CN113949490A - 一种继电保护装置板间通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种继电保护装置板间通信方法，包括：管理板FPGA分别与保护板FPGA、启动板FPGA之间建立自定义总线连接，管理板FPGA、保护板FPGA、启动板FPGA分别设置数据缓冲区；根据操作系统要求和FPGA接口构建驱动适配器，并将网络协议栈搭载到自定义总线上；应用软件直接调用标准的网络接口编程，基于网络协议栈进行网络数据收发。本方法在自定义总线上实现了网络数据传输，成本低，简化了应用编程、缩短开发周期，具有高可移植性，且提高了通信速率和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，具体涉及一种继电保护装置板间通信方法。
背景技术
继电保护装置的功能通常由管理板、保护板和启动板共同完成。保护板和启动板分别完成保护和闭锁功能，管理板负责整个系统的管理和外部通信。
继电保护装置的各个单板之间有频繁的、大量的数据交互，包括：保护板和启动板发送到管理板的同步信息（如SV、告警等）；管理板发到保护板和启动板的设置信息，如参数变化、软压板投退等。这些信息交互都通过板间通信完成。
目前的板间通信有四种方式：一是串行通信，管理板和保护板、启动板之间通过串口连接，例如RS-232、CAN等，使用通用的标准接口技术成熟、开发简单；二是PCI等总线技术，管理板和保护板、启动板都挂载在PCI总线上，PCI技术成熟、可靠，而且插拔板件方便；三是网络通信，管理板和保护板、启动板之间基于以太网PHY芯片建立网络通路，CPU软件调用网络协议栈将网络数据发送到PHY芯片，或调用网络协议栈接收PHY芯片的网络数据；四是在两个单板的物理连接上建立私有通信链路协议，CPU软件直接发送数据到私有通信链路上进行通信。
前三种板间通信方式实现简单，且扩展性好，因此在实际应用中广泛使用，但是这三种方式都需要单独的通信芯片：方法一需要串口芯片，方法二需要PCI芯片，方法三需要以太网PHY芯片，同时这几种方法还需要芯片附加的电源及外围电路等，不利于继电保护装置的小型化；串口、PCI、网络PHY芯片的使用，也不利于继电保护装置的成本控制。方法四虽然不需要单独的通信芯片，但私有通信链路协议的扩展性、可移植性差，当硬件平台变化时，应用软件需要重现编码以适配新的硬件；且私有通信链路协议在断链、重发等情况下存在一定的缺陷，远不如成熟的通信协议可靠。
发明内容
本发明提出了一种继电保护装置板间通信方法，其目的是：克服现有技术中板间通信需要单独的通信芯片或可移植性差的缺陷，满足继电保护装置小型化、节省成本的要求。
本发明技术方案如下：
一种继电保护装置板间通信方法，包括如下步骤：
S1：管理板FPGA分别与保护板FPGA、启动板FPGA之间建立自定义总线连接，管理板FPGA、保护板FPGA、启动板FPGA分别设置数据缓冲区；
S2：根据操作系统要求和FPGA接口构建驱动适配器，并将网络协议栈搭载到自定义总线上；
S3：应用软件直接调用标准的网络接口编程，基于网络协议栈进行网络数据收发。
进一步地，步骤S1所述自定义总线连接包括发送时钟、发送链路、接收时钟和接收链路，建立自定义总线连接的过程包括：
a.管理板FPGA作为主控节点，周期性轮流向保护板FPGA、启动板FPGA发送监控信号；
b.保护板FPGA、启动板FPGA收到监控信号后立即发送应答信号；
c.若管理板FPGA连续两次未收到相应的应答信号，则判定断链，减少发送监控信号的次数，直至收到正常的应答信号。
进一步地，所述步骤S1中，管理板FPGA判断断链后通知CPU进行闭锁保护，防止误动。
进一步地，步骤S1所述数据缓冲区包括发送缓冲区和接收缓冲区，所述发送缓冲区和接收缓冲区均设置为两级数据缓冲区：一级缓冲区具有高优先级，用于存放紧急或突发类型数据，二级缓冲区具有低优先级，用于存放非紧急或周期性发送的数据。
进一步地，所述步骤S2具体包括：管理板CPU、保护板CPU、启动板CPU分别创建两个不同优先级的中断及接收任务，高优先级的中断及接收任务用于处理所述一级缓冲区的数据，低优先级的中断及接收任务用于处理所述二级缓冲区的数据。
进一步地，步骤S3中，数据的发送过程为：
应用软件调用网络协议栈发送接口发送应用数据；
网络协议栈通过驱动适配器将数据写入发送端FPGA的对应优先级的发送数据缓冲区，同时向发送端FPGA发送一个启动信号，告知发送端FPGA需要发送数据；
