CN106230536B - 一种用于电力电子分布式控制的实时通信与同步发送系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于电力电子分布式控制的实时通信与同步发送系统，基准时钟模块向同步帧生成模块和发送处理模块输出当前时钟信息；控制数据帧生成模块将需要发送的实时控制数据组成控制数据帧并发送至发送处理模块；同步帧生成模块将基准时钟模块产生的时钟数据组成同步数据帧并发送至发送处理模块；发送处理模块协调发送数据，避免发送冲突，并保证控制数据的实时发送与同步数据的准确性，根据需要发送的数据帧形成一定波特率的串行信号，传输至发送端口。本发明能够实现在单一信道中的实时控制数据与同步数据兼容传输功能，且在单一信道中实时数据与同步报文的发送周期均可独立灵活设置。

Description

一种用于电力电子分布式控制的实时通信与同步发送系统
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体地，涉及一种用于电力电子分布式控制的实时通信与同步发送系统。
背景技术
随着电力电子技术朝着模块化、智能化发展，由全控型半导体功率器件构成的模块化功率单元成为复杂电力电子系统中的基本控制单元，使整个控制系统成为一种分布式控制系统。电力电子控制系统需要较高的实时性，其控制周期普遍在数十至数百微秒，并且要求各个控制单元的时钟基准运行在同步状态，其同步精度要求达到纳秒级，因此实时通信与同步是复杂分布式电力电子控制技术中的关键技术。
目前基于通信的同步方式普遍为：向异步设备周期性发送带有时钟信息的报文，异步设备通过接收到的同步报文来修正自身的时间基准，达到同步目的。但考虑到电力电子系统在需要传输大量高速实时控制信息，如占空比信号、脉冲信号等，因此通常需要设置额外的信息通道实现对实时控制信息的传输，增加了硬件成本。
经检索，申请(专利)号：201510535314.6，名称：异步装置的同步方法，公开了一种异步装置的同步方法，(1)同步被动装置的接口单元对接受同步主动装置的数据进行校验，校验通过的数据放入缓存，计数器的计数值N1加1；(2)将计数值N 1与N 11N13比较，若N1≥N11N13则执行步骤(3)，否则执行步骤(1)；(3)将计数值N1清零，向同步被动装置的运算单元发外部中断信号；(4)同步被动装置的运算单元收到外部中断信号后，结束当前定时中断；(5)定时器请零并重新开始计时，进入新的定时中断，读取缓存数据并运算，运算结果发送给其他装置；(6)定时器计时未到T12则继续等待，否则执行步骤(5)。本发明不需要额外增加同步装置；同步性能优异，避免换流器功率周期性振荡，提高系统稳定性；灵活性高，工程应用可行性高。
但是，该专利有如下不足：1、信道使用方式：该专利采用了独立同步信道，若同时在该信道传输控制数据信号，则会发生信息冲突，因此需要额外的信道来传输控制数据，增加了硬件成本；2、同步周期设定：在该专利中对同步周期有着明确约束。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于电力电子分布式控制的实时通信与同步发送系统，以克服上述技术问题。
为实现以上目的，本发明提供一种用于电力电子分布式控制的实时通信与同步发送系统，包括：基准时钟模块、控制数据帧生成模块、同步帧生成模块、发送处理模块；其中：
所述基准时钟模块，作为分布式系统中时钟基准，分别向同步帧生成模块和发送处理模块输出当前时钟信息；
所述控制数据帧生成模块，将需要发送的实时控制数据组成控制数据帧，并将控制数据帧发送至发送处理模块；
所述同步帧生成模块，将基准时钟模块产生的时钟数据组成同步数据帧，并将同步数据帧发送至发送处理模块；
所述发送处理模块，协调发送数据，避免发送冲突，并保证控制数据帧的实时发送与同步数据帧的准确性，根据需要发送的控制数据帧或同步数据帧形成固定波特率的串行信号，传输至发送端口；
