CN104618208A - 数据弹***互综合总线*** - Google Patents

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杨志宏
姜雷
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Abstract

发明公开了集成以太网总线、同步串行总线、现场总线CAN的综合总线***，并采用FPGA进行集成实现的技术。该技术方案以FPGA为载体，利用内部超大规模的可编程逻辑电路设计三种总线的功能电路模块，各电路模块均基于流水线工作模式独立并行工作，实现以太网总线、同步串行总线、现场总线CAN的通信功能。

Description

数据弹***互综合总线***
技术领域
本发明涉及电力***二次设备内部的通信技术，技术领域属工业测控领域。
背景技术
电力***二次设备多采用基于插件模块进行功能组合的设计方式，插件模块为独立的功能单元，各插件模块通过公共背板进行物理连接构成***。插件模块之间以背板总线为公共数据通道，通过通信技术实现信息传输，完成数据交互与共享，为信息处理奠定基础。
电力各类应用的数据传输对时延指标有不同要求，对于模拟量采样数据传输一般时延在百us级；对于常规IO数据，传输时延为ms级。有些应用对数据带宽有要求，如单台保护设备从外部多台过程层设备接收数据，那么设备内部数据传输带宽必须高于外部接口总带宽。
故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种包含以太网总线模块、CAN总线模块、同步串行总线模块的综合总线***，可根据不同通信带宽与时延的要求选择总线，实现任意组合的总线通信功能。
为实现上述发明目的，本发明数据弹***互综合总线***采用如下技术方案：
一种数据弹***互综合总线***，包括背板、以太网总线模块、CAN总线模块、同步串行总线模块；以太网总线模块包括用户接口、接收控制、发送控制、MDIO配置接口、先进先出存储区；用户接口用于配置与状态信息交互、报文读写；接收控制部分用于从外部接收以太网报文，实现报文校验与过滤功能；发送控制用于发送以太网报文；MDIO配置接口完成对外部物理通道的配置；先进先出存储区用于存储以太网报文；同步串行总线模块包括用户接口、串并转换、并串转换、存储区；用户接口用于配置与状态信息交互、报文读写；串并转换用于将串行数据转换为并行数据；并串转换用于将并行数据转换为串行数据；存储区用于报文的缓存；CAN总线模块包括用户接口、位定时、发送控制、接收控制、先进先出存储区；用户接口用于配置与状态信息交互、报文读写；位定时用于节点同步；发送控制用于发送CAN数据帧；接收控制用于接收CAN数据帧；先进先出存储区用于数据帧的缓存。
本发明集成以太网总线、同步串行总线、现场总线CAN，并支持灵活配置，实现任意组合方式的通信功能的技术即为数据弹***互综合总线技术；不同应用类型的装置可灵活地选择这三类总线进行组合使用，即可完成多种数据处理业务的需要，如常规保护测控装置可以采用同步串行总线和现场总线，智能站设备装置及电能质量监测装置高速ADC采样需兼容以太网总线等。
本发明具有以下优点：
(1)本发明的功能集成度高，减少印刷电路板面积，成本低。
(2)支持电力***二次设备内部通信方式的多种选择，使用方便、灵活。
附图说明
图1是本发明数据弹***互综合总线***的结构示意图；
图2是本发明数据弹***互综合总线***的一个典型应用图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明公开一种数据弹***互综合总线***，包括背板、以太网总线模块、CAN总线模块、同步串行总线模块。
以太网总线模块内部由用户接口、接收控制、发送控制、MDIO配置接口、先进先出(FIFO)存储区等部分组成。用户接口用于配置与状态信息交互、报文读写；接收控制部分用于从外部接收以太网报文，实现报文校验与过滤等功能；发送控制用于发送以太网报文；MDIO配置接口完成对外部物理通道的配置；FIFO用于存储以太网报文。
同步串行总线模块内部用户接口、串并转换、并串转换、存储区等部分组成。用户接口用于配置与状态信息交互、报文读写；串并转换用于将串行数据转换为并行数据；并串转换用于将并行数据转换为串行数据；存储区用于报文的缓存。
