CN111490912A - 一种基于fpga的多通道信号传输可靠性检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于FPGA的多通道信号传输可靠性检测系统及方法，所述系统通过终端机下发测试指令到FPGA开发板，FPGA开发板经过解析、提取测试指令，再将测试指令发送给各个通信接口，各个通信接口按照时序发送给电能表MCU,FPGA开发板通过监听电能表MCU回应帧数据，再将回应帧数据发送给终端机的方式，实现了对电能表MCU在多路通道故障情况下，同时检测多通道信号传输可靠性的目的。

Description

一种基于FPGA的多通道信号传输可靠性检测系统及方法

技术领域

本申请涉及多通道信号传输可靠性检测技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的多通道信号传输可靠性检测系统及方法。

背景技术

在现代输、配电工程中常采用具有多通道信号传输功能的智能电能表作为计量工具。具有多通道信号传输功能的智能电能表可以通过采集电缆中的传输信号对多种通信信号进行计量与监测。相较于传统电能表在工作效率上有了显著的提高。然而在提高效率的同时，多通道信号传输可靠性检测也成为了一个必要环节。

目前对于智能电能表通信可靠性测试一般采用单一通道单独测试的方法。例如，测试无线通信可靠性时，通过连接电能表MCU(Microcontroller Unit；MCU)中的无线通信接口，对无线通信信号单独进行测试。同理，当需要测试红外通信可靠性时，则只针对电能表MCU红外通信接口进行连接测试。然而当电能表MCU需要同时处理多种通信信号时，则无法对电能表MCU处理多通道信号传输可靠性进行检测。

在实际应用中，智能电能表多用于大型电网输、配电工程中，对于信号的传输不仅仅限于一种信号传输方式。智能电能表需要处理多种信号传输，这种单一通道的检测方法无法实现实际工作中的检测需求，不能同时检测电能表MCU在多路通道故障情况下的处理能力。

发明内容

本申请提供了一种基于FPGA的多通道信号传输可靠性检测系统及方法，以解决电能表MCU在多路通道故障下无法同时对多路信号进行检测的问题。

一方面，本申请提供一种基于FPGA的多通道信号传输可靠性检测系统，包括：终端机、FPGA开发板和电能表MCU。

终端机连接FPGA开发板，用于运行电能表测试方案，生成测试指令以及向FPGA开发板发送测试指令。

FPGA开发板连接终端机，用于接收来自终端机的测试指令以及将测试指令按时序发送至各通信接口。

电能表MCU上设有信号接口和通信接口，电能表MCU通过信号接口连接FPGA开发板，用于从FPGA开发板接收测试指令。

FPGA开发板上设置ARM芯片、FPGA芯片以及内存共享单元；

ARM芯片，用于接收测试指令，以及将测试指令发送至FPGA芯片。

FPGA芯片，用于将测试指令发送至通信接口，以及监听电能表MCU回应帧数据。

内存共享单元分别连接FPGA芯片与ARM芯片，用于FPGA芯片与ARM芯片间的数据交换，以及接收来自ARM芯片的测试指令和来自FPGA芯片监听的电能表MCU回应帧数据。

可选的，FPGA芯片还用于，在接收测试指令后，清空内存共享单元内测试指令，以及将监听到的数据通过ARM通讯协议打包存入内存共享单元。

可选的，ARM芯片还用于，通过轮询方式检测内存共享单元内数据，当检测到FPGA芯片存入的数据时，将监听到的数据解析以及转换为多种通信协议格式，发送给终端机，同时清空内存共享单元数据。