所述系统实现在单一信道中的实时控制数据与同步数据兼容传输功能，且在单一信道中实时数据与同步报文的发送周期均能独立灵活设置。
优选地，所述发送处理模块的具体发送处理逻辑为：
当有数据帧需要发送时，对串行传输通道进行检测，若当前已有数据帧正处在串行发送过程中，则将待发送的数据帧存入数据缓冲区，待通道空闲时发送；
当前发送通道空闲时，若有实时控制数据帧与同步数据帧同时要求进行发送，则优先满足控制数据帧的发送请求，将同步数据帧存入数据缓冲区；
对于进入串行发送流程的数据帧，在生成串行信号的同时，对数据帧类型进行判断：若该数据帧是经过数据缓冲区推迟发送的同步数据帧，则在生成其串行信号的过程中，不再依据其数据帧内部的时钟信息，而采用当前发送时刻的基准时钟信息生成相应的串行信号，以确保所发送的同步数据是准确的。
优选地，所述控制数据帧生成模块组成的控制数据帧数的结构根据应用的不同具有多种构成形式，包含有数据帧头、校验数据。
优选地，所述同步帧生成模块组成的同步数据帧的结构根据应用的不同具有多种构成形式，包含有数据帧头、校验数据。
优选地，所述发送端口为光纤通信所使用的光模块。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)本发明系统基于单一信道完成了控制数据与同步数据的传输，节省了硬件资源；
2)本发明系统在保证控制数据实时性的同时，最大程度提高同步数据的准确性，保证了同步精度；
3)本发明系统实时控制数据的发送周期和同步数据的发送周期均可根据具体应用需求独立设置，不会互相冲突。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的一种用于电力电子分布式控制的实时通信与同步发送系统的结构框图，包括：基准时钟、控制数据帧生成模块、同步帧生成模块、发送处理模块；
所述基准时钟模块，作为分布式系统中时钟基准，分别向同步帧生成模块和发送处理模块输出当前时钟信息；
所述控制数据帧生成模块，将需要发送的实时控制数据组成控制数据帧，并将控制数据帧发送至发送处理模块；
所述同步帧生成模块，将基准时钟模块产生的时钟数据组成同步数据帧，并将同步数据帧发送至发送处理模块；
所述发送处理模块，协调发送数据，避免发送冲突，并保证控制数据帧的实时发送与同步数据帧的准确性，根据需要发送的控制数据帧或同步数据帧形成固定波特率的串行信号，传输至发送端口；
所述系统实现在单一信道中的实时控制数据与同步数据兼容传输功能，且在单一信道中实时数据与同步报文的发送周期均能独立灵活设置。
进一步的，所述发送处理模块的具体发送处理逻辑为：
当有数据帧需要发送时，对串行传输通道进行检测，若当前已有数据帧正处在串行发送过程中，则将待发送的数据帧存入数据缓冲区，待通道空闲时发送；
当前发送通道空闲时，若有实时控制数据帧与同步数据帧同时要求进行发送，则优先满足控制数据帧的发送请求，将同步数据帧存入数据缓冲区；
对于进入串行发送流程的数据帧，在生成串行信号的同时，对数据帧类型进行判断：若该数据帧是经过数据缓冲区推迟发送的同步数据帧，则在生成其串行信号的过程中，不再依据其数据帧内部的时钟信息，而采用当前发送时刻的基准时钟信息生成相应的串行信号，以确保所发送的同步数据是准确的。
在本发明的一个具体实施例中，可以基于FPGA设计上述的同步与通信发送系统，其中：
所述基准时钟是在FPGA内部设置32位计数器对频率50MHz的晶振脉冲进行计数，输出信号为32位计数值；
所述控制数据帧生成模块中，FPGA通过IO接口接收外部300微秒周期的中断信号，每次触发发送一次控制数据帧，其控制数据帧格式规定为：2个字节数据帧头，16个字节控制数据，两个字节CRC-16校验数据，共20个字节；
所述同步数据帧生成模块中，在FPGA中设置计数器对频率50MHz的晶振脉冲进行计数，当计数值到达50000时计数器清零，采集一次基准时钟计数值并发送一次控制数据帧，即同步数据帧发送周期为1毫秒，其同步数据帧格式为：2个字节数据帧头，4个字节同步时钟信息，两个字节CRC-16校验数据；
