CN111884750B

CN111884750B - 一种阵列式***同步测控网络架构

Info

Publication number: CN111884750B
Application number: CN202010730315.7A
Authority: CN
Inventors: 颜朝鹏; 张剑; 温旭辉
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2020-07-27
Filing date: 2020-07-27
Publication date: 2022-11-04
Anticipated expiration: 2040-07-27
Also published as: CN111884750A

Abstract

一种阵列式***同步测控网络架构，为树型网络架构，包含三个层级：远离测控对象的由一台一级测控服务器组成的测控核心层，靠近测控对象的由多台二级测控服务器组成的现场控制层，测控对象即由阵列式***组成的设备层。上述三个层级分别对应树型网络结构中的树根、子树根与叶节点。三个层级又通过基于光纤通信的数据同步网与信号同步网级联。一级测控服务器通过相互独立的多条SERDES总线与所有二级测控服务器连接，每台二级测控服务器通过相互独立的多条SERDES总线与其对应的设备连接，如此构成数据同步网。一级测控服务器输出同源的IO信号至所有的二级测控服务器，二级测控服务器输出同源的IO信号至其对应的所有设备，如此构成信号同步网。

Description

一种阵列式***同步测控网络架构

技术领域

本发明涉及一种阵列式***同步测控网络架构。

背景技术

电磁弹射***中，使用阵列式的脉冲发电机组提供高功率脉冲，实现电磁弹射时所需要的瞬时高电压、高电流放电。脉冲式的高电压、高电流带来强电磁干扰，如何可靠地控制阵列式的脉冲发电机组同步工作，并行实时处理阵列式脉冲发电机组运行数据，实现所有发电机组同时做最大能力的瞬时放电、或实现分别控制不同发电机组做瞬时放电序列、或实现余电汇集再分配放电功能，是电磁弹射***能否成功发射的关键。

传统多设备测控网络大多基于CAN、以太网、串口等串行总线进行组网。如图1所示，常见的组网方式有总线型网络、环形网络、星型网络等。上述几种串行总线及组网方式无法满足阵列式的脉冲发电机组同步测控需求。对阵列式的脉冲发电机进行总线式组网时，一次仅能有一个设备与测控服务器通信，即所有的发电机控制器分时复用总线与测控服务器进行数据交互，这种通信方式无法实现对所有设备的同步控制，假设共有90个设备与测控服务器通信，每个设备与测控服务器通信耗时10μs，则90个设备共耗时900μs，即第一个与最后一个设备相差了890μs，这是电机控制周期的数倍。对阵列式的脉冲发电机进行环形网络组网时，数据流在环路中串行的穿过各个设备，当设备数量比较多时，网络的响应时间延长，同样无法实现对各设备的同步控制。对阵列式的脉冲发电机进行星形网络组网时，位于网络中心的测控服务器无法提供足够多的分支，即没有包含90路CAN或90路串口的测控服务器产品。上述的几种网络架构均为一台测控服务器连接多个设备，所有设备的数据均汇总至测控服务器进行处理，测控服务器的负担重，不同设备之间的协同全部依赖于测控服务器下发的指令，同步性差；测控服务器的进程周期多为毫秒级，远大于阵列式的脉冲发电机组的控制周期，无法满足阵列式的脉冲发电机组实时控制需求；无差别的一对多的连接方式，对***设备故障处理软件的开发带来了困难；传统的连接方式抗干扰能力弱，通信不稳定。

发明内容

本发明的目的是克服现有测控网络无法实现阵列式***同步控制功能和实时控制功能、故障设备处理困难、抗干扰能力弱等缺点，提出一种阵列式***同步测控网络架构，本发明实现了阵列式***同步控制和实时控制功能，降低了软件开发难度，提高了通信可靠性。

