CN205827184U - 一种基于fpga外扩设备的通信管理机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于FPGA外扩设备的通信管理机，其包括：包括中央处理器模块、FPGA模块、PCIE SWITCH外扩PHY模块、存储模块、USB接口模块、串口模块、开入开出模块、IRIG‑B码模块、双BIOS切换模块和看门狗模块，FPGA模块、PCIE SWITCH外扩PHY模块、存储模块、USB接口模块均与中央处理器模块连接，双BIOS切换模块和看门狗模块位于中央处理器模块和FPGA模块之间并与均与之连接，串口模块、开入开出模块和IRIG‑B码模块均与FPGA模块连接。本实用新型长期运行稳定可靠，接口优化，支持各种协议以及站内数据的时标精确性。

Description

一种基于FPGA外扩设备的通信管理机

技术领域

本实用新型涉及通讯技术领域，尤其涉及一种基于FPGA外扩设备的通信管理机。

背景技术

近年来，随着通信、网络和计算机技术的飞速发展，变电站和发电厂自动化技术水平得到迅速提高，从最初的远程终端装置(RTU)到集中式自动化系统、再到分散式自动化系统,发展到现在的网络化系统。 电力系统对长时间可靠运行的要求越来越高，普通工业控制计算机已不能适应现在的需求。

随着数字化变电站建设和IEC61850标准的推广，变电站自动化系统的开放性、互操作性、技术发展、功能应用的可扩展性和设备数据模型标准、完整、规范、可实现信息的共享更为重要，这就要求通讯管理机必须要长期运行稳定可靠，且具有各种丰富的接口比如网口、串口、开入开出和IRIG-B等，支持各种协议以及站内数据的时标精确性，现有的通讯管理机在这些方面有必要优化和提高。

实用新型内容

针对现有技术中存在的以上技术问题，本实用新型提供一种基于FPGA外扩设备的通信管理机，长期运行稳定可靠，接口优化，支持各种协议以及站内数据的时标精确性。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于FPGA外扩设备的通信管理机，其包括：包括中央处理器模块、FPGA模块、PCIE SWITCH外扩PHY模块、存储模块、USB接口模块、串口模块、开入开出模块、IRIG-B码模块、双BIOS切换模块和看门狗模块，所述FPGA模块、所述PCIE SWITCH外扩PHY模块、所述存储模块、所述USB接口模块均与所述中央处理器模块连接，所述双BIOS切换模块和所述看门狗模块位于所述中央处理器模块和所述FPGA模块之间并与均与之连接，所述串口模块、所述开入开出模块和所述IRIG-B码模块均与与所述FPGA模块连接。

作为对本实用新型所述技术方案的一种改进，所述中央处理器模块是D2550，主频1.86G，双核四线程。

作为对本实用新型所述技术方案的一种改进，所述PCIE SWITCH外扩PHY模块采用PCIE SWICTH芯片0505扩展8路网口。

作为对本实用新型所述技术方案的一种改进，所述FPGA模块采用local bus总线扩展20路串口，控制串口芯片的CS/ADDR/DATA/RD/WE/INT信号。

本实用新型提供的基于FPGA外扩设备的通信管理机，长期运行稳定可靠，接口优化，支持各种协议以及站内数据的时标精确性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型具体实施例的基于FPGA外扩设备的通信管理机的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1是本实用新型具体实施例的基于FPGA外扩设备的通信管理机的结构示意图，如图1所示，本实用新型具体实施例的基于FPGA外扩设备的通信管理机包括：中央处理器模块（CPU）、FPGA模块、PCIE SWITCH外扩PHY模块、存储模块、USB接口模块、串口模块、开入开出模块、IRIG-B码模块、双BIOS切换模块和看门狗模块，FPGA模块、PCIE SWITCH外扩PHY模块、存储模块、USB接口模块均与中央处理器模块连接，双BIOS切换模块和看门狗模块位于中央处理器模块和FPGA模块之间并与均与之连接，串口模块、开入开出模块和IRIG-B码模块均与与FPGA模块连接。

本发明具体实施例中，中央处理器模块例如可以是D2550，主频1.86G，双核四线程，，满足变电站对通信管理机处理能力的要求；PCIE SWITCH外扩PHY模块采用PCIESWICTH芯片0505扩展8路网口，该SWITCH功耗低，性能稳定，每路网口都可实现独立mac，利于组网，单口通讯速率都可达到满流量；FPGA模块采用local bus总线扩展20路串口，控制串口芯片的CS/ADDR/DATA/RD/WE/INT信号。

