CN220325631U - 一种基于zynq平台的手持式网络分析仪 - Google Patents

一种基于zynq平台的手持式网络分析仪 Download PDF

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彭博
方钦
吴海涛
王乔
程植
夏海波
曹倩
何利华
杨飞燕
陈娅
彭彦林
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State Grid Corp of China SGCC
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Abstract

本实用新型提供一种基于ZYNQ平台的手持式网络分析仪,属于变电站自动化技术领域,解决了传统手持式网络分析仪的局限问题;包括ZYNQ模块,其内部集成PL侧和PS侧;PL侧连接有光以太网硬件电路、FT3串行光口报文硬件电路、对时接口硬件电路;PS侧连接有10/100/1000M电以太网、触摸液晶屏、USB接口;光以太网硬件电路,用于变电站内61850报文与IEC104报文的共网接收;FT3串行光口报文硬件电路,用于FT3串行报文的实时接收;对时接口硬件电路,用于变电站内时间同步信息的接收;本实用新型可以减少PCB板卡的布线难度和大小,解决了独立芯片之间通讯带宽的问题,改善了网分仪的性能。

Description

一种基于ZYNQ平台的手持式网络分析仪
技术领域
本实用新型属于变电站自动化技术领域,涉及网络调试及运维过程中的专用设备,具体为一种基于ZYNQ平台的手持式网络分析仪。
背景技术
现有技术中,基于IEC61850标准建设的智能变电站已大量投入使用,其信息传输方式由传统的电气连接转换为网络通讯,实现传输过程;这一转换使得二次回路连接不再清晰可见,在适应新技术发展及效率提升的同时,却加大了调试和运维人员的工作难度。
如今,行业内常用的手持式网络分析仪均采用ARM+FPGA架构的方式进行实现;由于采用了独立的ARM和FPGA芯片,二者的通讯瓶颈是制约网分仪性能及接入量的主要因素;同时,由于采用了独立的芯片设计,不仅增加了软件开发过程中的调试难度,也增加了PCB板卡的布线难度、大小和运行功耗。
实用新型内容
本实用新型的目的是解决传统架构下手持式网络分析仪的不足之处,提供一种基于ZYNQ平台的手持式网络分析仪;该网分仪充分发挥了ZYNQ模块的优点,不仅可以减少PCB板卡的布线难度和大小,也解决了独立芯片之间通讯带宽的问题,从而改善了网分仪的性能。
本实用新型采用了以下技术方案来实现目的:
一种基于ZYNQ平台的手持式网络分析仪,包括ZYNQ模块,其内部集成了PL侧和PS侧;所述PL侧连接有光以太网硬件电路、FT3串行光口报文硬件电路、对时接口硬件电路;所述PS侧连接有10/100/1000M电以太网、触摸液晶屏、USB接口;所述光以太网硬件电路,用于变电站内61850报文与IEC104报文的共网接收;所述FT3串行光口报文硬件电路,用于FT3串行报文的实时接收;所述对时接口硬件电路,用于变电站内时间同步信息的接收。
进一步的,所述ZYNQ模块为Zynq-7000 All Programmable SoC;ZYNQ模块集成的PS侧包括双核ARM Cortex-A9处理器,双核ARM Cortex-A9处理器由ARM1和ARM2组成;ZYNQ模块集成的PL侧为现场可编程门阵列FPGA逻辑部件,采用verilog硬件编程语言,所述PL侧用于以太网接口扩展、FT3报文解析和对时编码信号设计。
优选的,所述ZYNQ模块连接有DDR3内存单元,所述DDR3内存单元在物理上划分为第一、第二、第三和第四内存区;第一内存区为PL侧与ARM1共享内存区,第二内存区为ARM1内存区,第三内存区为ARM1与ARM2共享内存区,第四内存区为ARM2内存区。
具体的,所述ARM1内存区用于运行ARM1上的逻辑代码,所述ARM2内存区用于运行linux操作系统。
具体的,所述PL侧上设置有光以太网接口、第一I/O接口和第二I/O接口;所述光以太网接口用于连接所述光以太网硬件电路,所述第一I/O接口用于连接所述FT3串行光口报文硬件电路,所述第二I/O接口用于连接所述对时接口硬件电路。
具体的,所述光以太网硬件电路包括4路相同的光信号通讯通道,每1路光信号通讯通道由可拔插SFP模块和88E1512芯片组成;所述可拔插SFP模块的一侧连接外部光纤跳线,另一侧采用差分对传输方式连接88E1512芯片的差分接口;88E1512芯片的另一侧采用标准RGMII模式连接所述光以太网接口。
具体的,所述FT3串行光口报文硬件电路包括FT3接收电路和FT3发送电路。
