CN103888331A - 一种用于配电终端的通用高速总线装置及其数据交互方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于配电终端的通用高速总线装置及其数据交互方法。其中，主模块与子模块具有物理接口和介质访问控制交互模块；主模块通过物理接口与子模块相连接；主模块与子模块的数据通过物理接口送至对方介质访问控制交互模块进行处理；介质访问控制交互模块采用可编程AS I c器件实现。子模块将采集到的数据由其介质访问控制交互模块处理后，通过物理接口送至主模块的介质访问控制交互模块；数据由主模块的介质访问控制交互模块处理后，通过物理接口送至子模块的介质访问控制交互模块。本发明具有良好的开放性、稳定性和可扩展性，可以实现不同厂家的功能模块互换，大大降低配电终端的运维难度，提高配电终端的运维水平。

Description

一种用于配电终端的通用高速总线装置及其数据交互方法

技术领域

本发明涉及一种数据总线装置，尤其涉及一种可用于不同类型配电终端的通用高速总线装置，同时还涉及基于该通用高速总线装置的数据交互方法，属于配电自动化技术领域。

背景技术

随着我国电力市场和经济建设的发展，配电站所的终端应用越来越普及，其功能集成化要求也越来越多，安全性、可靠性、实时性等指标要求也越来越高，处于电网建设最薄弱环节的配电网及配电自动化建设亟待加强。

配电终端的作用是采集配电网各种设备的运行信息并对配电一次设备的控制操作，主要功能可以分为以下几类：遥测、遥控、遥信、数据上传。现有的配电终端在功能上存在很大的差别，有些配电终端只能实现以上功能中的一项或两项。但是，配电现场的情况比较复杂，配电设备的数量也不固定，这就影响了配电终端的功能配置。为了满足不同配电现场的需求，目前各厂家设计了具有多种外形、多种功能的配电终端，各种配电终端的接口数量一般是固定的。

在配电网的运行现场中，经常会出现配电线路需要扩充的情况。但是，配电终端的接口数量往往是固定的，在需要扩展的情况下不能满足要求，甚至会出现同一现场需要安装多台配电终端的情况。对于配电线路过少的运行现场，配电终端的接口又会出现空置。针对配电终端无法根据现场情况进行灵活配置、扩展性差的情况，目前尚未提出有效的解决方案，此外，配电网运行维护困难大的一个原因就是不同厂家的配电终端往往不兼容，无法实现功能模块的互换。

在公开号为103023149A的中国发明申请中，公开了了一种基于IEC61850标准的配电智能终端及智能配电系统。该配电智能终端包括双核数据处理板件、模拟量采集板件、遥信板件、遥控板件、电源类模块、高速串行总线。该技术方案满足了目前智能配电网对终端功能的基本要求，模块化的设计满足了扩展不同功能的需求，对推动智能配电终端在开放性、扩展型、互操作性方面起到很大的促进作用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种用于配电终端的通用高速总线装置。

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种基于上述通用高速总线装置的数据交互方法。

为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种用于配电终端的通用高速总线装置，包括采用分布式结构的主模块和多个子模块，其中，

所述主模块与多个所述子模块分别具有物理接口和介质访问控制交互模块；

所述主模块通过物理接口与多个所述子模块相连接；

所述介质访问控制交互模块采用可编程ASIC器件实现。

一种基于上述通用高速总线装置的数据交互方法，包括如下步骤：

所述主模块与多个所述子模块的数据通过所述物理接口送至对方的介质访问控制交互模块进行处理；

多个所述子模块将采集到的数据由其中的介质访问控制交互模块处理后，通过物理接口送至所述主模块的介质访问控制交互模块；

所述数据由所述主模块的介质访问控制交互模块处理后，通过所述物理接口送至多个所述子模块的介质访问控制交互模块。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1）采用以太网以及可编程器件技术实现配电终端通用高速总线装置，具有快速、可靠、易用、开放、低成本、灵活的特点：传输速度可以满足今后相当长一段时间内高速总线传输的需要；

2）可以满足不同厂家的功能模块相互更换的要求，大大降低配电终端的运维难度，提高配电终端的运维水平，降低设备采购和运维备品备件的成本。

附图说明

图1是本通用高速总线装置的外部连接关系示意图；

图2是本通用高速总线装置的内部结构示意图；

图3是本发明中，介质访问控制交互模块的内部结构示意图；

图4是本发明中，基于通用高速总线装置的数据交互方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明所提供的通用高速总线装置的外部连接关系示意图。在本发明中，采用一个主模块与多个子模块的分布式结构，主模块和子模块相对独立开发，从而实现主模块和子模块的去耦合，各模块之间的物理层基于差分信号实现通信。根据配电网的实际需要，子模块可以由电压采集模块、电流采集模块、开关量输入模块、开关量输出模块、人机接口模块或其他扩展模块中的一种或多种构成。

