CN111614166A - 基于sfp+多模块加速器的励磁电源控制***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于SFP+多模块加速器的励磁电源控制***及方法，包括：主控制器和若干从控制器支路；主控制器设置在控制机箱内；各从控制器支路上设置有多个相互串联的从控制器，各从控制器分别设置在各功率单元机柜中，并与功率单元机柜相连；主控制器通过光纤与各从控制器支路上的从控制器连接，构成主从控制结构；主控制器将上位机电脑发送的控制指令发送到各从控制器；各从控制器用于采集对应的功率单元机柜的温度、电流电压和继电保护状态数据；主控制器对采集数据进行处理后将相关指令发送到对应的从控制器，由从控制器将相关指令信息进行转换后发送到相应的功率单元机柜。本发明可以广泛应用于加速器电源控制领域。

Description

基于SFP+多模块加速器的励磁电源控制***及方法
技术领域
本发明涉及加速器电源领域，具体涉及一种基于高速SFP(Small Form-factorPluggable小体积可插拔千兆位电信号转换为光信号的接口器件)+多模块加速器的励磁电源控制***及方法。
背景技术
现今国内外加速器装置数字电源控制***常用的控制方式多为单芯片分布式控制方式，采取这种单芯片分布式控制方式控制整体结构单一、逻辑简单、程序开发灵活度较低。而常用的各种类型的励磁电源对控制器的运算能力要求不同，因此使用统一的控制器容易造成运算能力及成本的浪费。此外，由于缺少控制器板级同步时钟网络，各节点的同步数据不能精确给出，***响应只能到毫秒级。所以，现有的数字电源控制***对于同步加速器电源的同步性不能高精度控制，而外加专用授时***又会大幅增加成本。
文献“离子治癌加速器数字电源调节***及调节方法”中公开了一种单芯片分布式电源控制***，其主要特点为：1.每一台电源控制器均使用了Altera Cyclone EP2C70FPGA，利用SOPC builder工具，搭建含有两个NiosII CPU的可编程片上***；2.远程计算机从以太网芯片、通用异步接收/发送装置串行通信设备下传同步事例表；3.数字电源的输出电流或电压转换成数字量送入FPGA进行闭环调节。该***对所有电源使用同一控制器硬件，ADC采集数据直接送到FPGA后单独进行运算。处理器的运算能力分配不合理，成本较高结构简单。使用网络下发同步事例，然后触发脉冲机制同步精度不高。此外所有数据均以电信号作为载体，在现场电磁环境较差时，稳定性也将受到影响。随着SFP+高速传输技术的发展，加速器电源控制器ADC采回大量数据由原来的板级传输到现在的板间远距离传输成为了可能。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于SFP+多模块加速器的励磁电源控制***及方法，该***使用的为自主设计的多模块加速器励磁电源控制器，该电源控制器采用集中式控制策略，开发SFP+底层驱动程序及专用通讯协议，以5Gbps的传输速率连接主控制器和各从控制器，传输数字电源所需所有数据，如各从控制器送回的ADC采样数据、继电保护状态、温度数据、开关机、复位、自检等指令、初始化参数、各类自检指令、电流给定数据等。使用多模光纤为传输媒介，连接主控制器和各支路的从控制器，数据同步精度可达1us以内，最远距离可达300M。提供高速、远距离、可靠的技术解决方案。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明的第一个方面，是提供一种基于SFP+多模块加速器的励磁电源控制***，包括控制机箱和多个功率单元机柜，各所述功率单元机柜包括IGBT驱动电路、PLC和传感器，还包括：设置在所述控制机箱内的主控制器、设置在各所述功率单元机柜中的从控制器、上位机电脑以及调试电脑；各所述从控制器分为若干组，每一组内的各所述从控制器相互串联构成从控制器支路，各所述从控制器支路均通过光纤与所述主控制器相连，构成主从控制结构；所述主控制器用于根据所述上位机电脑和调试电脑发送的控制和调试参数对自身及各所述从控制器进行配置；各所述从控制器用于采集与之相连的所述功率单元机柜的数据，并发送到所述主控制器；所述主控制器对各所述从控制器采集数据进行处理后将控制指令发送到相应的所述从控制器，由所述从控制器对控制指令进行处理后发送到相应的所述功率单元机柜。
