编码方式为曼彻斯特编码、UART格式、4B5B或8B10B的形式。

8.根据权利要求6所述的基于FPGA报文实时同步方法，其特征在于，所述FPGA发送控制和接收同步处理方法为：主设备通过FPGA实现同步报文的等间隔实时发送；各分设备通过FPGA来检测同步报文起始帧头，通过FPGA高速时钟采样来锁定报文帧头到达的时刻沿，并接收解码相关报文，按给定和计算所得的延时，实时触发同步信号，从而实现各分设备实时同步工作。

9.根据权利要求6所述的基于FPGA报文实时同步方法，其特征在于，所述报文类型包括：同步报文，用于同步各个分设备并传输相关分设备的控制信息；同步反馈报文，用于分设备反馈结果组帧后回送。