本发明采用以下技术方案：

本发明为包含一个树根、若干子树根与众多叶节点的三层树型网络结构，一个树根与全部子树根直接连接，所有的子树根之间无连接，任何一个子树根至少与一个叶节点连接，任何一个叶节点只能与一个子树根连接，同属一个子树根的所有叶节点之间无连接，属于不同子树根的叶节点之间也无连接，叶节点不与树根连接。在本发明中，一台远离测控对象的一级测控服务器为树根，一级测控服务器所在层级被命名为测控核心层。靠近测控对象的二级测控服务器为子树根，一台二级测控服务器为一个子树根，所有二级测控服务器所在层级被命名为现场测控层。测控对象即阵列式***中的设备为叶节点，一台设备为一个叶节点，所有叶节点所在层级被命名为设备层。三个层级之间通过基于光纤通信的数据同步网与信号同步网级联。一级测控服务器通过相互独立的可同步并行通信的多条SERDES总线通过光纤与所有的二级测控服务器连接，每台二级测控服务器通过相互独立的可同步并行通信的多条SERDES总线通过光纤与其对应的设备连接，通过上述连接方式，构成数据同步网。一级测控服务器输出同源的IO信号通过光纤送至所有的二级测控服务器，二级测控服务器输出同源的IO信号通过光纤送至其对应的所有设备，通过上述连接方式，构成信号同步网。***设计时，确保一级测控服务器与所有二级测控服务器之间的光纤长度相等，任一二级测控服务器与该二级测控服务器所连接的所有测控对象即阵列式***中的设备之间的光纤长度相等。忽略光在等长的若干根光纤中实际传播路程不同带来的延时差异，同源IO信号同时到达各目标设备，该同源IO可用作目标设备的同步基准，又可用于***急停；每台测控服务器输出的多路并行执行的SERDES接口，在8B10B的编码方式下，任意两路之间数据同步误差不超过两个8B10B码的发送时间，如SERDES带宽为1.25GBits时，同步误差不超过16ns，即一级测控服务器同时向所有的二级测控服务器发送命令数据，所有二级测控服务器接收到该数据的时间差异不会超过16ns。

所述的测控核心层由一台一级测控服务器构成，属于三层树型网络结构中的树根。该测控服务器包括一台一级嵌入式工控机、一块PXI板卡、一台一级同步控制器；一级同步控制器通过光纤与PXI板卡连接，PXI板卡插在一级嵌入式工控机箱内，通过PXI接口与一级嵌入式工控机连接。一级嵌入式工控机由嵌入式工控机箱即主机、显示器、键盘、鼠标组成，用于实现状态及过程显示、人机交互功能。PXI板卡实现光接口与PXI接口的转换。一级同步控制器由FPGA板卡、SFP光模块、低频光纤发送器组成，用于实现对所有的二级测控服务器的同步控制。FPGA板卡选用带有ARM内核的基于片上***的FPGA作为主控芯片。ARM内核执行实时性要求高的与阵列***功能相关的算法、监控现场测控层中所有二级测控服务器运行状态、故障二级测控服务器的切出、高级数据校验算法、误码重发进程管理功能，统筹所有现场测控层中二级测控服务器的工作状态；现场可编程门阵列实现通信、逻辑、IO输出功能，进行数据交互、简单数据校验。当三层树型网络结构中有N个二级测控服务器时，N的取值范围由阵列式***分组的实际情况及一级同步控制器选用的FPGA的最大收发器数量共同决定，阵列式***的分组数量至少比所选型号FPGA收发器数量少1个；一级同步控制器上的FPGA板卡配置出N+1路相互独立并可并行运行的SERDES接口，其中N路SERDES接口经SFP光模块光电转换后，通过光纤与N个二级测控服务器连接，剩余一路SERDES接口经SFP光模块光电转换后，通过光纤与PXI板卡连接；同时，一级同步控制器上的FPGA板卡配置出N路同源的IO信号，经低频光纤发送器转换后，通过光纤与N台二级测控服务器连接。