进一步地，所述主控制器包括第一FPGA控制单元、DSP运算单元、RJ45网络接口单元、RS232调试接口单元、第一HFBR同步触发单元、第一存储单元、第一SFP+通讯单元和第二存储单元；所述第一FPGA控制单元通过所述RJ45网络接口单元与所述上位机电脑进行通讯，实现电源开关机，状态检测、电流给定控制；通过所述RS232调试接口单元与调试电脑相连，实现对所述主控制器及各从控制器的参数配置以及故障诊断；通过读写所述第一存储单元实现数据保存；通过所述第一HFBR同步触发单元发送同步触发信号到各所述从控制器支路，实现触发脉冲电流使能；通过所述第一SFP+通讯单元实现与各所述从控制器支路之间的数据传输，包括接收各从控制器支路采集的数据以及向各所述从控制器支路发送由所述DSP运算单元计算得到的控制指令；所述DSP运算单元与所述第二存储单元相连，实现闭环调节、矢量整流算法，并对数据处理前后数据进行保存。
进一步地，所述第一SFP+通讯单元包括三个并联的SFP+收发器，所述SFP+收发器采用850nm波长、支持最高10Gbps的光收发器。
进一步地，所述从控制器支路至少为一个，各所述从控制器支路上设置的从控制器数量最多为6个。
进一步地，所述从控制器包括第二FPGA控制单元、第二SFP+通讯单元、RS485通讯单元、多路PWM驱动器单元、多路ADC单元和第二HFBR同步触发单元；所述第二HFBR同步触发单元用于接收主控制器下发的同步触发信号，并发送到所述第二FPGA控制单元作为同步脉冲信号；所述多路ADC单元用于对功率单元机柜中的电流、电压数据进行采集，并发送到所述第二FPGA控制单元；所述RS485通讯单元用于与所述功率单元机柜中PLC进行通讯，并将PLC上传的温度数据和继电保护状态数据发送到所述第二FPGA控制单元；所述第二SFP+通讯单元用于将本级从控制器内的所有数据以及下级从控制器需要上传的所有数据逐步转发直至到达所述主控制器，同时将所述主控制器下发的给定数据发送到所述第二FPGA控制单元，由所述第二FPGA控制单元分别将开关机及复位命令通过所述RS485通讯单元发送到所述功率单元机柜中的PLC，将所述主控制器下发的电流给定数据转换为多路PWM驱动信号后通过所述多路PWM驱动器单元发送到所述功率单元机柜中的IGBT驱动电路。
进一步地，所述主控制器和从控制器支路之间的通讯光纤为多模光纤，所述多模光纤能够实现300M以内的远距离连接。
本发明的第二个方面，是提供一种基于SFP+多模块加速器的励磁电源控制方法，其包括以下步骤：1)上位机电脑将控制器配置信息、初始化指令和自检指令发送给主控制器，主控制器将相应指令发送到对应的从控制器；2)各从控制器根据接收到的控制器配置信息、初始化指令和自检指令，完成对从控制器的初始化、配置和自检，并将自检结果发送到主控制器，由主控制器上报上位机电脑；3)每一预设周期内，主控制器持续查询各从控制器采集的与之对应的功率单元机柜的电流、电压数据，并根据查询得到的电流数据进行闭环调节，得到电流给定数据后下发到相应从控制器，同时，主控制器从命令缓冲区中提取上位机电脑发来的开关机及复位指令，并发送到从控制器；4)各从控制器将接收到的开关机及复位指令发送给功率单元机柜中的PLC，并将接收到的电流给定数据转换为多路PWM驱动信号后，发送给功率单元机柜中的IGBT驱动电路；5)每一预设周期结束后，主控制器查询一次各从控制器中接收到的与之对应的功率单元机柜的继电保护状态数据和温度数据，并发送到主控制器，进而发送到上位机电脑进行显示。
进一步地，所述步骤2)中，从控制器进行自检的方法为：
当接收到RS485或SFP自检命令时，对应的从控制器开始进行自检测试，首先通过RS485通讯单元向功率平衡单元机柜中的PLC或通过第二SFP+通讯单元向主控制器发送测试数据，如果对方收到并返回对应数据则表明通讯正常，否则再次发送测试数据，如果对方收到并返回对应数据表明通讯正常，否则，上报通讯自检错误；
当接收到ADC自检命令时，对应的从控制器中的多路高精度ADC单元空采样一个设定值并发送到主控制器，如果主控制器返回对应数据则表明采集正常，如果数据错误则再发送一遍，若仍无应答正确数据则上报ADC自检错误。