优选的,所述FT3接收电路包括FT3接收模块、第一贴片电阻和贴片电容,第一贴片电阻与贴片电容组合为RC电路,RC电路用于对输入毛刺信号进行过滤;所述FT3发送电路包括FT3发送模块、第二贴片电阻和电平驱动芯片,电平驱动芯片连接FT3发送模块和所述第二I/O接口。
具体的,手持式网络分析仪还包括机壳,所述机壳包括前壳体、后壳体、上合盖、下合盖,所述前壳体上设置有所述触摸液晶屏;所述机壳上还设置有电源接口、电源开关、SD卡槽、USB接口、光以太网接口、第一I/O接口、第二I/O接口和RJ45接口。
综上所述,由于采用了本技术方案,本实用新型的有益效果如下:
本实用新型基于ZYNQ技术,具体采用了ZYNQ-7000系列芯片,来作为网络分析仪的主芯片,由于其内部集成了PS侧和PL侧,有效的解决了传统独立芯片间通讯瓶颈的问题,还降低了PCB板卡的设计难度,减少了PCB板卡的设计尺寸和运行功耗。
同时,本实用新型采用了高度集成的开发环境,能改善软件人员的开发难度;该手持网分仪由ZYNQ模块内部的PL侧完成网络通信报文和FT3报文的大批量数据实时接收和规则判断,并按内部协议机制将接收数据进行整合后传送至内存缓存池上,而ZYNQ模块内部的PS侧则细分双核任务,其中ARM1完成对PL侧上送至缓存池的数据进行实时分析,而ARM0则用于将ARM1实时分析的数据报文进行图形界面展示和异常标记、保存结果。在PL侧和PS侧之间设计不同数据的通讯类型,对实时接收外部数据以及内部配置参数分开传输,保证了通讯过程的稳定可靠。
附图说明
图1为本实用新型的手持网分仪的组成关系示意图;
图2为本实用新型的ZYNQ模块内部数据通讯流程示意图;
图3为本实用新型的光以太网硬件电路结构示意图;
图4为本实用新型中支持光通讯的88E1512芯片结构原理示意图;
图5为本实用新型中FT3接收电路的结构原理示意图;
图6为本实用新型中FT3发送电路的结构原理示意图;
图7为本实用新型的手持网分仪的机壳结构示意图。
附图中的标记所代表的含义具体如下:
1-前壳体、2-后壳体、3-上合盖、4-下合盖、5-触摸液晶屏、6-电源接口、7-电源开关、8-SD卡槽、9-USB接口、10-第二I/O接口、11-第一I/O接口、12-RJ45接口、13-光以太网接口。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本实用新型实施例中的附图,对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以按各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围,而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本实用新型保护的范围。
实施例1
如图1所示,一种基于ZYNQ平台的手持式网络分析仪,包括ZYNQ模块,其内部集成了PL侧和PS侧;PL侧连接有光以太网硬件电路、FT3串行光口报文硬件电路、对时接口硬件电路;PS侧连接有10/100/1000M电以太网、触摸液晶屏、USB接口;光以太网硬件电路,用于变电站内61850报文与IEC104报文的共网接收;FT3串行光口报文硬件电路,用于FT3串行报文的实时接收;所述对时接口硬件电路,用于变电站内时间同步信息的接收。
具体接口包括:PL侧上设置有光以太网接口、第一I/O接口和第二I/O接口;光以太网接口用于连接光以太网硬件电路,第一I/O接口用于连接FT3串行光口报文硬件电路,第二I/O接口用于连接对时接口硬件电路。
本实施例中,如图2所示,ZYNQ模块为Zynq-7000 All Programmable SoC;ZYNQ模块集成的PS侧包括双核ARM Cortex-A9处理器,双核ARM Cortex-A9处理器由ARM1和ARM2组成;ZYNQ模块集成的PL侧为现场可编程门阵列FPGA逻辑部件,采用verilog硬件编程语言,PL侧用于以太网接口扩展、FT3报文解析和对时编码信号设计。
ZYNQ模块连接有DDR3内存单元,在整个内部通讯流程中,通过XILINX提供的集成开发环境与异构多核处理模式,可将DDR3内存单元从物理上分成PL和ARM1共享内存区、ARM1内存区、ARM1和ARM2内存区和ARM2内存区,有效的解决数据的缓存和程序代码运行相互干扰的问题。其中,ARM1内存区用于运行ARM1上的逻辑代码,而ARM0内存区则用于运行linux操作系统。
ZYNQ模块集成的PL侧,接收经光以太网硬件电路转换后的MMS报文、GOOSE报文、SV报文、IEC104报文,进行简易MAC层处理(去除前导码和CRC校验)后,按照内部协议机制,对有效数据部分进行封装和缓存,上送至PL侧与ARM1共享内存区;对于接收来自FT3串行光口报文硬件电路的报文,亦是按照FT3标准机制进行解析和封装后,上送至PL侧与ARM1共享内存区;对于对时接口转换的时间信息,进行本地同步,经时间信息转发至PS侧,便于整机与站内时间同步。
