CN109547066B - 一种基于fpga的专线通信分路控制实现方法及控制系统 - Google Patents

一种基于fpga的专线通信分路控制实现方法及控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的专线通信分路控制实现方法，通过信号采集调理模块、调制解调模块和FPGA模块构成的系统进行；信号采集调理模块和调制解调模块双向连接，所述信号采集调理模块和调制解调模块在一条专线通信线路上，所述FPGA接收多条专线通信线路上的专线通信数据，所述调制解调模块与所述FPGA模块双向连接。本发明提供的实现方法能够在FPGA芯片上完成多路2/4线专线通信与TCP/IP协议的转换、数据帧封装解包控制功能的无修改移植，弥补了当前市面上缺乏此类产品的空白，同时在FPGA中能够根据不同应用中的2/4线专线通信的协议不同、以及数据帧报文协议的不同，灵活配置分路控制器中的参数，提高了系统设计的灵活性。

Description

一种基于FPGA的专线通信分路控制实现方法及控制系统
技术领域
本发明涉及电力系统通讯技术领域，具体涉及一种基于FPGA的专线通信分路控制实现方法及控制系统。
背景技术
2/4线专线通信技术是一种常用通信技术，因其具有较高的保密性、安全性与可靠性，被广泛使用在铁路、航空、银行、保险等领域。经过多年发展，根据不同的应用场景，已经衍生出ITU-T V.92、V.90、V.34、V.32bis、V.23、V22、V.22bis、V21等多种协议标准。由于采用上述专线通信技术的设备多为专用设备，随着大数据技术的发展应用，需要将多种专用设备的数据综合采集、存储与分析。
传统2/4线专线通信设备采用RS232接口与主处理平台进行数据交互，然而随着引入设备种类与数量的增多，串口这种较为古老的通信接口的弊端越来越突显出来，首先，RS232是一种点对点的通信手段，连接多少个设备，主处理平台就需要具备几个RS232接口；其次，RS232抗干扰能力较弱，通常传输距离不超过15m，不利于设备的现场布置。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于FPGA的专线通信分路控制实现方法和控制系统，解决了不能同时收发多路专线通信设备数据，传输效率低，以及不能在线配置专线通信通道工作的协议版本，可移植性和灵活性差的问题。
技术方案：一方面，本发明提供基于FPGA的专线通信分路控制实现方法，通过信号采集调理模块、调制解调模块和FPGA模块构成的系统进行；信号采集调理模块和调制解调模块双向连接，所述信号采集调理模块和调制解调模块在一条专线通信线路上，所述FPGA接收多条专线通信线路上的专线通信数据，所述调制解调模块与所述FPGA模块双向连接；实现方法包括：
(1)所述信号采集调理模块对专线通信数据整形，隔直后送入所述调制解调模块，所述专线通信数据由信号采集调理模块采集得到；
(2)所述调制解调模块将所述专线通信数据调制解调后通过UART送入FPGA模块，所述FPGA模块接收所述专线通信数据，并进行封装打包；
同时，所述FPGA模块接收从以太网发出的数据，并判断所述数据格式，若数据格式为控制命令，则根据不同的专线通信线路配置所需的协议参数；
若数据格式为数据帧，则配置所述数据帧采用的报文格式，并将专线通道数据或数据帧转换为专线数据；
(4)所述专线数据经UART送入调制解调模块，所述调制解调模块将数字信号调制成模拟信号；
(5)所述模拟信号经信号采集调理模块整形后送往专线通信设备。
优选的，所述步骤(2)，具体包括：
(21)所述FPGA模块的采集和解码单元接收送入的专线通信数据；
(22)根据配置信息，所述FPGA模块的封装单元将所述专线通信数据帧封装成需要的上层协议数据帧，并按需要嵌入校验信息；
(23)所述FPGA模块的打包单元将所述上层协议数据帧打包成TCP/IP数据包，并经以太网发送出去。
优选的，所述步骤(3)，具体包括：
(31)所述FPGA模块的TCP/IP采集单元接收从以太网接口发送的数据并判断所述数据的格式；
(32)所述FPGA模块的专线通道配置模块从所述多条专线通信线路中配置选通的专线通信；
(33)根据上位机指令，所述FPGA模块的数据帧协议配置模块对判断的数据格式进行所述专线通信线路的协议参数或数据帧格式的配置，并将配置信息存储至上位机的板载存储器中；