进一步地，从控制器与主控制器进行数据通讯时，采用的SFP+数据传输帧格式包括：第一总线数据保持K28.4码，用于进行传输数据的位对齐；数据到来触发码K28.5，用于数据的时钟对齐；时钟对齐信号位，相当于数据位的起始位，且该位包含了传输模式的信息，长度为32bit；第一～十五数据包，各所述数据包的长度为32bit，其中前20bit为数据，后4bit为序号，后8bit为数据校验，且数据校验位按照CRC8使用多项式：x8+x5+x4+1进行计算；其中，所述第一数据包为头数据，其包含指令信息、支路编号及从控制器编号；第二总线数据保持K28.4码，用于进行传输数据的位对齐。
进一步地，所述从控制器与主控制器进行数据通讯时，根据主控制器发送的查询指令中的时钟对齐信号位及所述第一数据包判断向主控制器发送数据时是串联发送还是轮询发送；串联发送时，首先，主控制器发送查询数据指令，每个从控制器转发该查询数据指令直至最后一个从控制器，转发后等待串联数据；然后，依据定制的通讯协议当上传数据来临时，每个从控制器把数据放入对应序号的数据包当中，并把上一编号从控制器传来的数据包串入后发送给下一编号从控制器，直到主控制器；轮询发送时，所述主控制器单独向每一个从控制器发送查询数据指令，各所述从控制器根据所述第一数据包中的内容，判断是否为本从控制器的指令，当不是查询对应序号时，不做处理，只做指令转发，直到对应所述从控制器收到查询数据指令后上传数据，上传数据过程中间其他所述从控制器接到上传数据后也不做处理，只做数据上传，直到所述主控制器接收对应查询数据。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明应用于加速器电源控制领域，每条从控制器支路中各从控制器模块分别通过SFP+技术传输每个功率单元机柜送来的ADC采样数据、温度数据、继电保护状态数据；之后集中汇总于主控制器统一进行闭环调节，将给定数据和各种控制指令使用SFP+下发给各从控制器，提高了芯片运算效率，从控制器则使用了相对低廉的FPGA降低了成本。2、本发明的主控制器和各从控制器中的SFP+通讯单元均采用波长为850nm、可支持最高10Gbps的SFP+光收发器，主控制器和从控制器之间采用多模光纤进行传输，有效传输距离300m，实现了多模块大数据信息的远距离实时传输。3、本发明由于主控制器和从控制器之间使用多模光纤作为传输介质，可以应用于在强电磁场等现场环境中，提高了通讯的抗干扰能力。4、本发明中主控制器采用第一HFBR同步触发单元统一发送同步脉冲信号到各从控制器中的第二HFBR同步触发单元，保证了各模块间的时钟同步量级，与SFP+光收发器相配合，提高了总线数据传输速度及各模块间的时钟同步量级。因此，可以广泛应用于加速器电源控制领域。
附图说明
图1是本发明高速SFP+多模块加速器的励磁电源控制***原理框图；
图2是本发明控制器通讯逻辑图；
图3是本发明的数据格式；
图4是本发明数据校验及存储；
图5a是本发明数据轮询模式；
图5b和图5c是本发明数据串联模式。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地使用本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明提供的一种基于SFP+多模块加速器的励磁电源控制***，其包括已有控制机箱、已有功率单元机柜、主控制器、从控制器、上位机电脑和调试电脑。其中，各从控制器分别设置在各已有功率单元机柜中，分为若干组，每一组内的各从控制器相互串联构成从控制器支路(本发明中仅以三个并联支路为例进行介绍，但不限于此)，各从控制器支路均通过光纤与设置在已有控制机箱内的主控制器相连，构成主从控制结构。主控制器用于根据上位机电脑和调试电脑发送的控制和调试参数对自身及各从控制器进行配置；各从控制器用于采集与之相连的功率单元机柜的数据，并发送到主控制器；主控制器对各从控制器采集数据进行处理后将控制指令发送到相应的从控制器，由从控制器对控制指令进行转换后发送到相应的功率单元机柜。