本实施例中,采用的ZYNQ为Zynq-7000 All Programmable SoC;ZYNQ模块集成的PS侧包括双核ARM Cortex-A9处理器,双核ARM Cortex-A9处理器由ARM1和ARM2组成;ZYNQ模块集成的PL侧为现场可编程门阵列FPGA逻辑部件,采用verilog硬件编程语言,PL侧用于以太网接口扩展、FT3报文解析和对时编码信号设计。
本实施例中,双核ARM处理器采用AMP工作模式,即其中的ARM1实现裸机编程,用于实时响应PL侧上送数据分析;而ARM2则基于linux操作系统实现,用于人机交互处理,数据分析结果展示以及保存等。
请同步参看图2,PL侧接收到外部实时数据,在按照内部通讯机制进行封装后,将数据缓存DDR3内存单元的PL侧和ARM1共享内存处后,再通过硬中断的方式通知ARM1获取数据进行分析,有效避免PL侧与ARM1对共享区域操作冲突,而ARM1对PL侧参数配置则通过ZYNQ内部提供的AXI-LITE轻量级总线实现。
当ARM1将PL侧上送的数据进行实时分析后,将分析结果缓存至ARM1与ARM2的DDR3内存单元共享缓存区中,再通过软件消息机制,通知ARM2进行读取,进行展示和用户界面要求的功能。
如图3所示,光以太网硬件电路可支持高达4路光信号通讯,每一路光信号都是由可拔插的SFP模块和88E1512芯片组成。其中SFP模块的一侧用于连接外部光纤跳线,而另一侧采用差分对传输信号与88E1512芯片差分接口相连,88E1512芯片的另一侧则采用标准RGMII模式与ZYNQ模块的光以太网接口相连。由于采用的88E1512芯片,可通过用户界面配置接口速率,可兼容100M和1000M光通讯,在实际使用过程中,可根据现场光纤通讯速率,选择不同的速率的可拔插SFP模块,实现对现场光数据信号无缝接收,符合现场调试和运维人员的工作需求,也无需再为某一速率光纤通讯的接口数量不够而发愁。
图4为88E1512芯片原理图实现,尽管88E1512芯片属现有技术,本实施在此对其连接关系作一最优介绍。本实施例中,包括88E1512芯片U1、贴片电容C1-C19、贴片电阻R1-R5,发光二极管D1-D2、贴片磁珠FB1和有源贴片晶振Y1。U1芯片1、2、4、5脚与可拔插SFP模块的差分接口相连,43-48、50、51、53-56脚与ZYNQ的PL侧光以太网接口相连,而7、8脚与ZYNQ的PS侧相连,用于配置U1芯片的接口速率和工作状态回读。其中Y1的1脚输出25Mhz的频率信号与U1的34脚输入相连。贴片电容C1-C19,主要是对输入U1芯片和Y1晶振的电源起退耦作用。贴片磁珠FB1,串联在VDD33电源与U1芯片的20、25脚之间,起电源隔离和滤波作用;贴片电阻R1和R2起上拉作用;R3和R5是为了保护流入D1和D2的电流过大,起限流作用;R4限定为4.99K,是U1芯片要求的接地电阻。
如图5和图6所示,FT3串行光口报文硬件电路包括FT3接收模块P1、发送模块P2、贴片电阻R100-R101,贴片电容C100和电平驱动芯片U20。整个FT3相关电路结构包括两个部分,即FT3的收和发,其中所述P1模块、贴片电阻R100和贴片电容C100组成FT3接收电路,其中R100和C100组成一个RC电路,用于对输入毛刺信号进行过滤;所述P2模块、贴片电阻R101和电平驱动芯片U20,组成FT3发送电路,其中U20的3脚输出与P2的2、6、7脚互连,而其输入1、2脚互连后与ZYNQ模块PL侧的输出IO相连。R101电阻一侧并联在U20的3脚输出链路上,而另一侧连接5V电源,起上拉作用。
经过本实施例的上述特征设计,手持式网络分析仪由ZYNQ内部的PL部分完成网络通信报文和FT3报文的大批量数据实时接收和规则判断,并按内部协议机制将接收数据进行整合后传送至内存缓存池上,而ZYNQ内部的PS侧则细分双核任务,其中ARM1完成对PL侧上送至缓存池的数据进行实时分析,而ARM0则用于将ARM1实时分析的数据报文进行图形界面展示和异常标记、保存结果。在PL和PS之间设计不同数据的通讯通讯类型,对实时接收外部数据以及内部配置参数分开传输,保证通讯的稳定可靠。由于ZYNQ芯片的集成了PL和PS,不仅可以减少PCB板的布线难度和大小,同时也解决独立芯片之间通讯带宽的问题,大大改善了网络分析仪的性能。
实施例2
结合图7的示意,在实施例1的基础上,本实施例展示手持式网络分析仪的外部机壳结构;其中外部的触摸液晶屏、USB接口均连接至ZYNQ模块的PS侧。
如图7所示,手持式网络分析仪的机壳包括:前壳体1、后壳体2、上合盖3、下合盖4,前壳体1上设置有触摸液晶屏5;所述机壳上还设置有电源接口6、电源开关7、SD卡槽8、USB接口9、第二I/O接口10、第一I/O接口11、RJ45接口12和光以太网接口13。