CAN总线模块内部由用户接口、位定时、发送控制、接收控制、先进先出(FIFO)存储区等部分组成。用户接口用于配置与状态信息交互、报文读写；位定时用于节点同步；发送控制用于发送CAN数据帧；接收控制用于接收CAN数据帧；FIFO用于数据帧的缓存。
图1中的以太网总线模块、同步串行总线模块、CAN总线模块均在FPGA内部使用硬件描述语言Verilog HDL进行设计实现，电路具有很强的可移植性和重用性，即本设计稍作修改就可以移植到不同FPGA厂商的产品上，实现同样的数据弹***互综合总线。
以太网总线模块采用状态机设计报文接收与发送流程，接收与发送状态机在高频时钟节拍下分别独立循环运行，发送报文时将应用层报文从发送FIFO中取出，按照以太网报文帧格式进行组包，同时完成CRC校验计算；接收报文时对以太网报文进行解析、过滤并判断校验值，将有效报文存入接收FIFO。
同步串行总线模块在高频时钟的控制下完成串行报文的接收和发送，串行报文的数据链路层帧格式包括帧起始符、帧序号、长度、应用层数据、帧校验、帧结束符。物理层采用低压差分LVDS信号实现。
现场总线CAN模块基于位定时模块实现节点同步功能，发送状态下从发送FIFO取出数据按照帧格式组帧、编码、CRC校验计算；接收状态下对CAN总线报文进行解析、过滤并判断校验值，将有效报文存入接收FIFO。
本发明的工作原理如下：
首先根据配置选择总线通信方式，选择的总线可以是三种总线的任意组合，然后针对特定总线进行通信参数的初始化，芯片初始化结束后作为背板总线上的一个节点同其他节点进行通信。以太网总线按照标准帧格式进行报文收发，通信速率10Mbps、100Mbps或1Gbps。现场总线CAN按照标准协议工作，通信速率最高达1Mbps。同步串行总线采用私有协议工作方式，通信速率达数百Mbps。各类应用根据其数据传输对时延指标的不同要求，可灵活选择适用的总线，比如选择实时同步串行总线，一般时延在确定的单个控制周期之内，达到百微秒级；常规IO数据的传输时延为ms级，选择现场总线如CAN总线。有的应用对数据带宽有要求，比如对传输数据带宽要求较高，可选择工业以太网总线；一般CAN总线带宽最高达到1Mbps；本***实时同步串行总线最高带宽在400Mbps。不同应用类型的装置可灵活地选择这三类总线进行组合使用，即可完成多种数据处理业务的需要，如常规保护测控装置可以采用同步串行总线和现场总线，智能站设备装置及电能质量监测装置高速ADC采样需兼容以太网总线等。
这种基于FPGA集成以太网总线、同步串行总线、CAN总线，并支持灵活配置，实现任意组合方式的通信功能的技术即为数据弹***互综合总线技术。
图2是数据弹***互综合总线IP的典型应用图。图中每个插件即为一个通信节点，通信方式可配置成以太网总线、同步串行总线、CAN总线中的一种或几种，不同插件之间通过灵活组合可构成多主、一主多从等通信结构。***内部各板卡基于统一、确定的时序同步工作，所有模件均通过背板低压差分LVDS同步串行总线相连，其中授时板作为同步源，由授时板在固定时间间隔内向背板总线上广播带有基准时标的硬实时报文，各板卡在同一时刻从同步串行总线接收同步报文，从中获取基准时标，并与本地时标相比较，补偿两者之间的差异。补偿方法采取均匀渐进式时标调谐原理，即根据基准时标与本地时间之间的差值大小与方向，动态地增加或减小时标跟进步长，使本地时标逐渐收敛，在若干个同步周期内过渡到同步状态。
以太网总线通信方式下背板上需要Switch插件作为交换节点，所有插件均通过Switch进行物理连接，以太网报文均在Switch实现存储以及向任意节点的转发，实现多插件间的数据共享。
同步串行总线的拓扑结构为总线共享型，工作模式为半双工方式。所有插件共享数据及控制总线，都具有发起数据传输的权限，总线使用令牌的传输来实现时分复用总线使用权的总裁，同一时刻仅有一块主管理插件发起数据请求并发送数据，其他插件处于接收模式。当主插件完成数据传输，会根据配置信息将发送令牌报文，将总线使用权限转移给设定的下一端点。总线使用特定的协议地址来识别报文的最终目的端点。基于实时同步串行总线进行数据交换时，为了达到提高数据传输带宽的目的，充分利用FPGA双沿寄存器技术，时钟的上升和下降沿都作为数据发送和采样的时刻，在一个时钟周期内实现了两次数据传输，达到单时钟双数据的功能，在***时钟为100MHz情况下单通道数据吞吐量由100Mbps提高至200Mbps；总线可通过通道扩展使数据吞吐量倍增。
现场总线CAN通信方式下所有节点遵循CAN2.0A或CAN2.0B总线标准，按照统一的速率和帧格式进行通信。