进一步地，主控制器包括第一FPGA控制单元、DSP运算单元、RJ45网络接口单元、RS232调试接口单元、第一HFBR同步触发单元、第一存储单元、第一SFP+通讯单元和第二存储单元。其中，第一FPGA控制单元通过RJ45网络接口单元与上位机电脑进行通讯，实现电源开关机，状态检测、电流给定控制；通过RS232调试接口单元与调试电脑相连，实现对主控制器自身及各从控制器的参数配置以及故障诊断；通过读写第一存储单元实现数据保存；通过第一HFBR同步触发单元发送同步触发信号到各从控制器支路，实现触发脉冲电流使能；通过第一SFP+通讯单元实现与各从控制器支路之间的数据传输，包括接收各从控制器支路采集的数据以及向各从控制器支路发送由DSP运算单元计算得到的控制指令；DSP运算单元与第二存储单元相连，实现闭环调节、矢量整流等算法，并对数据处理前后数据进行保存。
进一步地，主控制器中，第一FPGA控制单元采用SRIO总线与DSP运算单元进行数据通讯，采用GTP总线与RJ45网络接口单元、RS232调试接口单元、第一HFBR同步触发单元、第一存储单元和第一SFP+通讯单元进行数据通讯。
进一步地，主控制器中，第一存储单元包括第一FLASH存储器和第一SDRAM存储器。其中，第一FLASH存储器用于存储各控制器的相关配置参数，包括每个从控制器支路上的从控制器数量，ADC使能数据、ADC滤波参数、ADC最大最小值、ADC积分步长等等参数，保证掉电后数据不丢失；第一SDRAM存储器用于存储回读数据、给定数据、发送指令、发送参数、温度数据、继电保护数据等内容。
进一步地，主控制器中，第一SFP+通讯单元包括三个SFP+收发器模块。其中，SFP+收发器作为光通讯的载体，采用850nm波长、可支持最高10Gbps的光收发器。
进一步地，主控制器中，第二存储单元包括第二FLASH存储器和第二SDRAM存储器，其中，第二FLASH存储器用于存储DSP运算单元的相关配置参数；第二SDRAM存储器用于存储算法相关的回读数据、给定数据、发送指令、发送参数、温度数据、继电保护数据等数据。
进一步地，主控制器中，第一HFBR同步触发单元采用HFBR-1414TZ接口单元。
进一步地，各从控制器支路上设置的从控制器数量最多为6个。
进一步地，从控制器包括第二FPGA控制单元、第二SFP+通讯单元、RS485通讯单元、多路PWM驱动器单元、多路高精度ADC单元和第二HFBR同步触发单元。其中，第二HFBR同步触发单元用于接收主控制器下发的同步触发信号，并发送到第二FPGA控制单元作为同步脉冲信号；多路高精度ADC单元用于对功率单元机柜中的电流、电压数据进行采集，并发送到第二FPGA控制单元；RS485通讯单元用于与功率单元机柜中PLC进行通讯，并将PLC上传的温度数据和继电保护状态数据发送到第二FPGA控制单元；第二SFP+通讯单元用于将本级从控制器内的所有数据以及下级从控制器需要上传的所有数据逐步转发直至到达主控制器，同时将主控制器下发的给定数据发送到第二FPGA控制单元，由第二FPGA控制单元分别将开关机及复位命令通过RS485通讯单元发送到功率单元机柜中的PLC，将主控制器下发的电流给定数据转换为多路PWM驱动信号后通过多路PWM驱动器单元发送到功率单元机柜中的IGBT驱动电路。
进一步地，从控制器采用GTX总线与第二SFP+通讯单元、RS485通讯单元、多路PWM驱动器单元、多路高精度ADC单元和第二HFBR同步触发单元进行数据通讯。
其中，GTP、GTX均为xilinx公司FPGA高速串行收发器。区别为GTP、GTX分别对应于不同速度等级的高速通信的物理接口。它们都支持全双工通讯，接收和发送方向均由PMA和PCS两部分组成，PCS提供丰富的物理编码层特性，使用8b/10b编码；PMA部分为模拟电路，提供高性能的串行接口特性。总线协议包括时间对时单元、轮询及串联模式转换单元、总线对齐单元、数据校验单元、数据串联单元、总线时序控制单元。
进一步地，从控制器中，第二SFP+通讯单元包括两个SFP+收发器，分别负责与主控制器和下一级从控制器的光通讯。
进一步地，从控制器中，第二HFBR同步触发单元采用HFBR-2412TZ接口单元，用于接收主控制器发送的同步脉冲信号，接收的同步脉冲信号作为同步加速器各类脉冲电源打脉冲的起始信号。
进一步地，从控制器中，多路高精度ADC单元包括一或两个ADC采集板。