所述的现场测控层由N台二级测控服务器构成，属于三层树型网络结构中的子树根，N为子树根的数量。每台测控服务器包括一台二级嵌入式工控机、一块PXI板卡、一台二极同步控制器；二级同步控制器通过光纤与PXI板卡连接，PXI板卡插在二级嵌入式工控机箱内，通过PXI接口与二级嵌入式工控机连接。二级嵌入式工控机由嵌入式工控机箱即主机、显示器、键盘、鼠标组成，用于实现状态及过程显示、人机交互功能。PXI板卡实现光接口与PXI接口的转换。二级同步控制器由FPGA板卡、SFP光模块、低频光纤发送器、低频光纤接收器组成，用于实现对与该二级测控服务器相连的所有设备的同步控制、数据处理与上传。FPGA板卡选用带有ARM内核的基于片上***的FPGA作为主控芯片。ARM内核执行实时性要求高的与阵列***功能相关的算法、监控设备层中所有设备运行状态、高级数据校验算法、误码重发进程管理功能，统筹设备层中所有设备的工作状态；现场可编程门阵列实现通信、逻辑、IO输出功能，进行数据交互、简单数据校验。当二级测控服务器有X个设备时，X的取值范围由阵列式***分组后每组设备的实际数量及二级同步控制器选用的FPGA的最大收发器数量共同决定，每组设备的实际数量至少比所选型号FPGA收发器数量少2个。FPGA板卡配置X+2路相互独立并可并行运行的SERDES接口，其中X路SERDES接口经SFP光模块光电转换后，通过光纤与X台设备连接，一路SERDES接口经SFP光模块光电转换后，通过光纤与一级测控服务器连接，另一路SERDES接口经SFP光模块光电转换后，通过光纤与PXI板卡连接；配置出X路同源的IO输出信号，经低频光纤发送器转换后，通过光纤与X台阵列式***中的设备连接；配置出一路IO输入信号，接收经过低频光纤接收器转换后的来自一级测控服务器发出的IO输出信号。

所述的设备层由阵列式***内的所有设备组成，属于树型网络结构中的叶节点。所述的设备由设备控制器和通信接口板组成；设备控制器预留总线接口和IO输入接口；通信接口板由总线接口、IO输出接口、FPGA、SFP光模块、低频光纤接收器组成；通信接口板内，总线接口与FPGA连接，FPGA又与SFP光模块连接，IO输出接口与低频光纤接收器连接；通信接口板的总线接口与设备控制器预留的总线接口连接；通信接口板的IO输出接口与设备控制器预留的IO输入接口连接；通信接口板的总线接口与设备控制器预留的总线接口必须为相同的通信协议，总线接口可以是CAN、SPI、I2C、323、422、485中的任何一个，由设备控制器实际预留接口决定，通信接口板上的总线接口协议由通信接口板上FPGA配置出；通信接口板上的FPGA配置出一路SERDES接口与SFP光模块连接；FPGA实现通信接口板与设备控制器之间的低速数据与高速SERDES协议数据互相转换；SFP光模块通过光纤与该设备对应的二级测控服务器连接；低频光纤接收器接收来自二级测控服务器下发的IO信号，光电转换后直接与通信接口板的IO接口连接。特别的，当设备控制器内使用了带收发器的FPGA时，无需通信接口板进行转换，可通过该FPGA配置出DERDES和IO接口，经SFP模块和低频光纤接收器转换后直接与二级测控服务器通信。

本发明具有以下特点：

(1)各层级之间采用光纤通信，提高了抗干扰能力。

(2)树型网络结构避免了叶节点之间的组网，降低了***的复杂度，任一叶节点出现故障，均不会影响属于其他子树根的叶节点的通信，方便对故障节点的处理。

(3)一级同步控制器和二级同步控制器引入了多通道并行的SERDES光接口和同源的IO信号，实现了多设备同步通信，保证了各节点控制数据的同步精度。

(4)一级同步控制器和二级同步控制器引入了带ARM内核的基于片上***的FPGA，ARM的运算周期小于嵌入式工控机的运行周期，提高***的实时控制的性能。

附图说明

图1为测控网络中三种常见的网络结构示意图；

图2为以90节点阵列式测控网络为例，三个层级的树型网络架构示意图；

图3为以90节点阵列式测控网络为例，第一个子树根、叶节点和树根的连接关系；

图4为同源IO口同步控制15个节点的实现方式。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施实例进一步说明本发明。