(34)根据所述配置信息，所述FPGA模块的处理单元将所述数据帧转换为专线数据。
优选的，所述步骤(33)中，所述专线通信线路的协议参数包括专线通道的协议版本、专线通道的波特率、以太网接口的通信模式、IP地址、网关地址、子网掩码、端口号。
另一方面，本发明还提供基于FPGA的专线通信分路控制系统，包括专线信号采集、调理模块、调制解调模块和FPGA模块，所述信号采集调理模块双向连接，信号采集调理模块和调制解调模块双向连接，所述信号采集调理模块和调制解调模块在一条专线通信线路上，所述FPGA接收多条专线通信线路上的专线通信数据，所述调制解调模块与所述FPGA模块双向连接；所述FPGA模块双向连接以太网物理层收发器；所述FPGA模块接收所述专线通信数据，并进行封装打包；同时，所述FPGA模块接收从以太网发出的数据，并判断所述数据格式，若数据格式为控制命令，则根据不同的专线通信线路配置所需的协议参数；若数据格式为数据帧，则配置所述数据帧采用的报文格式，并将专线通道数据或数据帧转换为专线数据；
优选的，所述信号采集调理模块，用于对专线通信数据整形，隔直后送入所述调制解调模块，所述专线通信数据由信号采集调理模块采集得到；所述调制解调模块，用于将所述专线通信数据调制解调后通过UART送入FPGA模块，所述FPGA模块接收所述专线通信数据，并进行封装打包；同时，所述FPGA模块接收从以太网物理层收发器发出的数据，并判断所述数据格式，将专线通道数据或数据帧转换为专线数据；所述专线数据经UART送入调制解调模块，所述调制解调模块将数字信号调制成模拟信号；所述信号采集调理模块将模拟信号整形后送往专线线路。
优选的，所述FPGA模块包括：
采集和解码单元，用于接收送入的专线通信数据；
封装单元，用于根据配置信息，将所述专线通信数据帧封装成需要的上层协议数据帧，并按需要嵌入校验信息；
打包单元，用于将所述上层协议数据帧打包成TCP/IP数据包，并经以太网发送出去；
TCP/IP采集单元，用于接收从以太网接口发送的数据并判断所述数据的格式；
专线通道配置单元，用于从所述多条专线通信线路中配置选通的专线通信；
数据帧协议配置单元，用于根据上位机指令对判断的数据格式进行所述专线通信线路的协议参数或数据帧格式的配置，并将配置信息存储至上位机的板载存储器中；
处理单元，用于根据所述配置信息，将所述数据帧转换为专线数据。
优选的，所述专线通信线路的协议参数包括专线通道的协议版本、专线通道的波特率、以太网接口的通信模式、IP地址、网关地址、子网掩码、端口号。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、采用硬件描述语言在FPGA上实现多路2/4专线通信与以太网通信协议转换，其利用了FPGA芯片的高度灵活性，具有良好的可移植性；2、根据不同专线通信设备在线配置不同的专线通信协议或根据不同的主处理平台上层协议定义不同的数据帧格式，解决了同时存在两种通信协议并需要实现通信互联的大型系统中缺乏方便有效的协议转发互联芯片的现状，具备较高的实际应用价值。
附图说明
图1是本发明所述的方法流程图；
图2是本发明所述的系统结构示意图；
图3是本发明所述的实现方法中的FPGA逻辑流程图；
图4是本发明所述的控制系统中的FPGA内部结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一方面，本发明提供基于FPGA的专线通信分路控制实现方法，通过信号采集调理模块、调制解调模块和FPGA模块构成的系统如图2所示进行。信号采集调理模块前连接专线通信设备，信号采集调理模块和调制解调模块双向连接，信号采集调理模块和调制解调模块在一条专线通信线路上，FPGA模块接收多条专线通信线路上的专线通信数据，调制解调模块与FPGA模块双向连接。考虑到通用性以及多通道专线通信数据带宽容量，本发明与主处理平台之间的通信方式采用TCP/IP通信接口协议。现代数字设备几乎都具有以太网通信接口，也可以通过多种方式扩展出以太网接口，因此采用TCP/IP通信接口可以兼容几乎所有的处理平台。