进一步地，各功率单元机柜为高精度的恒流源，其包括IGBT(绝缘栅双极型晶体管)驱动电路、PLC和传感器。其中，IGBT驱动电路用于控制IGBT的导通与关断，以此控制输出电流；传感器包括DCCT传感器、电压传感器和温度传感器，DCCT传感器用于对电流数据进行采样，并将采样得到的电流数据发送到从控制器中的多路高精度ADC单元；电压传感器用于对电压数据进行采样，并将采样得到的电流数据发送到从控制器中的多路高精度ADC单元；多路高精度ADC单元将接收到的电流电压数据转换为数字量后发送到第二FPGA控制单元；温度传感器用于采集功率单元的温度数据，并由PLC对温度传感器采集的温度数据进行采样后，连通PLC锁存的继电保护状态数据一并通过从控制器中的RS485通讯单元发送到第二FPGA控制单元。
进一步地，主控制器和从控制器支路之间的通讯光纤为多模光纤，该多模光纤可以实现300M以内的远距离连接。
如图2所示，本发明还提供一种基于SFP+多模块加速器的励磁电源控制方法，包括以下步骤：
1)上位机电脑和调试电脑将控制器配置信息、初始化指令和自检指令发送给主控制器，主控制器将相应指令发送到对应的从控制器。
2)各从控制器根据接收到的控制器配置信息、初始化指令和自检指令，完成对控制器的初始化、配置和自检，并将自检结果发送到主控制器，由主控制器上报上位机电脑。
3)每一预设周期内，主控制器持续查询各从控制器采集的与之对应的功率单元机柜的电流、电压数据，并根据查询得到的电流数据进行闭环调节，得到电流给定数据后下发到相应从控制器，同时，主控制器从命令缓冲区中提取上位机发来的开关机及复位指令，并发送到从控制器。本发明中将预设周期设为0.4秒。
4)各从控制器将接收到的开关机及复位指令发送给功率单元机柜中的PLC，并将接收到的电流给定数据转换为多路PWM驱动信号后，发送给功率单元机柜中的IGBT驱动电路。
5)每一预设周期结束后，主控制器查询一次各从控制器中接收到的与之对应的功率单元机柜的继电保护状态数据和温度数据，并发送到主控制器，进而发送到上位机进行显示。
上述步骤1)中，控制器配置信息包括每个从控制器所使用多路高精度ADC单元中ADC采集板的数量以及采样配置信息，采样配置信息主要包括滤波器截止频率，积分步长，输出最大值，输出最小值；自检指令包括RS485自检、ADC自检、SFP+自检。
上述步骤2)中，从控制器进行自检的方法为：
当接收到RS485或SFP自检命令时，对应的从控制器开始进行自检测试，首先通过RS485通讯单元向功率平衡单元机柜中的PLC或通过第二SFP+通讯单元向主控制器发送测试数据，如果对方收到并返回对应数据则表明通讯正常，否则再次发送测试数据，如果对方收到并返回对应数据表明通讯正常，否则，上报通讯自检错误；
当接收到ADC自检命令时，对应的从控制器中的多路高精度ADC单元空采样一个设定值并发送到主控制器，如果主控制器返回对应数据则表明采集正常，如果返回到主控制器的数据错误则再发送一遍，若仍无应答正确数据则上报ADC自检错误。
上述步骤3)中，从控制器接收的每路ADC数据长度为32bit。
上述步骤4)中，功率平衡单元机柜中PLC发送的继电保护状态数据的信息长度为32bit，主控制器下发的开关机及复位指令长度均为20bit；各功率机柜最多支持31路温度数据，每路温度数据的长度为1个字节。
上述步骤1)～步骤4)中，如图3所示，从控制器与主控制器采用SFP+通讯单元进行数据传输时，SFP+数据传输帧格式为：总线数据保持K28.4码、数据到来触发码K28.5、时钟对齐信号位、数据包1-15、总线数据保持K28.4码。其中，各位的作用如下：
最前端的总线数据保持K28.4码用于进行传输数据的位对齐，数据到来时触发K28.5码用于数据的时钟对齐；时钟对齐信号位相当于数据位的起始位，且该位包含了传输模式的信息，长度为32bit；数据包共有15个单元，每一单元的长度为32bit，其中，前20bit为数据，中间4bit为从控制器序号，后8bit为数据校验位，且数据校验位按照CRC8使用多项式：x8+x5+x4+1(二进制为：100110001)进行计算；其中，数据包1为头数据，其包含指令信息、支路编号及从控制器编号；数据包15之后是总线数据保持K28.4码，该位用于进行传输数据的位对齐。
上述步骤1)～步骤4)中，如图4所示，主控制器与从控制器之间进行数据传输时，需要对接收到的数据进行数据校验，方法为：
