CN204272169U - 基于fpga的电力通信协议报文解析卡 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于FPGA 的电力通信协议报文解析卡，包括板卡，所述板卡包括FPGA模块、连接FPGA模块与主机的PCIE X4总线接口、电源模块、与FPGA模块分别连接的时钟模块和复位模块；电源模块与PCIE X4总线接口、FPGA模块、时钟模块和复位模块连接；FPGA模块内设置有电力通信协议报文解析模块、接收缓存模块、发送缓存模块和PCIE接口控制器模块；电力通信协议报文解析模块通过发送缓存模块和接收缓存模块与PCIE接口控制器模块连接，PCIE接口控制器模块与PCIE X4总线接口连接。本实用新型结构紧凑，能实现对常用电力通信协议报文的快速解析，适应范围广，安全可靠。
Description
技术领域
本实用新型属于协议报文解析卡技术领域，涉及一种基于FPGA的电力通信协议报文解析卡。
背景技术
自“震网”病毒爆发后，世界工业大国纷纷将工控及其安全问题提到战略级别。我国工信部下发《关于加强工业控制系统信息安全管理的通知》的通知，强调加强工业信息安全的重要性、紧迫性。
电力通信一般使用特殊的电力通信规约如IEC60870-5-104，传统的边界网关设备不能对此通信协议进行解析和控制，一些工业防火墙针对工控协议支持简单包过滤，协议白名单等粗颗粒方式进行防护，无法对通信协议报文内容进行深度解析及对通信规约行为进行异常检测。常规防火墙、入侵检测等安全防护措施无法对电力通信规约行为进行异常检测及对电力工控通信提供有效安全防护。
国内各大厂商已开始研究新一代工控协议解析与安全监测软件，通过实时捕获通信协议报文，对通信报文进行内容深度解析，分析协议行为，从而达到对电力通信协议内容、行为的细粒度检查，实现对工控通信的安全防护。此类软件的关键是对报文内容进行深度解析的正确性和速率，现有的报文解析方法大多基于操作系统之上的软件编程的方式实现，需要占据大量的操作系统资源同时在报文解析速度上不能适应电力通信系统对数据传输的要求。
实用新型内容
为解决现有技术的不足，本实用新型提供一种基于FPGA的电力通信协议报文解析卡，解决了现有技术不能实时快速解析电力通信协议报文的问题。
为了实现上述目标，本实用新型采用如下的技术方案：一种基于FPGA 的电力通信协议报文解析卡，包括板卡，其特征是，所述板卡包括FPGA模块、连接所述FPGA模块与主机的PCIE X4总线接口、电源模块、与所述FPGA模块分别连接的时钟模块和复位模块；所述电源模块分别与PCIE X4总线接口、FPGA模块、时钟模块和复位模块连接。
前述的一种基于FPGA 的电力通信协议报文解析卡，其特征是，所述FPGA模块内设置有电力通信协议报文解析模块、接收缓存模块、发送缓存模块和PCIE接口控制器模块；所述电力通信协议报文解析模块通过所述发送缓存模块和接收缓存模块与所述PCIE接口控制器模块连接；所述PCIE接口控制器模块与所述PCIE X4总线接口连接。
前述的一种基于FPGA 的电力通信协议报文解析卡，其特征是，所述发送缓存模块内设置有第一发送缓存和第二发送缓存，所述接收缓存模块内设置有第一接收缓存和第二接收缓存。
前述的一种基于FPGA 的电力通信协议报文解析卡，其特征是，所述PCIE接口控制器模块内设置有DMA引擎。
前述的一种基于FPGA 的电力通信协议报文解析卡，其特征是，所述所述FPGA模块主要包括FPGA芯片和FPGA配置芯片，分别为XILINX Artix-7系列的XC7A100T和串行Flash存储器M25P64。
前述的一种基于FPGA 的电力通信协议报文解析卡，其特征是，所述电源模块主要包括四片SC1592电源芯片及其配置电路，输出电压分别为1V、1.2V、1.8V和3.3V。
前述的一种基于FPGA的电力通信协议报文解析卡，其特征是，所述时钟模块为25MHz有源晶振；所述复位模块包括复位芯片MAX811T及其复位电路。
本实用新型所达到的有益效果：通过在解析卡上设置FPGA模块和PCIE X4总线接口，解析卡以PCIE接口板卡的方式安装在主机上，通过PCIE X4总线接口与主机通信；FPGA模块内设置有电力通信协议报文解析模块、接收缓存模块、发送缓存模块和PCIE接口控制器模块；电力通信协议报文解析模块用作对IEC60870-5-104电力通信协议报文进行解析并通过发送缓存模块和接收缓存模块与PCIE接口控制器模块连接，PCIE接口控制器模块与PCIE X4总线接口连接；PCIE接口控制器模块内设置有DMA引擎；本实用新型结构紧凑，能实现对常用电力通信协议报文的快速解析，安全可靠。
附图说明
图1为解析卡的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
如图1所示，一种基于FPGA 的电力通信协议报文解析卡，包括板卡，其特征是，板卡包括FPGA模块、连接FPGA模块与主机的PCIE X4总线接口、电源模块、与FPGA模块分别连接的时钟模块和复位模块；电源模块分别与PCIE X4总线接口、FPGA模块、时钟模块和复位模块连接。