本发明中，主模块与多个子模块均采用基于IEEE802.3的介质访问控制(Medium Access Control，简称MAC)层和物理层的分层架构，并采用可编程ASIC器件实现相应层次功能的模块。例如，采用FPGA（现场可编程门阵列）实现主模块中的介质访问控制交互模块；采用CPLD（复杂可编程逻辑器件）实现多个子模块中的介质访问控制交互模块等。

图2为本发明所提供的通用高速总线装置的内部结构示意图。主模块包含CPU、FPGA模块和多个物理接口。其中，CPU与FPGA模块、FPGA模块与多个物理接口通过总线进行连接，FPGA模块用来实现主模块的介质访问控制层的功能。本通用高速总线装置充分利用了FPGA的逻辑功能全部用硬件电路实现的优势，发挥了它的并行处理能力和快速响应能力，支持多个子模块的同步定时并发信息召唤与召回信息解析，保证了主模块和各子模块之间数据通信的实时性和可靠性。

子模块包括CPLD模块和物理接口，该CPLD模块与物理接口相连接，并用来实现子模块中的介质访问控制层的功能。若某个子模块的功能发生改变，只需改变对应子模块的固件配置信息，无需改变其他子模块的软硬件，并且做到模块与插槽位置无关，实现子模块的即插即用。可扩展的总线通信规约可以传输子模块的任意信息，方便实现子模块回路自检、信号反校验等功能，为配电终端升级或硬件更换留下空间。

在本发明中，模块之间的通信采用简单可靠的主从同步并发问答协议，并且FPGA还设计有多个信息完备、相互独立的数据结构区，其中一条链路发生故障时，由于上述数据结构区完全独立，不会影响到其它通道，大大简化配电终端的运维难度，提高配电终端的运维水平。另外，FPGA作为目前世界上最快的处理器之一，具有极高的处理速度，所有的延迟只来源于门电路，而一般门电路的延迟都在ns级别，与同步并发机制共同保证了通用高速总线装置极高的传输速度和响应速度。

图3所示为本发明中的介质访问控制交互模块。该模块包括：内部寄存器、信息结构处理模块、定时器、定时召唤模块、多通道同步发送器、以太网MAC/S MII接口、召唤回应解析模块、多通道接收器等部分。其中，内部寄存器与信息结构处理模块相连，信息结构处理模块与定时召唤模块和召唤回应解析模块相连，定时召唤模块所需要的时钟节拍由定时器产生，并与多通道同步发送器相连接，后者与以太网MAC/S MII接口相连；反之，以太网MAC/S MII接口与多通道接收器相连，多通道接收器与召唤回应解析模块相连，由召唤回应解析模块再将数据送入信息结构处理模块。

图4为本发明提供的基于通用高速总线装置的数据交互方法流程图。数据经过物理接口时，其中一个数据流向上，需要依次经过以太网MAC/S MII（Media Independent Interface，简称MII）接口、4B/5B（4B/5B编码：将欲发送的数据流每4bit作为一个组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应5bit码；5bit码共有32种组合，但是只采用其中对应4bit码的16种，其他的16种或者未用或者用作控制码，以表示帧的开始和结束、线路的状态（静止、空闲、暂停）等）编码器、扰频器、并行转串行、NRZ到NRZI（Non-Return-to-Zero InvertedCode，简称NRZI）转换、MLT-3编码器，数据发送模块等；在另一个数据流向上，需要依次经过数据接收模块、自适应均衡器、MLT-3到NRZI转换、时钟数据恢复、NRZI到NRZ转换、串行转并行、解扰器、4B/5B解码器和以太网MAC/S MII接口。

在本发明所提供的数据交互方法中，主模块与多个子模块的数据通过物理接口送至对方介质访问控制交互模块进行处理；多个子模块将采集到的数据由其介质访问控制交互模块处理后，通过物理接口送至主模块的介质访问控制交互模块；数据由主模块的介质访问控制交互模块处理后，通过物理接口送至多个子模块的介质访问控制交互模块。

参见图3，主模块中的FPGA模块接收CPU设定的IO采样频率，生成IO通信节拍定时器，按照定时器节拍向多个子模块同步发送子模块召唤报文：从内部寄存器中取出报文，对该报文进行信息结构处理；同时，按照定时器节拍，定时召唤模块通过多通道同步发送器将召唤报文发送给以太网MAC/S MII接口；子模块应在规定时间间隔内返回应答报文，对于不同类型的子模块允许返回不同类型的应答报文，多通道接收器接收返回的应答报文，由召唤回应解析模块解析该应答报文进而生成该子模块的实时IO数据结构，此时FPGA触发中断给CPU由其读取IO信息，供CPU产生保护、测控的数据节拍。