图2所示为本发明实施例的阵列式脉冲发电机控制***的同步测控网络架构示意图。如图2所示，该同步测控网络的设备层由多个阵列式脉冲发电机控制器和通信接口板组成。每台脉冲发电机控制器匹配一块通信接口板，一台脉冲发电机控制器和一块通信接口板组成一台设备，即测控对象。根据实际需求，对设备进行分组。同步测控网络旨在控制阵列式脉冲发电机控制器组内及不同组之间实现可靠的同步高电流高电压脉冲放电、余电汇集与转移、余电泄放功能。该同步测控网络架构具有对各设备的实时监测、状态显示、指令下发功能，同组别内设备协同、不同组别之间的协同功能，***故障诊断与处理功能，紧急停止功能。该同步测控网络架的设备层由90台设备构成，每6台设备为一组，并为该组分配一台二级测控服务器，共15台二级测控服务器，所有的二级测控服务器构成现场测控层，为15台二级测控服务器配备一台一级测控服务器，一台一级测控服务器构成测控核心层。图3详细描述了该同步测控网络中第一组设备、第一组设备对应的二级测控服务器、一级测控服务器的连接关系。图4为同源IO口同步控制15个设备的实现方式。

所述的测控核心层由一台一级测控服务器构成，属于三层树型网络结构中的树根。该测控服务器包括一台一级嵌入式工控机、一块PXI板卡、一台一级同步控制器；一级同步控制器通过光纤与PXI板卡连接，PXI板卡插在一级嵌入式工控机箱内，通过PXI接口与一级嵌入式工控机连接。一级嵌入式工控机由嵌入式工控机箱即主机、显示器、键盘、鼠标组成，用于实现状态及过程显示、人机交互功能。PXI板卡实现光接口与PXI接口的转换。一级同步控制器由FPGA板卡、SFP光模块、低频光纤发送器组成，用于实现对所有的二级测控服务器的同步控制。FPGA板卡选用带有ARM内核的基于片上***的FPGA作为主控芯片，本***选用Xilinx公司的XC7Z035-2FFG900I，该型号FPGA包含16路收发器，可配置出16路SERDES。ARM内核执行二级测控服务器协同算法、监控现场测控层中所有二级测控服务器运行状态、故障二级测控服务器的切出、高级数据校验算法、误码重发进程管理功能，统筹所有现场测控层中二级测控服务器的工作状态。现场可编程门阵列实现通信、逻辑、IO输出功能，进行数据交互、简单数据校验。本***中，一级同步控制器上的FPGA板卡配置出16路相互独立并可并行运行的SERDES接口，其中15路SERDES接口经SFP光模块光电转换后，通过光纤与15个二级测控服务器连接，剩余一路SERDES接口经SFP光模块光电转换后，通过光纤与PXI板卡连接，如图3所示。同时，一级同步控制器上的FPGA板卡配置出15路同源的IO信号，经低频光纤发送器转换后，通过光纤与15台二级测控服务器连接，如图4所示。低频光纤发送器选用BROADCOM公司生产的HFBR-1414TZ。