当SFP+的RX端口接收到时钟对齐信号后开始对15个数据包按顺序逐一校验，首先校验序号位，此位按十六进制数从1到15，分别对应15个数据包，主要用于各从控制器数据串并联使用；然后进行CRC校验，当中只要有一个数据包校验失败，此数据帧丢弃。当主控制器发送指令因为数据丢弃没有刷新将重新发送一遍，如仍没有刷新数据则上报上位机电脑。最后，数据校验到数据包15全部正确后，把总计300bit数据存入寄存器当中。
上述步骤1)～步骤4)中，如图5a和图5b所示，数据串联及轮询模式分别介绍如下：
根据时钟对齐信号及数据包1判断向主控制器发送的数据是一次串联发送还是一个一个轮询发送(由于传输的数据种类和长度不同，制定通讯协议时依据当各从控制器一次发送数据总和超过300bit时使用轮询发送，小于300bit使用串联发送)。
串联发送时，主控制器发送查询数据指令，每个从控制器转发该查询数据指令直至最后一个从控制器，转发后等待串联数据。由于可能每个从控制器挂载的ADC采样板的数量不同(一个或两个ADC采样板)即每个从控制器发送的数据长度可能不同，所以依据定制的通讯协议当上传数据来临时，每个从控制器把数据放入对应序号的数据包当中，并把上一编号从控制器传来的数据串入后发送给下一编号的从控制器，直到主控制器。
轮询发送时，主控制器单独向每一个从控制器发送查询数据指令，根据数据包1中的内容，当不是查询对应序号时，从控制器不做处理，只做指令转发。直到对应从控制器收到查询数据指令后上传数据，上传数据过程中间其他从控制器接到上传数据后同理也不做处理，只做数据上传，直到主控制器接收对应数据。
实施例一
本实施例中，主控制器包括核心板和底板两部分。核心板包括Kintex-7 FPGA芯片、第一SDRAM存储器芯片、第一FLASH存储器芯片、TMS320C6678 DSP芯片、第二SDRAM存储器芯片和第二FLASH存储器芯片。底板包括RJ45远控接口、RS232调试接口、HFBR-1414TZ接口、三个并联的SFP+光接收器等器件。
其中，第一FPGA芯片通过RJ45网络接口与上位机电脑进行通讯；通过RS232调试接口与调试电脑相连，用于配置控制器参数；通过读写第一FILSH存储器芯片，实现回读数据、给定数据、发送指令、发送参数、温度数据、继电保护数据等内容的保存；通过读写第一SDRAM存储器芯片，实现回读数据、给定数据、发送指令、发送参数、温度数据、继电保护数据等内容的保存；通过各SFP+光接收器实现与各从控制器支路之间的数据传输；通过HFBR-1414TZ光接口发送同步触发信号到各从控制器，实现触发脉冲电流使能；通过SRIO总线与DSP芯片相连；DSP芯片通过读写第二FLASH存储器芯片，实现对回读数据、给定数据、发送指令、发送参数、温度数据、继电保护数据等内容的保存；通过读写第二SDRAM存储器芯片，实现对数据处理前后数据的保存。
从控制器分为核心板、扩展板、底板和ADC采样板四个部分，且核心板上设置有Artix-7 FPGA芯片，底板上设置有两个SFP+光收发器、RS485接口、HFBR-2412TZ光接口；扩展板上可***两块ADC采样板和一个RS485接口，且ADC采样板采用AD763418位模数转换器。其中，Artix-7 FPGA芯片通过两SFP+光收发器与主控制器和另一从控制器进行数据传输；通过HFBR-2412TZ光接口接收主控制器发送的同步触发信号，实现各功率单元同步触发；扩展板上的ADC采样板用于采集功率单元机柜中的电流电压数据，RS485接口用于接收PLC上传的继电保护状态数据和温度数据；Artix-7 FPGA芯片对接收的RS485及ADC回读数据进行读取并发送到主控制器，并根据主控制器下发的电流给定信号生成PWM驱动信号通过多路PWM驱动单元发送给功率单元机柜中的IGBT驱动电路。