Claims (8)

1.一种数据弹***互综合总线***，其特征在于：包括背板、以太网总线模块、CAN总线模块、同步串行总线模块；
以太网总线模块包括用户接口、接收控制、发送控制、MDIO配置接口、先进先出存储区；用户接口用于配置与状态信息交互、报文读写；接收控制部分用于从外部接收以太网报文，实现报文校验与过滤功能；发送控制用于发送以太网报文；MDIO配置接口完成对外部物理通道的配置；先进先出存储区用于存储以太网报文；
同步串行总线模块包括用户接口、串并转换、并串转换、存储区；用户接口用于配置与状态信息交互、报文读写；串并转换用于将串行数据转换为并行数据；并串转换用于将并行数据转换为串行数据；存储区用于报文的缓存；
CAN总线模块包括用户接口、位定时、发送控制、接收控制、先进先出存储区；用户接口用于配置与状态信息交互、报文读写；位定时用于节点同步；发送控制用于发送CAN数据帧；接收控制用于接收CAN数据帧；先进先出存储区用于数据帧的缓存。
2.根据权利要求1所述的数据弹***互综合总线***，其特征在于：以太网总线模块采用状态机设计报文接收与发送流程，接收与发送状态机在高频时钟节拍下分别独立循环运行，发送报文时将应用层报文从先进先出存储区中取出，按照以太网报文帧格式进行组包，同时完成CRC校验计算；接收报文时对以太网报文进行解析、过滤并判断校验值，将有效报文存入先进先出存储区。
3.根据权利要求1所述的数据弹***互综合总线***，其特征在于：同步串行总线模块在高频时钟的控制下完成串行报文的接收和发送，串行报文的数据链路层帧格式包括帧起始符、帧序号、长度、应用层数据、帧校验、帧结束符；物理层采用低压差分LVDS信号实现。
4.根据权利要求1所述的数据弹***互综合总线***，其特征在于：CAN总线模块基于位定时模块实现节点同步功能，发送状态下从先进先出存储区取出数据按照帧格式组帧、编码、CRC校验计算；接收状态下对CAN总线报文进行解析、过滤并判断校验值，将有效报文存入先进先出存储区。
5.根据权利要求1所述的数据弹***互综合总线***，其特征在于：设置授时板作为同步源，由授时板在固定时间间隔内向背板总线上广播带有基准时标的硬实时报文，同步串行总线模块从背板总线接收同步报文，从中获取基准时标，并与本地时标相比较，补偿两者之间的差异。
6.根据权利要求2所述的数据弹***互综合总线***，其特征在于：以太网总线通信方式下背板上需要Switch插件作为交换节点，所有插件均通过Switch进行物理连接，以太网报文均在Switch实现存储以及向任意节点的转发，实现多插件间的数据共享。
7.根据权利要求3所述的数据弹***互综合总线***，其特征在于：同步串行总线的拓扑结构为总线共享型，工作模式为半双工方式。
8.根据权利要求4所述的数据弹***互综合总线***，其特征在于：现场总线CAN通信方式下所有节点遵循CAN2.0A或CAN2.0B总线标准，按照统一的速率和帧格式进行通信。
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