PCIE X4总线接口连接到FPGA的PCIE接口控制器模块，板卡通过其与主机通信；时钟模块连接到所述FPGA模块，用作提供时钟信号；复位模块连接到所述FPGA模块，用作复位FPGA模块及板卡；电源模块将来自主机PCIE X4总线接口的12V电源转换为板卡所需的电源电压，主要包括1V、1.2V、1.8V和3.3V。
FPGA模块是整个板卡的核心控制与数据处理模块，FPGA模块内设置有电力通信协议报文解析模块、接收缓存模块、发送缓存模块和PCIE接口控制器模块；电力通信协议报文解析模块用作对电力通信协议报文进行解析并通过发送缓存模块和接收缓存模块与PCIE接口控制器模块连接，PCIE接口控制器模块与PCIE X4总线接口连接，PCIE X4总线接口与主机PCIE接口连接。常用电力通信协议包括IEC60870-5-101、IEC60870-5-104等。
发送缓存模块内设置有第一发送缓存和第二发送缓存，接收缓存模块内设置有第一接收缓存和第二接收缓存。
FPGA内的PCIE接口控制器模块内设置有DMA引擎，提高主机与板卡之间数据传输速率，减小对主机系统资源的占用量。
FPGA模块主要包括FPGA芯片和FPGA配置芯片，型号分别为XILINX Artix-7系列的XC7A100T和串行Flash存储器M25P64。
时钟模块为25MHz有源晶振；复位模块主要包括复位芯片MAX811T及其复位电路；电源模块主要包括四片SC1592电源芯片及其配置电路。
本实施例实施过程如下所示：以IEC60870-5-104电力通信协议报文为例：
FPGA内的PCIE接口控制器模块通过PCIE X4总线接口与主机通信，用作读取主机传输的IEC60870-5-104电力通信协议报文、解析命令、解析参数并将数据写入接收缓存模块，及读取发送缓存模块中的解析结果并通过PCIE X4总线接口写入主机；电力通信协议报文解析模块用作读取接收缓存模块中的数据并根据解析命令、解析参数解析IEC60870-5-104协议报文，完成报文解析后将解析结果写入发送缓存模块，电力通信协议报文解析模块根据IEC60870-5-104规约对IEC60870-5-104协议报文进行解析，为本领域所熟知。
发送缓存模块内设置有第一发送缓存和第二发送缓存，接收缓存模块内设置有第一接收缓存和第二接收缓存，PCIE接口控制器模块和电力通信协议报文解析模块内均设置有缓存切换单元，应用乒乓操作机制在发送缓存模块内的第一发送缓存和第二发送缓存之间及接收缓存模块内的第一接收缓存和第二缓存之间动态切换，实现协议报文的无缝缓冲与处理，提高报文的解析速率。
本实用新型减小对主机系统资源的占用量，同时利用FPGA的并行性特点提高解析速度，结构紧凑，能实现对常用电力通信协议报文的快速解析，适应范围广，安全可靠。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于FPGA 的电力通信协议报文解析卡，包括板卡，其特征是，所述板卡包括FPGA模块、连接所述FPGA模块与主机的PCIE X4总线接口、电源模块、与所述FPGA模块分别连接的时钟模块和复位模块；所述电源模块分别与PCIE X4总线接口、FPGA模块、时钟模块和复位模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA 的电力通信协议报文解析卡，其特征是，所述FPGA模块内设置有电力通信协议报文解析模块、接收缓存模块、发送缓存模块和PCIE接口控制器模块；所述电力通信协议报文解析模块通过所述发送缓存模块和接收缓存模块与所述PCIE接口控制器模块连接；所述PCIE接口控制器模块与所述PCIE X4总线接口连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA 的电力通信协议报文解析卡，其特征是，所述发送缓存模块内设置有第一发送缓存和第二发送缓存，所述接收缓存模块内设置有第一接收缓存和第二接收缓存。
4.根据权利要求2所述的一种基于FPGA 的电力通信协议报文解析卡，其特征是，所述PCIE接口控制器模块内设置有DMA引擎。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA 的电力通信协议报文解析卡，其特征是，所述FPGA模块主要包括FPGA芯片和FPGA配置芯片，分别为XILINX Artix-7系列的XC7A100T和串行Flash存储器M25P64。
6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA 的电力通信协议报文解析卡，其特征是，所述电源模块包括四片SC1592电源芯片及其配置电路，输出电压分别为1V、1.2V、1.8V和3.3V。
7.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的电力通信协议报文解析卡，其特征是，所述时钟模块为25MHz有源晶振；所述复位模块包括复位芯片MAX811T及其复位电路。
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