本实施例以8路专线通信线路与单路以太网通信传输为例，专线模拟信号经过调理电路整形并隔直后送入调制解调芯片，调制解调芯片通过UART将专线数据帧送入FPGA，FPGA接收到专线数据帧以后根据设置将数据帧打包成所需的上层协议数据帧，再经以太网发送出去；同时从以太网接收到的数据帧转换成专线通信数据经UART送入调制解调芯片，调制解调芯片将数字信号调制成模拟信号再经调理电路整形后送往专线线路。
具体实现方法包括：
(1)信号采集调理模块对专线通信数据整形，隔直后送入调制解调模块，专线通信数据由信号采集调理模块采集得到；
信号采集调理模块接收2/4线专线通信线路传输过来的电信号，经过信号调理与解调以后解码出有效数据。
(2)调制解调模块将专线通信数据调制解调后通过UART送入FPGA模块，FPGA模块采集和解码单元接收送入的专线通信数据，封装单元将每个专线通信数据帧封装成配置的上层协议数据帧格式，并按需要嵌入校验信息，打包单元将上层协议数据帧打包成TCP/IP数据包，并经以太网发送出去，与以太网物理层收发器连接的主处理平台统一接收打包数据。
(3)同时，TCP/IP采集单元接收从主处理平台分发的数据，并判断数据格式，若数据格式为控制命令，则根据不同的专线通信线路配置所需的协议参数，根据控制命令内容实时更改本专线通信分路控制器的工作状态，包括专线通道的协议版本、专线通道的波特率、以太网接口的通信模式、IP地址、网关地址、子网掩码、端口号等。若数据格式为数据帧，则配置数据帧采用的报文格式，并将专线通道数据或数据帧转换为专线数据。
专线通道配置单元根据配置的协议参数或配置的数据帧格式从多条专线通信线路中配置选通的专线通信；根据上位机指令，数据帧协议配置单元用以接收来自于TCP/IP数据采集模块的配置参数，针对不同的专线通道模块配置成所需的协议，也可以配置数据帧所采用的报文格式，并将配置信息存储至上位机的板载存储器中；处理单元将数据帧转换为专线数据。
(4)专线数据经UART送入调制解调模块，调制解调模块将数字信号调制成模拟信号；模拟信号经信号采集调理模块整形后送往专线线路，发送至各专线通信设备，fpga接收专线数据，打包后通过以太网发送出去。
本发明中FPGA除了包含有两个FIFO，用以缓存收发数据，FIFO长度根据当前数据帧特点可以通过设定，还包括一个1个字节长度的状态寄存器，将其命名为STS，其中各位分别代表当前各通道收发FIFO的状态，状态寄存器为可读不可写寄存器。
以其中一路双向通信为例，具体解释如下：
STS[7]——1：FIFO1为空、0：FIFO1为非空；
STS[6]——1：FIFO2为空、0：FIFO2为非空；
STS[5]——1：FIFO1为满、0：FIFO1为未满；
STS[4]——1：FIFO2为满、0：FIFO2为未满；
STS[3:0]——当前通道编号。
本实施例中的多路2/4专线通信与以太网通信协议转换控制器的以太网接口采用TCP协议，工作在客户端模式，主机工作在服务器模式，FPGA接收以太网发送来的数据帧的时候首先需要判别是数据帧还是控制字，控制字实现对各通道专线通信接口协议参数进行设置。定义控制字帧起始字节为0xFC，1字节指定设定通道编号，0～255，一般情况下通道数不超过16，因此通道编号不超过15，。控制字与相应的响应字如表1所示。
表1 UART控制命令的发送控制字与响应字
Figure BDA0001852089020000061
表2调制解调器协议代号
Figure BDA0001852089020000062
Figure BDA0001852089020000071
上电复位之后，数据帧协议配置单元从板载存储器中载入配置信息，各专线通道进入等待状态，可以进行专线通道数据与以太网数据帧的转发传输。同时，TCP/IP通信接口接收到控制命令时会根据控制命令内容实时更改本专线通信分路控制器的工作状态，包括专线通道的协议版本、专线通道的波特率、以太网接口的通信模式(TCP/UDP)、IP地址、网关地址、子网掩码、端口号等。
图3为该专线通信分路控制器上FPGA内部某一转换通道的逻辑流程图，FPGA在完成上电以后未接收到数据以前处于等待状态，当专线通道接收到数据以后，首先会将数据存入接收缓冲FIFO1中，FIFO1中数据不足所设定的数据包长度时，FPGA从回等待状态，直至FIFO1中数据满一帧，该帧数据将会被打包成特定的上层协议数据包，经以太网发送；在等待状态下，FPGA也将接收经以太网发送来的数据包，在接收到以太网下传的数据包后首先应该判断该数据包为控制命令还是常规数据，如果是控制命令则根据控制命令内容设定分路控制器的工作状态，而如果是常规数据的话，将会被统一存入缓冲FIFO2，在经低速率的专线通信接口传输。