可选的，FPGA芯片内设置多种通信接口，还用于接收不同种类的通信信号。

另一方面，本申请还提供一种基于FPGA的多通道信号传输可靠性检测方法，其特征在于，包括：

ARM芯片接收、解析终端机发出的测试指令，以及将测试指令存入内存共享单元；

FPGA芯片对内存共享单元内数据进行解析以及提取测试指令；

FPGA芯片根据测试指令设置接口参数，以及将参数发送至各通信接口；

各通信接口将通信数据按照时序发送至电能表MCU；

FPGA芯片监听电能表MCU回应帧数据，以及将数据存入内存共享单元。

其中在将测试指令存入内存共享单元步骤后，ARM芯片与FPGA芯片在内存共享单元内进行数据交换。

可选的，在FPGA芯片对内存共享单元内数据进行解析以及提取测试指令步骤后，FPGA芯片清空内存共享单元内测试指令。

可选的，FPGA芯片内设置多种通信接口，如果需要同时测试多种通信信号时，FPGA芯片根据信号种类同时进行数据与指令处理。

可选的，在FPGA芯片监听电能表MCU回应帧数据步骤中，方法还包括：

FPGA芯片对各通信接口启动监听后，将监听到的数据通过ARM通信协议打包存入内存共享单元。

可选的，在FPGA芯片监听电能表MCU回应帧数据步骤后，方法还包括：

ARM芯片通过轮询方式检测内存共享单元内的数据，当检测到FPGA芯片存入的数据时，将监听到的数据解析以及转换为多种通信协议格式，发送给终端机，同时清空内存共享单元内数据。

由以上技术方案可知，本申请提供一种基于FPGA的多通道信号传输可靠性检测系统及方法，所述系统通过终端机下发测试指令到FPGA开发板，FPGA开发板经过解析、提取测试指令，再将测试指令发送给各个通信接口，各个通信接口按照时序发送给电能表MCU,FPGA开发板通过监听电能表MCU回应帧数据，再将回应帧数据发送给终端机的方式，实现了对电能表MCU在多路通道故障情况下，同时检测多通道信号传输可靠性的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种基于FPGA的多通道信号传输可靠性检测系统及方法的原理框图；

图2为一种基于FPGA的多通道信号传输可靠性检测系统及方法的流程示意图；

图3为本申请共享单元数据交换流程示意图。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

本申请提供的技术方案中，所述一种基于FPGA的多通道信号传输可靠性检测系统及方法，用于具有多通道信号传输功能的智能电能表MCU传输可靠性检测中，可对多通道信号传输同时进行检测。FPGA(Field Programmable Gate Array)中文名称：现场可编程逻辑门阵列。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)概念，内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输入输出模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。FPGA利用小型查找表来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接。FPGA作为专用集成电路即解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

本申请利用FPGA可编程器件多门路电路数特点，实现了电能表多通道信号传输可靠性的检测，以及实现了测试过程中的灵活、可控。

参见图1，为本申请一种基于FPGA的多通道信号传输可靠性检测系统的原理框图，由图1可知，本申请包括终端机、FPGA开发板和电能表MCU。

终端机连接FPGA开发板，终端机作为输入、输出设备，用于运行电能表测试方案，生成测试指令以及向FPGA开发板发送测试指令。终端机可以是单独的一个主机，也可以把一个主机分成多个用户同时使用。因为每台终端机都可以同时、独立完成电脑指令的特点，所以在工作中可大大提高工作的便捷性。

例如，由于工作需要常常需要多人使用同一台电脑，这种情况下只需要将终端机多分出一个用户，就可以实现终端机资源共享，增加的用户只需要增加一台显示器和一套键盘鼠标就可以成为一个独立终端，多用户同时使用时互相独立，不会对其他用户造成影响。所以在需要测试不同通信传输可靠性任务时，就可以在不同的用户电脑上独立运行测试方案、发送测试指令。而无需像传统的只有一台终端计算机时，需要等待一个命令运行完成后再运行下一个命令。使用这种终端机可以大大提高工作效率，同时可以节省测试需要的时间以及人力和物力。

在实际工作中，由于不同厂家电能表MCU芯片的接口引脚分配、接口特性和数据存储方式等方面存在差异，在进行电能表测试过程中需要不同的FPGA接口特性配置方案和MCU测试方案，这种情况下只需要根据电表特性将终端机设立多个用户，在每个用户下分别配置FPGA的接口特性及MCU测试方案，对不同MCU进行测试时只需切换用户即可。通过这种方式终端机可以实现资源共享，可以降低重新配置FPGA接口特性及测试方案产生的时间、人力及物力成本。

FPGA开发板连接终端机，用于接收来自终端机的测试指令以及将测试指令按时序发送至各通信接口。

其中FPGA开发板作为支撑板，其上设置有ARM芯片、FPGA芯片和内存共享单元。

具体操作方法请参见图2，为本申请一种基于FPGA的多通道信号传输可靠性检测方法的流程示意图，如图2所示，本申请提供的一种基于FPGA的多通道信号传输可靠性检测方法，包括以下步骤：