发送端FPGA收到启动信号后，对发送缓冲区中的数据进行CRC校验，校验无误后通过所述发送链路发送至接收端FPGA。
进一步地，步骤S3中，数据的接收过程为：
接收端FPGA从所述接收链路接收到数据，对有效数据进行CRC校验，并与收到的校验码进行比较，如果通过CRC校验则将数据写入对应优先级的接收缓冲区，同时产生一个对应优先级的接收中断；
驱动适配器收到中断后，将接收到的数据通过网络协议栈返回给应用软件；
应用软件进入相应接收任务程序，利用网络协议栈接收接口读取数据，并解析处理。
进一步地，所述步骤S3的数据接收过程中，如果接收端FPGA收到的数据未通过CRC校验，则发送请求重发报文，发送端FPGA收到请求重发报文后，重新发送报文。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
（1）利用管理板、保护板和启动板的FPGA建立自定义总线连接，并搭载网络协议栈，充分利用现有成熟、可靠的网络协议，应用软件直接调用标准的网络协议接口编程，在自定义总线上实现了网络数据传输，与传统方案的前三种方式相比，不需要额外的通信芯片，提高了通信速率，且成本低，有利于继电保护装置的小型化；与方式四相比，不仅简化了应用编程、缩短开发周期，且在不同硬件平台上只需要修改驱动适配器，匹配相应的硬件接口即可，实现了编程标准化，具有高可移植性；
（2）周期性的监控信号，实现了对链路状态进行实时管理；
（3）两级发送缓冲区、接收缓冲区的设置，实现了数据交互的优先级控制。
附图说明
图1为板间通信的架构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的技术方案：
如图1，一种继电保护装置板间通信方法，CPU运行vxWorks系统，将TCP/IP搭载到自定义总线上，传输网络数据。具体包括如下步骤：
S1：管理板FPGA分别与保护板FPGA、启动板FPGA之间建立自定义总线连接，具体包括发送时钟、发送链路、接收时钟和接收链路。
建立自定义总线连接的过程为：
a. 为实时获取链路状态，管理板FPGA作为主控节点，周期性轮流向保护板FPGA、启动板FPGA发送监控信号；
b.保护板FPGA、启动板FPGA收到监控信号后立即发送应答信号；
c.若管理板FPGA连续两次未收到相应的应答信号，则判定断链，减少向该板发送监控信号的次数，直至收到正常的应答信号。
进一步地，管理板FPGA判断断链后通知CPU，及时闭锁保护，防止误动。
管理板FPGA、保护板FPGA、启动板FPGA分别设置数据缓冲区，所述数据缓冲区包括发送缓冲区和接收缓冲区，所述发送缓冲区和接收缓冲区均设置为两级数据缓冲区：一级缓冲区具有高优先级，用于存放紧急或突发类型数据，例如GOOSE报文、实时遥信，二级缓冲区具有低优先级，用于存放非紧急或周期性发送的数据，例如遥测数据、录波等。
S2：根据操作系统要求和FPGA接口构建驱动适配器，为网络设备缓冲区分配FPGA的缓冲区地址，并为网络设备接口定义具体的内容和函数，用于操作FPGA的相关寄存器和中断，最后向操作系统注册网络接口，完成CPU与FPGA交互中的数据格式转换和缓冲区读写。
具体地，vxWorks系统初始化阶段，将TCP/IP协议栈搭载到自定义总线上，管理板CPU、保护板CPU、启动板CPU分别创建两个不同优先级的中断及接收任务，高优先级的中断及接收任务用于处理所述一级缓冲区的数据，低优先级的中断及接收任务用于处理所述二级缓冲区的数据。
S3：应用软件直接调用标准的网络接口编程，基于网络协议栈进行网络数据收发。本实施例中，各单板的应用软件创建socket，通过调用socket API实现网络数据收发。
数据的发送过程为：
应用软件调用网络协议栈发送接口sendto发送应用数据；
TCP/IP网络协议栈通过驱动适配器将数据写入发送端FPGA的对应优先级的发送数据缓冲区，同时向发送端FPGA发送一个启动信号，告知发送端FPGA需要发送数据；
发送端FPGA收到启动信号后，对发送缓冲区中的数据报文的有效字节进行CRC校验，校验码附加在有效数据之后，校验无误后通过所述发送链路发送至接收端FPGA。
数据的接收过程为：
接收端FPGA从所述接收链路接收到数据，对有效数据进行CRC校验，并与收到的校验码进行比较，如果通过CRC校验则将数据写入对应优先级的接收缓冲区，同时产生一个对应优先级的接收中断；
驱动适配器收到中断后，将接收到的数据通过TCP/IP网络协议栈返回给应用软件。
应用软件进入相应接收任务程序，利用网络协议栈接收接口recvfrom读取数据，并解析处理。