实施例2
本发明在实施例的基础上，还提供基于FPGA的专线通信分路控制系统，采用专线通信作为通信手段的终端设备的数据统一接收到主处理平台或将主处理平台的数据分发至各终端设备进行统一管理。可用以同时具有多种采用专线通信方式设备的数据综合采集、存储于分析。
目前尚未出现一种可以兼容多种协议版本，并可自由配置以适应不同应用场合的专线通信接口与以太网接口互相转换的专用芯片，因此本发明将采用FPGA实现上述两种接口的互相转换功能，并包含数据包的分解与重打包功能。FPGA芯片是一种可编程逻辑器件，具备高度灵活性，特别适合用户实现特殊应用场景中的定制功能。使用FPGA实现2/4专线通信与以太网通信协议转换控制器具有良好的可移植性，可根据需要在不同厂商不同型号FPGA芯片上自由实现，还可自定义不同设备数据包的分发与打包方法、在线配置调制解调芯片的工作模式，能灵活兼容不同的专线通信设备，具备良好的商用价值和研究意义。
包括信号采集调理模块、调制解调模块和FPGA模块，信号采集调理模块和调制解调模块双向连接，信号采集调理模块和调制解调模块在一条专线通信线路上，FPGA接收多条专线通信线路上的专线通信数据，调制解调模块与所述FPGA模块双向连接；FPGA模块双向连接以太网物理层收发器；FPGA模块接收专线通信数据，并进行封装打包；同时，所述FPGA模块接收从以太网发出的数据，并判断所述数据格式，若数据格式为控制命令，则根据不同的专线通信线路配置所需的协议参数；若数据格式为数据帧，则配置所述数据帧采用的报文格式，并将专线通道数据或数据帧转换为专线数据；
信号采集调理模块，用于对专线通信数据整形，隔直后送入所述调制解调模块，所述专线通信数据由信号采集调理模块采集得到；所述调制解调模块，用于将所述专线通信数据调制解调后通过UART送入FPGA模块，所述FPGA模块接收所述专线通信数据，并进行封装打包；同时，所述FPGA模块接收从以太网物理层收发器发出的数据，并判断所述数据格式，将专线通道数据或数据帧转换为专线数据；所述专线数据经UART送入调制解调模块，所述调制解调模块将数字信号调制成模拟信号；所述信号采集调理模块将模拟信号整形后送往专线线路。
如图4所示，所述FPGA模块包括：
采集和解码单元，用于接收送入的专线通信数据；
封装单元，用于根据配置信息，将所述专线通信数据帧封装成需要的上层协议数据帧，并按需要嵌入校验信息；
打包单元，用于将所述上层协议数据帧打包成TCP/IP数据包，并经以太网发送出去；
TCP/IP采集单元，用于接收从以太网接口发送的数据并判断所述数据的格式；
专线通道配置单元，用于从所述多条专线通信线路中配置选通的专线通信；
数据帧协议配置单元，用于根据上位机指令对判断的数据格式进行所述专线通信线路的协议参数或数据帧格式的配置，并将配置信息存储至上位机的板载存储器中；
处理单元，用于根据所述配置信息，将所述数据帧转换为专线数据。
所述专线通信线路的协议参数包括专线通道的协议版本、专线通道的波特率、以太网接口的通信模式、IP地址、网关地址、子网掩码、端口号。

Claims (8)

1.一种基于FPGA的专线通信分路控制实现方法，其特征在于，通过信号采集调理模块、调制解调模块和FPGA模块构成的系统进行；所述信号采集调理模块和调制解调模块双向连接，所述信号采集调理模块和调制解调模块在一条专线通信线路上，所述FPGA接收多条专线通信线路上的专线通信数据，所述调制解调模块与所述FPGA模块双向连接；实现方法包括：
(1)所述信号采集调理模块对专线通信数据进行采集、整形、隔直后送入所述调制解调模块；
(2)所述调制解调模块将所述专线通信数据解调后通过UART送入FPGA模块，所述FPGA模块接收所述专线通信数据，并进行封装打包后发送出去；
同时，所述FPGA模块接收从以太网发出的数据，并判断所述数据的 格式，若数据的 格式为控制命令，则根据不同的专线通信线路配置所需的协议参数；
若数据的 格式为数据帧，则配置所述数据帧采用的报文格式，并将专线通道数据或数据帧转换为专线数据；
(3)所述专线数据经UART送入调制解调模块，所述调制解调模块将数字信号调制成模拟信号；