S1:ARM芯片接收、解析终端机发出的测试指令，以及将所述测试指令存入内存共享单元。

ARM芯片用于接收所述测试指令，以及将所述测试指令发送至所述FPGA芯片。

ARM芯片，即嵌入式微处理器，常见的ARM芯片有ARM7TDMI、ARM720T、ARM9TDMI、ARM10TDMI等。在实际应用中，为了增强多任务处理能力、数学运算能力以及网络处理能力，一些ARM芯片内置了多个芯核。

例如，如果需要增强多任务处理能力，尤其是高速通信芯片中可以集成多个ARM内核。如果需要增强运算功能则可以在ARM芯片内集成DSP协处理器。

在实际应用中，ARM芯片嵌入FPGA开发板，ARM芯片可以是一个独立的芯片，也可根据不同测试需求增加芯核。例如为了增强多任务处理能力、数学运算能力以及网络处理能力，一些ARM芯片内置了多个芯核。对ARM芯片进行合适的组合可以有效提高ARM芯片的运行速度以及处理数据的能力，因此利用这种优势可以大大提高工作效率以及给整个测试系统带来极大的便捷性。

在本申请提供的技术方案中，FPGA芯片中内嵌ARM核心，ARM与FPGA在内部通过轻量桥连接，实现通信及数据交换。通过ARM核心的加入增强了FPGA整体的数学运算能力及网络处理能力，同时在ARM芯片的支撑下开发板可以运行系统程序，增强了整个测试系统的协调性，大大提高了工作效率。

因为ARM芯片本身具有体积小、低功耗、低成本、高性能等优点，所以本申请选用ARM芯片作为本系统FPGA开发板内嵌微处理器，用于处理来自终端机的测试指令。同时可以根据不同测试需求，可以对ARM芯片进行不同功能的增强与升级。因此利用ARM芯片的这种优势可以大大提高工作效率以及给整个测试系统带来极大的便捷性。

S2：FPGA芯片对所述内存共享单元内数据进行解析以及提取所述测试指令。

FPGA芯片，用于将测试指令发送至通信接口以及监听电能表MCU回应帧数据。

本申请提供的技术方案中，FPGA芯片即可编程逻辑门阵列，FPGA芯片本身构成的半制定电路中包含数字管理模块、内嵌式单元、输出单元以及输入单元。因此通过改进芯片的设计便可以增设全新的芯片功能，实现芯片的简化与性能提升。

在实际应用中，根据FPGA可以无限重新编程这个优点，可以有效减少硬件开销，降低成本，还可以通过设计或者更换更快的芯片来达到提高FPGA芯片处理能力的目的。

进一步地，所述FPGA芯片内可以设置多种通信接口，还用于接收不同种类的通信信号。在实际应用中，FPGA芯片的通信接口可灵活配置，在终端机的控制下FPGA自身还可作为第三方恶意攻击方，对电能表通信接口进行恶意通信测试，此种方法直接深入到接口内部，使得攻击数据可以准确可靠地进入通信接口回路，不需要其他额外测试设备。这种特性在降低设备配置成本的同时还改善了系统的便捷性。

再进一步地，在ARM芯片对终端机发送的测试指令存入内存共享单元后，在共享单元内ARM芯片与FPGA芯片可以进行数据交换，参见图3，为本申请共享单元数据交换流程示意图，由图3可知，本申请提供的一种基于FPGA的多通道信号传输可靠性检测方法还包括以下步骤：

S21:在FPGA芯片对所述内存共享单元内数据进行解析以及提取所述测试指令步骤后，FPGA芯片清空所述内存共享单元内测试指令。

再次参见图1，内存共享单元分别连接FPGA芯片与ARM芯片，用于FPGA芯片与ARM芯片间的数据交换，以及接收来自ARM芯片的测试指令和来自FPGA芯片监听的电能表MCU回应帧数据。

内存共享指在多处理器系统中，可以被不同的处理器访问的大容量内存。实际上共享内存是一种多进程之间的通信方法，这种方法通常用于一个程序的多进程间通信，同理多个程序间也可以通过共享内存来传递信息。

本申请提供的技术方案中，内存共享单元应用于一个程序的多进程通信，同理多个程序间也可以通过共享内存来传递信息。FPGA芯片通过对内存共享单元的读取实现了ARM芯片之间的数据交换，同时实现了终端机对FPGA通信接口的直接控制，因此对电能表MCU的通信可靠性测试变得更加灵活。