电源控制***SFP+驱动程序选用可编程晶振芯片生成一对125Mhz差分时钟作为参考时钟，另用一个25Mhz晶振倍频出156.25Mhz时钟用作数据运行时钟，收发数据宽度为32位。经过SERDES解串器后，在光纤端数据传输速率为5Gbps。编码和解码使用8b/10b方案。主控制器部分，对外提供15组20bit输出和15组20bit输入数据口，当输出使能信号为高电平时，可以送入发送数据。当输入使能为高电平时，代表有新的数据接收完毕。此时可以读取接收的数据；从控制器部分SFP+驱动程序同样对外提供15组20bit输出和15组20bit输入数据口，当输出使能信号为高电平时，可以送入发送数据。当输入使能为高电平时，代表有新的数据接收完毕。此时可以读取接收的数据。此外从控制器SFP+驱动程序还增加了两项功能，一是在上电初始化时，接收到主控制器的支路号与从控制器数量信息后，要把支路号和从控制器数量减1后送入下一从控制器，直到控制器编号到1号为止，以此自动完成编号分配。另一功能是在接收到时钟对其信号后开始响应分析数据类型、数据传输方向、以及传输模式。
综上设计，本发明中采用多模SFP+光纤通讯电源控制***，相比于传统的电信号通信，光通讯具有带宽宽容量大，传输损耗低速度快以及传输距离远，抗电磁干扰能力强、绝缘性好，无串音保密性高等优点。这对于多模块励磁电源控制***通信，提供高速、高可靠性及稳定的重要保障。
以上给出一种具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于SFP+多模块加速器的励磁电源控制***，包括控制机箱和多个功率单元机柜，各所述功率单元机柜包括IGBT驱动电路、PLC和传感器，其特征在于还包括：设置在所述控制机箱内的主控制器、设置在各所述功率单元机柜中的从控制器、上位机电脑以及调试电脑；
各所述从控制器分为若干组，每一组内的各所述从控制器相互串联构成从控制器支路，各所述从控制器支路均通过光纤与所述主控制器相连，构成主从控制结构；
所述主控制器用于根据所述上位机电脑和调试电脑发送的控制和调试参数对自身及各所述从控制器进行配置；各所述从控制器用于采集与之相连的所述功率单元机柜的数据，并发送到所述主控制器；所述主控制器对各所述从控制器采集数据进行处理后将控制指令发送到相应的所述从控制器，由所述从控制器对控制指令进行处理后发送到相应的所述功率单元机柜。
2.如权利要求1所述的基于SFP+多模块加速器的励磁电源控制***，其特征在于：所述主控制器包括第一FPGA控制单元、DSP运算单元、RJ45网络接口单元、RS232调试接口单元、第一HFBR同步触发单元、第一存储单元、第一SFP+通讯单元和第二存储单元；
所述第一FPGA控制单元通过所述RJ45网络接口单元与所述上位机电脑进行通讯，实现电源开关机，状态检测、电流给定控制；
通过所述RS232调试接口单元与调试电脑相连，实现对所述主控制器及各从控制器的参数配置以及故障诊断；
通过读写所述第一存储单元实现数据保存；
通过所述第一HFBR同步触发单元发送同步触发信号到各所述从控制器支路，实现触发脉冲电流使能；
通过所述第一SFP+通讯单元实现与各所述从控制器支路之间的数据传输，包括接收各从控制器支路采集的数据以及向各所述从控制器支路发送由所述DSP运算单元计算得到的控制指令；
所述DSP运算单元与所述第二存储单元相连，实现电流闭环调节、矢量整流算法，并对数据处理前后数据进行保存。
3.如权利要求2所述的基于SFP+多模块加速器的励磁电源控制***，其特征在于：所述第一SFP+通讯单元包括三个并联的SFP+收发器，所述SFP+收发器采用850nm波长、支持最高10Gbps的光收发器。
4.如权利要求1所述的基于SFP+多模块加速器的励磁电源控制***，其特征在于：所述从控制器支路至少为一个，各所述从控制器支路上设置的从控制器数量最多为6个。
5.如权利要求1所述的基于SFP+多模块加速器的励磁电源控制***，其特征在于：所述从控制器包括第二FPGA控制单元、第二SFP+通讯单元、RS485通讯单元、多路PWM驱动器单元、多路ADC单元和第二HFBR同步触发单元；
所述第二HFBR同步触发单元用于接收主控制器下发的同步触发信号，并发送到所述第二FPGA控制单元作为同步脉冲信号；
所述多路ADC单元用于对功率单元机柜中的电流、电压数据进行采集，并发送到所述第二FPGA控制单元；
所述RS485通讯单元用于与所述功率单元机柜中PLC进行通讯，并将PLC上传的温度数据和继电保护状态数据发送到所述第二FPGA控制单元；
所述第二SFP+通讯单元用于将本级从控制器内的所有数据以及下级从控制器需要上传的所有数据逐步转发直至到达所述主控制器，同时将所述主控制器下发的给定数据发送到所述第二FPGA控制单元，由所述第二FPGA控制单元分别将开关机及复位命令通过所述RS485通讯单元发送到所述功率单元机柜中的PLC，将所述主控制器下发的电流给定数据转换为多路PWM驱动信号后通过所述多路PWM驱动器单元发送到所述功率单元机柜中的IGBT驱动电路。