本方法搭载网络协议栈充分利用现有成熟、可靠的网络协议，应用软件直接调用标准的网络协议接口，而不需要了解底层的具体实现，不仅简化应用编程、缩短开发周期，且在不同硬件平台上只需要修改驱动适配器，匹配相应的硬件接口即可，具有高可移植性。
本方法通信速率高，自定义总线提供400Mbit/s的最大速率，相比较CAN总线1Mbit/s，RS-232串口20kbit/s及以太网速率100Mbit/s，有所提高。
进一步地，在数据接收过程中，如果未通过CRC校验，则发送请求重发报文，发送端FPGA收到请求重发报文后，重新发送报文。
当网络出现波动，某个报文片段没有被正确接收时，发送方网络协议栈经过重发超时时间后，判断该报文片段丢失，因此重新发送该报文片段。整个重发过程应用软件和FPGA都不需要干预，甚至不需要感知，网络协议栈保证了报文的可靠传递，极大了简化了开发人员的工作量，提高了板间通信的稳定性。
Claims (8)
1.一种继电保护装置板间通信方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：管理板FPGA分别与保护板FPGA、启动板FPGA之间建立自定义总线连接，管理板FPGA、保护板FPGA、启动板FPGA分别设置数据缓冲区；
S2：根据操作系统要求和FPGA接口构建驱动适配器，并将网络协议栈搭载到自定义总线上；
S3：应用软件直接调用标准的网络接口编程，基于网络协议栈进行网络数据收发。
2.如权利要求1所述的继电保护装置板间通信方法，其特征在于：步骤S1所述自定义总线连接包括发送时钟、发送链路、接收时钟和接收链路，建立自定义总线连接的过程包括：
a.管理板FPGA作为主控节点，周期性轮流向保护板FPGA、启动板FPGA发送监控信号；
b.保护板FPGA、启动板FPGA收到监控信号后立即发送应答信号；
c.若管理板FPGA连续两次未收到相应的应答信号，则判定断链，减少发送监控信号的次数，直至收到正常的应答信号。
3.如权利要求2所述的继电保护装置板间通信方法，其特征在于：所述步骤S1中，管理板FPGA判断断链后通知CPU进行闭锁保护，防止误动。
4.如权利要求1所述的继电保护装置板间通信方法，其特征在于：步骤S1所述数据缓冲区包括发送缓冲区和接收缓冲区，所述发送缓冲区和接收缓冲区均设置为两级数据缓冲区：一级缓冲区具有高优先级，用于存放紧急或突发类型数据，二级缓冲区具有低优先级，用于存放非紧急或周期性发送的数据。
5.如权利要求4所述的继电保护装置板间通信方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括：管理板CPU、保护板CPU、启动板CPU分别创建两个不同优先级的中断及接收任务，高优先级的中断及接收任务用于处理所述一级缓冲区的数据，低优先级的中断及接收任务用于处理所述二级缓冲区的数据。
6.如权利要求4所述的继电保护装置板间通信方法，其特征在于：步骤S3中，数据的发送过程为：
应用软件调用网络协议栈发送接口发送应用数据；
网络协议栈通过驱动适配器将数据写入发送端FPGA的对应优先级的发送数据缓冲区，同时向发送端FPGA发送一个启动信号，告知发送端FPGA需要发送数据；
发送端FPGA收到启动信号后，对发送缓冲区中的数据进行CRC校验，校验无误后通过所述发送链路发送至接收端FPGA。
7.如权利要求5所述的继电保护装置板间通信方法，其特征在于：步骤S3中，数据的接收过程为：
接收端FPGA从所述接收链路接收到数据，对有效数据进行CRC校验，并与收到的校验码进行比较，如果通过CRC校验则将数据写入对应优先级的接收缓冲区，同时产生一个对应优先级的接收中断；
驱动适配器收到中断后，将接收到的数据通过网络协议栈返回给应用软件；
应用软件进入相应接收任务程序，利用网络协议栈接收接口读取数据，并解析处理。
8.如权利要求7所述的继电保护装置板间通信方法，其特征在于：所述步骤S3的数据接收过程中，如果接收端FPGA收到的数据未通过CRC校验，则发送请求重发报文，发送端FPGA收到请求重发报文后，重新发送报文。
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| CN104020691A (zh) * | 2014-06-11 | 2014-09-03 | 哈尔滨工业大学 | 适用于多总线协议、多扩展接口的信号采集板卡 |
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