在实际应用中，ARM芯片可根据解析结果将测试指令存入内存共享单元，FPGA芯片在运行工程中实时监控内存共享单元内数据，当检测到有数据存入时，根据相关通信协议进行数据存取。内存共享单元的设置，可使ARM芯片与FPGA芯片之间数据得到直接交换，避免的数据传输过程造成的时间浪费。并且内存共享单元的设置实现了终端机对FPGA通信接口的直接控制，从而实现电能表MCU通信可靠性的灵活测试。

S3:FPGA芯片根据所述测试指令设置接口参数，以及将所述参数发送至各通信接口。

本申请提供的技术方案中，所述FPGA芯片内设置多种通信接口，在测试过程中各接口引脚配置、接口特性可在线设置。如果需要同时测试多种通信信号时，所述FPGA芯片根据信号种类同时进行数据与指令处理。参见图1，FPGA芯片可以根据测试需要设置多种通信接口，用于实现多电能表MCU多通道通信信号的同时检测。

在实际应用中，基于FPGA的各通信接口的模拟仿真用Verilog编程语言进行开发。Verilog是一种硬件描述语言，以文本形式来描述数字系统硬件的机构和行为语言，用它可以表示逻辑表达式，还可以表示数字逻辑系统所完成的逻辑功能。

进一步地，对FPGA芯片进行模块划分，将复杂的功能划分为简单的功能，采取“自顶向下”的思路，将FPGA芯片具有的功能划分为各个简单的功能模块，从而实现FPGA芯片对各个通信接口的仿真。

Verilog的优点在于，其中的模块类似C语言中的函数，它能够提供输入、输出端口，可以实例调用其他模块，也可以被其他模块实例调用。模块中可以包括组合逻辑部分、过程时序部分。

S4:各通信接口将通信数据按照时序发送至电能表MCU。

本申请提供的技术方案中，电能表内嵌MCU芯片，MCU芯片上设有信号接口和通信接口，电能表MCU通过信号接口连接FPGA开发板，用于从FPGA开发板接收测试指令。

MCU芯片是把中央处理器的频率与规格做适当缩减，并将内存、计数器、USB、A/D转换等电路模块整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，在不同应用场景下可根据需要作出不同种组合控制。在实际应用中，由于在不同的通讯电路中，通信信号也有所不同，所以根据MCU芯片具有可以随机组合控制模块的优点，可以实现电能表多通路传输的目的。

同时MCU芯片上的通信接口可以与FPGA开发板连接，实现电能表多通路通信信号传输可靠性的同时检测。

S5：FPGA芯片监听电能表MCU回应帧数据，以及将数据存入所述内存共享单元。

本申请提供的技术方案中，通信接口将通信数据发送至电能表MCU后，FPGA芯片开始对电能表MCU进行监听，并且将监听到的电能表MCU回应帧数据存入内存共享单元。

进一步地，FPGA芯片对各通信接口启动监听后，将监听到的数据通过ARM通信协议打包存入所述内存共享单元。在此步骤后，本申请提供的技术方案，还包括以下步骤，如图3所示。

S51:当检测到FPGA芯片存入的数据时，将监听到的数据解析以及转换为多种通信协议格式，发送给终端机，同时清空所述内存共享单元内数据。

当FPGA芯片将回应帧数据存入共享单元后，ARM芯片将对共享单元进行轮询，通过这种方式检测共享单元内存入数据。当检测到FPGA芯片存入的数据时，ARM芯片将监听到的数据转换为Modbus协议格式发送给终端机，同时清空内存共享单元内的数据。

本申请提供的技术方案中，电能表采用RS485接口。RS485是一个定义平衡数字多点系统中的驱动器和接收器的电气特性的标准。使用该标准的数字通信网络能在远距离条件下以及电子噪声大的环境下有效传输信号。RS485使得连接本地网络以及多支路通信链路的配置成为可能。在RS485通信网络中采用主从通信方式，即一个主机带多个从机。通信总线为SPI(Serial Peripheral Interface)串行外设接口，以主从方式工作，通常设有一个主设备多个从设备，每个从设备有唯一的地址，主设备选择一个从从模块进行同步通信，从而完成数据的交换。

进一步地，Modbus协议是一个master/slave架构的协议。有一个节点是master节点，其他使用Modbus协议参与通信的节点是slave节点。每一个slave设备都有一个唯一的地址。在串行和MB+网络中，只有被指定为主节点的节点可以启动一个命令。