6.如权利要求1所述的基于SFP+多模块加速器的励磁电源控制***，其特征在于：所述主控制器和从控制器支路之间的通讯光纤为多模光纤，所述多模光纤能够实现300M以内的远距离连接。
7.一种采用如权利要求1～6任一项所述***的基于SFP+多模块加速器的励磁电源控制方法，其特征在于包括以下步骤：
1)上位机电脑将控制器配置信息、初始化指令和自检指令发送给主控制器，主控制器将相应指令发送到对应的从控制器；
2)各从控制器根据接收到的控制器配置信息、初始化指令和自检指令，完成对从控制器的初始化、配置和自检，并将自检结果发送到主控制器，由主控制器上报上位机电脑；
3)每一预设周期内，主控制器持续查询各从控制器采集的与之对应的功率单元机柜的电流、电压数据，并根据查询得到的电流数据进行闭环调节，得到电流给定数据后下发到相应从控制器，同时，主控制器从命令缓冲区中提取上位机电脑发来的开关机及复位指令，并发送到从控制器；
4)各从控制器将接收到的开关机及复位指令发送给功率单元机柜中的PLC，并将接收到的电流给定数据转换为多路PWM驱动信号后，发送给功率单元机柜中的IGBT驱动电路；
5)每一预设周期结束后，主控制器查询一次各从控制器中接收到的与之对应的功率单元机柜的继电保护状态数据和温度数据，并发送到主控制器，进而发送到上位机电脑进行显示。
8.如权利要求7所述的基于SFP+多模块加速器的励磁电源控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，从控制器进行自检的方法为：
当接收到RS485或SFP自检命令时，对应的从控制器开始进行自检测试，首先通过RS485通讯单元向功率平衡单元机柜中的PLC或通过第二SFP+通讯单元向主控制器发送测试数据，如果对方收到并返回对应数据则表明通讯正常，否则再次发送测试数据，如果对方收到并返回对应数据表明通讯正常，否则，上报通讯自检错误；
当接收到ADC自检命令时，对应的从控制器中的多路高精度ADC单元空采样一个设定值并发送到主控制器，如果主控制器返回对应数据则表明采集正常，如果数据错误则再发送一遍，若仍无应答正确数据则上报ADC自检错误。
9.如权利要求7所述的基于SFP+多模块加速器的励磁电源控制方法，其特征在于：所述从控制器与主控制器进行数据通讯时，采用的SFP+数据传输帧格式包括：
第一总线数据保持K28.4码，用于进行传输数据的位对齐；
数据到来触发码K28.5，用于数据的时钟对齐；
时钟对齐信号位，相当于数据位的起始位，且该位包含了传输模式的信息，长度为32bit；
第一～十五数据包，各所述数据包的长度为32bit，其中，前20bit为数据，中间4bit为从控制器序号，后8bit为数据校验位，且数据校验位按照CRC8使用多项式：x8+x5+x4+1进行计算；其中，所述第一数据包为头数据，其包含指令信息、支路编号及从控制器编号；
第二总线数据保持K28.4码，用于进行传输数据的位对齐。
10.如权利要求9所述的基于SFP+多模块加速器的励磁电源控制方法，其特征在于：所述从控制器与主控制器进行数据通讯时，根据主控制器发送的查询指令中的时钟对齐信号位及所述第一数据包判断从控制器向主控制器发送数据时是串联发送还是轮询发送；
串联发送时，首先，主控制器发送查询数据指令，每个从控制器转发该查询数据指令直至最后一个从控制器，转发后等待串联数据；然后，依据预定的通讯协议当上传数据来临时，每个从控制器把数据放入对应序号的数据包当中，并把上一编号从控制器传来的数据包串入后发送给下一编号从控制器，直到主控制器；
轮询发送时，所述主控制器单独向每一个从控制器发送查询数据指令，各所述从控制器根据所述第一数据包中的内容，判断是否为本从控制器的指令，当不是查询对应序号时，不做处理，只做指令转发，直到对应所述从控制器收到查询数据指令后上传数据，上传数据过程中间其他所述从控制器接到上传数据后也不做处理，只做数据上传，直到所述主控制器接收对应查询数据。
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