(4)所述模拟信号经信号采集调理模块整形后送往各个专线通信设备。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的专线通信分路控制实现方法，其特征在于，所述步骤(2)，具体包括：
(21)所述FPGA模块的采集和解码单元接收送入的专线通信数据；
(22)根据配置信息，所述FPGA模块的封装单元将所述专线通信数据帧封装成需要的上层协议数据帧，并按需要嵌入校验信息；
(23)所述FPGA模块的打包单元将所述上层协议数据帧打包成TCP/IP数据包，并经以太网发送出去。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的专线通信分路控制实现方法，其特征在于，所述步骤(3)，具体包括：
(31)所述FPGA模块的TCP/IP采集单元接收从以太网接口发送的数据并判断所述数据的格式；
(32)所述FPGA模块的专线通道配置单元从所述多条专线通信线路中配置选通的专线通信；
(33)根据上位机指令，所述FPGA模块的数据帧协议配置单元对判断的数据的 格式进行所述专线通信线路的协议参数或数据帧格式的配置，并将配置信息存储至上位机的板载存储器中；
(34)根据所述配置信息，所述FPGA模块的处理单元将所述数据帧转换为专线数据。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA的专线通信分路控制实现方法，其特征在于，所述步骤(33)中，所述专线通信线路的协议参数包括专线通道的协议版本、专线通道的波特率、以太网接口的通信模式、IP地址、网关地址、子网掩码、端口号。
5.用于权利要求1-4任一项所述方法的基于FPGA的专线通信分路控制系统，其特征在于，包括信号采集调理模块、调制解调模块和FPGA模块，所述信号采集调理模块和调制解调模块双向连接，所述信号采集调理模块和调制解调模块在一条专线通信线路上，所述FPGA接收多条专线通信线路上的专线通信数据，所述调制解调模块与所述FPGA模块双向连接；所述FPGA模块双向连接以太网物理层收发器；所述FPGA模块接收所述专线通信数据，并进行封装打包；同时，所述FPGA模块接收从以太网发出的数据，并判断所述数据的 格式，若数据的 格式为控制命令，则根据不同的专线通信线路配置所需的协议参数；若数据的 格式为数据帧，则配置所述数据帧采用的报文格式，并将专线通道数据或数据帧转换为专线数据。
6.根据权利要求5所述的基于FPGA的专线通信分路控制系统，其特征在于，所述信号采集调理模块，用于对专线通信进行信号采集，数据整形，隔直后送入所述调制解调模块；所述调制解调模块，用于将所述专线通信数据解调后通过UART送入FPGA模块，所述FPGA模块接收所述专线通信数据，并进行封装打包；同时，所述FPGA模块接收从以太网物理层收发器发出的数据，并判断所述数据的 格式，将专线通道数据或数据帧转换为专线数据；所述专线数据经UART送入调制解调模块，所述调制解调模块将数字信号调制成模拟信号；所述信号采集调理模块将模拟信号整形后送往专线线路。
7.根据权利要求6所述的基于FPGA的专线通信分路控制系统，其特征在于，所述FPGA模块包括：
采集和解码单元，用于接收送入的专线通信数据；
封装单元，用于根据配置信息，将所述专线通信数据帧封装成需要的上层协议数据帧，并按需要嵌入校验信息；
打包单元，用于将所述上层协议数据帧打包成TCP/IP数据包，并经以太网发送出去；
TCP/IP采集单元，用于接收从以太网接口发送的数据并判断所述数据的格式；
专线通道配置单元，用于从所述多条专线通信线路中配置选通的专线通信；
数据帧协议配置单元，用于根据上位机指令对判断的数据的 格式进行所述专线通信线路的协议参数或数据帧格式的配置，并将配置信息存储至上位机的板载存储器中；
处理单元，用于根据所述配置信息，将所述数据帧转换为专线数据。
8.根据权利要求7所述的基于FPGA的专线通信分路控制系统，其特征在于，所述专线通信线路的协议参数包括专线通道的协议版本、专线通道的波特率、以太网接口的通信模式、IP地址、网关地址、子网掩码、端口号。
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