在实际应用中，ARM芯片通过Modbus接口接收来自终端机的数据，并将解析到的数据存入内从共享单元内与FPGA芯片进行数据交换。根据Modbus协议的特点，只有被指定为主节点的节点可以启动一个命令，从而FPGA芯片就会从内从共享单元内得到一个测试指令，例如终端机发送测试无线通信接口的指令，FPGA芯片通过解析测试指令后便会将测试指令发送至无线通信接口。同理当终端机发出其他测试指令时，FPGA芯片通过解析将指令发送至指定的通信接口，从而可以实现同时检测电能表多通道信号传输的可靠性。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于FPGA的多通道信号传输可靠性检测系统，其特征在于，包括：终端机、FPGA开发板和电能表MCU；

所述终端机连接所述FPGA开发板，用于运行电能表测试方案，生成测试指令以及向所述FPGA开发板发送测试指令；

所述FPGA开发板连接所述终端机，用于接收来自终端机的所述测试指令以及将所述测试指令按时序发送至各通信接口；

所述电能表MCU上设有信号接口和通信接口，所述电能表MCU通过所述信号接口连接所述FPGA开发板，用于从所述FPGA开发板接收所述测试指令；

其中，所述FPGA开发板上设置ARM芯片、FPGA芯片以及内存共享单元；

所述ARM芯片，用于接收所述测试指令，以及将所述测试指令发送至所述FPGA芯片；

所述FPGA芯片，用于将所述测试指令发送至所述通信接口，以及监听所述电能表MCU回应帧数据；

所述内存共享单元分别连接所述FPGA芯片与所述ARM芯片，用于所述FPGA芯片与所述ARM芯片间的数据交换，以及接收来自ARM芯片的测试指令和来自所述FPGA芯片监听的电能表MCU回应帧数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的多通道信号传输可靠性检测系统，其特征在于，所述FPGA芯片还用于，在接收所述测试指令后，清空所述内存共享单元内测试指令，以及将监听到的数据通过ARM通讯协议打包存入所述内存共享单元。

3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的多通道信号传输可靠性检测系统，其特征在于，所述ARM芯片还用于，通过轮询方式检测所述内存共享单元内数据，当检测到FPGA芯片存入的数据时，将监听到的数据解析以及转换为多种通信协议格式，发送给所述终端机，同时清空所述内存共享单元数据。

4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的多通道信号传输可靠性检测系统，其特征在于，所述FPGA芯片内设置多种通信接口，还用于接收不同种类的通信信号。

5.一种基于FPGA的多通道信号传输可靠性检测方法，其特征在于，包括：

ARM芯片接收、解析终端机发出的测试指令，以及将所述测试指令存入内存共享单元；

FPGA芯片对所述内存共享单元内数据进行解析以及提取所述测试指令；

FPGA芯片根据所述测试指令设置接口参数，以及将所述参数发送至各通信接口；

各通信接口将通信数据按照时序发送至电能表MCU；

FPGA芯片监听电能表MCU回应帧数据，以及将数据存入所述内存共享单元；

其中在将所述测试指令存入内存共享单元步骤后，所述ARM芯片与FPGA芯片在所述内存共享单元内进行数据交换。

6.根据权利要求5所述的一种基于FPGA的多通道信号传输可靠性检测方法，其特征在于，在FPGA芯片对所述内存共享单元内数据进行解析以及提取所述测试指令步骤后，FPGA芯片清空所述内存共享单元内测试指令。

7.根据权利要求5所述的一种基于FPGA的多通道信号传输可靠性检测方法，其特征在于，所述FPGA芯片内设置多种通信接口，如果需要同时测试多种通信信号时，所述FPGA芯片根据信号种类同时进行数据与指令处理。

8.根据权利要求5所述的一种基于FPGA的多通道信号传输可靠性检测方法，其特征在于，在FPGA芯片监听电能表MCU回应帧数据步骤中，所述方法还包括：

FPGA芯片对各通信接口启动监听后，将监听到的数据通过ARM通信协议打包存入所述内存共享单元。

9.根据权利要求5所述的一种基于FPGA的多通道信号传输可靠性检测方法，其特征在于，在FPGA芯片监听电能表MCU回应帧数据步骤后，所述方法还包括：

ARM芯片通过轮询方式检测所述内存共享单元内的数据，当检测到FPGA芯片存入的数据时，将监听到的数据解析以及转换为多种通信协议格式，发送给终端机，同时清空所述内存共享单元内数据。

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