由上述技术内容可知，本发明中FPGA模块代替CPU进行信号采集工作，并对IO数据进行处理，充分利用了FPGA用硬件电路实现逻辑功能的优势，从而有效地将CPU从信号采集工作中解脱出来，使其能够集中精力进行电力保护算法和信息分析计算等事务处理，传输速度可满足不同厂家的功能模块之间高速总线传输的需要，具有快速、可靠、易用、灵活的特点。

参见图4所示的数据在物理接口进行交互的过程：物理接口发送数据时，上述数据经以太网MAC/S MII接口送至4B/5B编码器进行编码，编码后的数据经扰频器处理，并且进行并行输入串行输出(PISO)转换后，进一步将上述数据进行NRZI转换，转换后的数据包变成一串125MHz的NRZI数据流，并经过MLT-3编码器的编码处理，最后送到总线上进行发送。

物理接口接收数据时，来自总线的MLT-3信号进入自适应均衡器，并经过MLT-3到NRZI转换，再经过时钟与数据恢复处理后将数据包NRZ转换，串行输入并行输出转换，解扰器处理，4B/5B解码，最后通过MII接口送至介质访问控制交互模块。总线上的通信信号为差分信号，收发各采用两根连接线，可防止共模干扰等影响，保证传输的可靠性，并实现全双工传输。

本发明公开了一种用于配电终端的通用高速总线装置及数据交互方法，采用以太网技术实现物理接口和介质访问控制交互模块的所有功能，物理接口包括4B/5B编码、MLT-3编码等功能单元，采用基于差分信号的通信方式，可靠性较高；介质访问控制交互模块可以采用FPGA和CPLD来实现，具有速度快、可并行处理、应用灵活、成本低等优势，可以满足配电终端通用高速总线对实时性、可扩展能力、并发处理的要求。

上面对本发明所提供的用于配电终端的通用高速总线装置及其数据交互方法进行了详细的说明。对一般领域的技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (10)

1.一种用于配电终端的通用高速总线装置，包括采用分布式结构的主模块和多个子模块，其特征在于，

所述主模块与多个所述子模块分别具有物理接口和介质访问控制交互模块；

所述主模块通过物理接口与多个所述子模块相连接；

所述介质访问控制交互模块采用可编程ASIC器件实现。

2.如权利要求1所述的通用高速总线装置，其特征在于，

所述主模块的介质访问控制交互模块采用FPGA实现；

多个所述子模块的介质访问控制交互模块采用CPLD实现。

3.一种基于权利要求1或2所述的通用高速总线装置的数据交互方法，其特征在于包括如下步骤：

主模块与多个子模块的数据通过物理接口送至对方的介质访问控制交互模块进行处理；

多个所述子模块将采集到的数据由其介质访问控制交互模块处理后，通过物理接口送至所述主模块的介质访问控制交互模块；

所述数据由所述主模块的介质访问控制交互模块处理后，通过物理接口送至多个所述子模块的介质访问控制交互模块。

4.如权利要求3所述的数据交互方法，其特征在于，

所述主模块中的FPGA接收CPU设定的IO采样频率，生成IO通信节拍定时器，按照定时节拍向多个所述子模块同步发送子模块召唤报文；所述子模块召唤报文在规定时间间隔内返回应答报文，通过多通道接收器接收、解析所述应答报文并生成多个所述子模块的实时IO数据结构，触发中断给所述CPU由其读取该IO信息，供所述CPU产生保护、测控的数据引擎节拍。

5.如权利要求4所述的数据交互方法，其特征在于，

所述主模块与多个所述子模块之间采用主从同步并发问答协议。

6.如权利要求4所述的数据交互方法，其特征在于，

所述主模块与多个所述子模块之间通过差分信号实现通信。

7.如权利要求4所述的数据交互方法，其特征在于，

多个所述子模块同步定时并发信息召唤和召回信息解析。

8.如权利要求4所述的数据交互方法，其特征在于，

不同类型的多个所述子模块分别返回不同类型的应答报文。

9.如权利要求3所述的数据交互方法，其特征在于，

所述物理接口发送数据时，所述数据经介质无关接口送至第一编码器进行编码，编码后的数据经扰频器处理，且进行并行输入串行输出转换后，进一步将所述数据进行非归零反相编码转换，转换后的数据包变成一定频率的NRZI数据流，并经过第二编码器的编码处理后送到总线上进行发送；

所述物理接口接收数据时，来自总线的数据进入自适应均衡器，并将其转换为NRZI信号，再经过时钟与数据恢复处理后将数据包转换为NRZ信号，将所述NRZ信号进行串行输入并行输出转换，并由解扰器处理后再由第一解码器解码，最后通过MII接口送至介质访问控制交互模块。

10.如权利要求9所述的数据交互方法，其特征在于，

所述第一编码器为4B/5B编码器，所述第二编码器为MLT-3编码器，所述第一解码器为4B/5B解码器。

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