所述发送处理模块中，在FPGA中设置内存模块作为数据缓冲区，并设置控制数据帧具有更高的发送优先级，对于进入发送处理的数据，每个字节增加一个起始位和终止位，采用10Mbps波特率进行发送，若所发送数据为经过缓冲的同步数据帧，则在发送其4个字节的同步时钟信息时，直接采用当前时刻的32为基准时钟技术值进行串行发送。发送端口采用光纤通信的光模块，将串行电信号转化为光信号，由光纤传输；各异步装置通过光纤接受到信号，解析得到控制数据与同步数据，并基于该数据进行实时控制与同步时钟校对。
上述基于FPGA设计的系统，只是本发明的一个实施例，且上述各种参数也是可以根据实际需要进行调整，在其他实施例中，也可以采用其他的器件设计本发明系统，同时可以根据应用场合的需要调整相关的参数。
本发明所述系统基于单一信道完成了控制数据与同步数据的传输，节省了硬件资源；在保证控制数据实时性的同时，最大程度提高同步数据的准确性，保证了同步精度；实时控制数据的发送周期和同步数据的发送周期均可根据具体应用需求独立设置，不会互相冲突。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种用于电力电子分布式控制的实时通信与同步发送系统，其特征在于，包括：基准时钟模块、控制数据帧生成模块、同步帧生成模块、发送处理模块；其中：
所述基准时钟模块，作为分布式系统中时钟基准，分别向同步帧生成模块和发送处理模块输出当前时钟信息；
所述控制数据帧生成模块，将需要发送的实时控制数据组成控制数据帧，并将控制数据帧发送至发送处理模块；
所述同步帧生成模块，将基准时钟模块产生的时钟数据组成同步数据帧，并将同步数据帧发送至发送处理模块；
所述发送处理模块，协调发送数据，避免发送冲突，并保证控制数据帧的实时发送与同步数据帧的准确性，根据需要发送的控制数据帧或同步数据帧形成固定波特率的串行信号，传输至发送端口；
所述系统实现在单一信道中的实时控制数据与同步数据兼容传输功能，且在单一信道中实时数据与同步报文的发送周期均能独立灵活设置，串行传输通道进行检测，利用缓冲区先发送控制数据后发送同步数据，并依据前发送时候的基准始终信息生成相应的串行信号。
2.根据权利要求1所述的一种用于电力电子分布式控制的实时通信与同步发送系统，其特征在于，所述发送处理模块的具体发送处理逻辑为：
当有数据帧需要发送时，对串行传输通道进行检测，若当前已有数据帧正处在串行发送过程中，则将待发送的数据帧存入数据缓冲区，待通道空闲时发送；
当前发送通道空闲时，若有实时控制数据帧与同步数据帧同时要求进行发送，则优先满足控制数据帧的发送请求，将同步数据帧存入数据缓冲区；
对于进入串行发送流程的数据帧，在生成串行信号的同时，对数据帧类型进行判断：若该数据帧是经过数据缓冲区推迟发送的同步数据帧，则在生成其串行信号的过程中，不再依据其数据帧内部的时钟信息，而采用当前发送时刻的基准时钟信息生成相应的串行信号，以确保所发送的同步数据是准确的。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于电力电子分布式控制的实时通信与同步发送系统，其特征在于，所述控制数据帧生成模块组成的控制数据帧数的结构根据应用的不同具有多种构成形式，包含有数据帧头、校验数据。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于电力电子分布式控制的实时通信与同步发送系统，其特征在于，所述同步帧生成模块组成的同步数据帧的结构根据应用的不同具有多种构成形式，包含有数据帧头、校验数据。
5.根据权利要求1或2所述的一种用于电力电子分布式控制的实时通信与同步发送系统，其特征在于，所述发送端口为光纤通信所使用的光模块。
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