本实用新型具体实施例的基于FPGA外扩设备的通信管理机要求多网口，该方案是由CPU+PCIE SWITCH的方式实现扩展8路网口。其它串口、开入开出、点灯、解析IRIG-B码、双BIOS切换和看门狗的功能，主要是CPU和FPGA之间交互，CPU通过FPGA来实现扩展这些外部设备。

本实用新型利用FPGA外扩设备具有灵活方便、速度快、稳定可靠的优点。避免了CPU控各种慢速设备降低CPU使用的效率和稳定性。对于解析IRIG-B上面，传统做法采用CPU来解析，会占用大量的CPU时间，频繁进中断，并且解析算法也比较复杂，精度不高；本方案使用FPGA来解析，对时和自走时的精度都非常高，且不需要CPU的额外参与。

本实用新型利用FPGA实现的双BIOS切换和看门狗功能，最为实用。对于处理器系统难免会出现死机的情况，而FPGA凭借其特殊的结构，可长期稳定运行不出错不死机，让FPGA看护CPU的喂狗信息，当CPU死机跑飞后不喂狗时就复位重启，可实现在无人值守的地方万一设备进入死机状态，FPGA可让其复位重启继续正常工作，或是在某次因主BIOS启动选项不对起不来时，由FPGA实现自动切换到备用BIOS上复位重启。传统的单CPU方案在遇到这种情况的时候就只能一直死机了，这种架构比之前的单CPU方案更稳定和可靠。

本实用新型中，FPGA模块主要负责和CPU通讯，并为CPU扩展各种外设接口。包括串口模块、开入开出模块和IRIG-B码模块。FPGA和CPU之间采用的是LPC接口协议，该协议采用的总线数量少，通讯速度快。FPGA采用local bus总线扩展20路串口，控制串口芯片的CS/ADDR/DATA/RD/WE/INT等信号。IRIG-B码是由一系列的高低电平组成，根据占空比识别是哪种数据，解析100个码元的协议来解出具体时间。采用FPGA解析IRIG-B码，实时性高，硬解码精度非常高，可以做到1us以内，避免了CPU解码的频繁中断。

本实用新型中，双BIOS切换，这个模块主要是针对当某种特殊原因启动不了的时候，FPGA做逻辑来守护保证CPU恢复正常运行。该功能极大的保证了系统的可靠性。双BIOS切换主要原理是：CPU一般从主BIOS上启动，当因特殊情况丢掉硬盘的时候BIOS的启动选项会切换到另外一个硬盘，该硬盘是没有系统的，所以机器启动不了；这时FPGA检测到机器卡在不正常的状态后，会执行切换到备用BIOS上，并且执行复位逻辑，发送复位脉冲给CPU让它重启，这样CPU就可以正常启动进系统了；进入系统后驱动做了一个开机自检的工作，当检测到FPGA送过来的BIOS现在选择的是备用的信息后，就立刻执行，把备用BIOS的内容读出，然后切换到主BIOS后重新烧写主BIOS，整个流程结束，这个流程充分保证了当BIOS内容不对时也可以进系统，并且还能复原BIOS的内容。

本实用新型提供的基于FPGA外扩设备的通信管理机，长期运行稳定可靠，接口优化，支持各种协议以及站内数据的时标精确性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于FPGA外扩设备的通信管理机，其特征在于，包括：包括中央处理器模块、FPGA模块、PCIE SWITCH外扩PHY模块、存储模块、USB接口模块、串口模块、开入开出模块、IRIG-B码模块、双BIOS切换模块和看门狗模块，所述FPGA模块、所述PCIE SWITCH外扩PHY模块、所述存储模块、所述USB接口模块均与所述中央处理器模块连接，所述双BIOS切换模块和所述看门狗模块位于所述中央处理器模块和所述FPGA模块之间并与均与之连接，所述串口模块、所述开入开出模块和所述IRIG-B码模块均与所述FPGA模块连接。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA外扩设备的通信管理机，其特征在于，所述中央处理器模块是D2550，主频1.86G，双核四线程。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA外扩设备的通信管理机，其特征在于，所述PCIESWITCH外扩PHY模块采用PCIE SWICTH芯片0505扩展8路网口。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA外扩设备的通信管理机，其特征在于，所述FPGA模块采用local bus总线扩展20路串口，控制串口芯片的CS/ADDR/DATA/RD/WE/INT信号。