Claims (9)

1.一种基于ZYNQ平台的手持式网络分析仪,其特征在于,包括ZYNQ模块,其内部集成了PL侧和PS侧;所述PL侧连接有光以太网硬件电路、FT3串行光口报文硬件电路、对时接口硬件电路;所述PS侧连接有10/100/1000M电以太网、触摸液晶屏、USB接口;所述光以太网硬件电路,用于变电站内61850报文与IEC104报文的共网接收;所述FT3串行光口报文硬件电路,用于FT3串行报文的实时接收;所述对时接口硬件电路,用于变电站内时间同步信息的接收。
2.根据权利要求1所述的一种基于ZYNQ平台的手持式网络分析仪,其特征在于:所述ZYNQ模块为Zynq-7000 All Programmable SoC;ZYNQ模块集成的PS侧包括双核ARMCortex-A9处理器,双核ARM Cortex-A9处理器由ARM1和ARM2组成;ZYNQ模块集成的PL侧为现场可编程门阵列FPGA逻辑部件,采用verilog硬件编程语言,所述PL侧用于以太网接口扩展、FT3报文解析和对时编码信号设计。
3.根据权利要求2所述的一种基于ZYNQ平台的手持式网络分析仪,其特征在于:所述ZYNQ模块连接有DDR3内存单元,所述DDR3内存单元在物理上划分为第一、第二、第三和第四内存区;第一内存区为PL侧与ARM1共享内存区,第二内存区为ARM1内存区,第三内存区为ARM1与ARM2共享内存区,第四内存区为ARM2内存区。
4.根据权利要求3所述的一种基于ZYNQ平台的手持式网络分析仪,其特征在于:所述ARM1内存区用于运行ARM1上的逻辑代码,所述ARM2内存区用于运行linux操作系统。
5.根据权利要求1所述的一种基于ZYNQ平台的手持式网络分析仪,其特征在于:所述PL侧上设置有光以太网接口、第一I/O接口和第二I/O接口;所述光以太网接口用于连接所述光以太网硬件电路,所述第一I/O接口用于连接所述FT3串行光口报文硬件电路,所述第二I/O接口用于连接所述对时接口硬件电路。
6.根据权利要求5所述的一种基于ZYNQ平台的手持式网络分析仪,其特征在于:所述光以太网硬件电路包括4路相同的光信号通讯通道,每1路光信号通讯通道由可拔插SFP模块和88E1512芯片组成;所述可拔插SFP模块的一侧连接外部光纤跳线,另一侧采用差分对传输方式连接88E1512芯片的差分接口;88E1512芯片的另一侧采用标准RGMII模式连接所述光以太网接口。
7.根据权利要求5所述的一种基于ZYNQ平台的手持式网络分析仪,其特征在于:所述FT3串行光口报文硬件电路包括FT3接收电路和FT3发送电路。
8.根据权利要求7所述的一种基于ZYNQ平台的手持式网络分析仪,其特征在于:所述FT3接收电路包括FT3接收模块、第一贴片电阻和贴片电容,第一贴片电阻与贴片电容组合为RC电路,RC电路用于对输入毛刺信号进行过滤;所述FT3发送电路包括FT3发送模块、第二贴片电阻和电平驱动芯片,电平驱动芯片连接FT3发送模块和所述第二I/O接口。
9.根据权利要求1所述的一种基于ZYNQ平台的手持式网络分析仪,其特征在于:手持式网络分析仪还包括机壳,所述机壳包括前壳体、后壳体、上合盖、下合盖,所述前壳体上设置有所述触摸液晶屏;所述机壳上还设置有电源接口、电源开关、SD卡槽、USB接口、光以太网接口、第一I/O接口、第二I/O接口和RJ45接口。
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