15台二级测控服务器构成现场测控层，二级测控服务器属于三层树型网络结构中的子树根，本***有15个子树根。每台测控服务器包括一台二级嵌入式工控机、一块PXI板卡和一台二级同步控制器。二级同步控制器通过光纤与PXI板卡连接，PXI板卡插在二级嵌入式工控机箱内，通过PXI接口与二级嵌入式工控机连接。二级嵌入式工控机由嵌入式工控机箱即主机、显示器、键盘、鼠标组成，用于实现状态及过程显示、人机交互功能。PXI板卡实现光接口与PXI接口的转换。二级同步控制器由FPGA板卡、SFP光模块、低频光纤发送器、低频光纤接收器组成，用于实现对与该二级测控服务器相连的所有设备的同步控制、数据处理与上传。FPGA板卡选用带有ARM内核的基于片上***的FPGA作为主控芯片，本***中选用Xilinx公司的XC7Z035-2FFG900I。ARM内核执行本组内6台设备协同算法、监控6台设备运行状态、高级数据校验算法、误码重发进程管理功能，统筹6台设备的工作状态；现场可编程门阵列实现通信、逻辑、IO输出功能，进行数据交互、简单数据校验。如图3所示，本实例中FPGA板卡配置出8路相互独立并可并行运行的SERDES接口，其中6路SERDES接口经SFP光模块光电转换后，通过光纤与6台设备连接，一路SERDES接口经SFP光模块光电转换后，通过光纤与一级测控服务器连接，一路SERDES接口经SFP光模块光电转换后，通过光纤与PXI板卡连接；配置出6路同源的IO输出信号，经低频光纤发送器转换后，通过光纤与6台设备连接；配置出1路IO输入信号，接收经过低频光纤接收器转换后的来自一级测控服务器发出的IO输出信号。低频光纤发送器选用BROADCOM公司生产的HFBR-1414TZ。低频光纤接收器选用BROADCOM公司生产的AFBR-2418TZ。

90台设备构成设备层。设备属于树型网络结构中的叶节点，本实例中包含90个叶节点。本实例中设备由一台脉冲发电机控制器和一块通信接口板组成。脉冲发电机控制器预留SPI总线接口和IO输入接口；通信接口板预留SPI总线接口和IO输出接口；脉冲发电机控制器和通信接口板之间通过上述的SPI总线接口和IO接口连接。通信接口板由FPGA、SFP光模块、低频光纤接收器组成。本***中FPGA选用Xilinx公司的XC7A12T-1CPG238I。通信接口板上的FPGA配置出一路SPI总线与接口板上的SPI总线接口连接；通信接口板上的FPGA配置出一路SERDES接口与SFP光模块连接；FPGA实现低速SPI协议数据和高速SERDES协议数据的互相转换；SFP光模块通过光纤与该设备对应的二级测控服务器连接。低频光纤接收器接收来自二级测控服务器下发的IO信号，光电转换后直接与通信接口板的IO接口连接，送至脉冲发电机控制器。低频光纤接收器选用BROADCOM公司生产的AFBR-2418TZ。

Claims

1.一种阵列式***同步测控网络架构，其特征在于，所述的测控网络架构为包含一个树根、若干子树根与众多叶节点的三层树型网络结构，一个树根与全部子树根直接连接，所有的子树根之间无连接，任何一个子树根至少与一个叶节点连接，任何一个叶节点只能与一个子树根连接，同属一个子树根的所有叶节点之间无连接，属于不同子树根的叶节点之间也无连接，叶节点不与树根连接；一台远离测控对象的一级测控服务器为树根，一级测控服务器所在层级为测控核心层；靠近测控对象的二级测控服务器为子树根，一台二级测控服务器为一个子树根，所有二级测控服务器所在层级为现场测控层；测控对象即阵列式***中的设备为叶节点，一台设备为一个叶节点，所有叶节点所在层级为设备层；连接于同一台二级测控服务器的所有测控对象为一组；测控核心层、现场测控层和设备层之间通过基于光纤通信的数据同步网与信号同步网级联；一级测控服务器通过相互独立的可同步并行通信的多条SERDES总线通过光纤与所有的二级测控服务器连接，每台二级测控服务器通过相互独立的可同步并行通信的多条SERDES总线通过光纤与其对应的设备连接，通过上述连接方式构成数据同步网；一级测控服务器输出同源的IO信号通过光纤送至所有的二级测控服务器，二级测控服务器输出同源的IO信号通过光纤送至其对应的所有设备，通过上述连接方式构成信号同步网；一级测控服务器与所有二级测控服务器之间的光纤长度相等，任一二级测控服务器与该二级测控服务器连接的所有测控对象即阵列式***中的设备之间的光纤长度相等；

所述的测控核心层由一台一级测控服务器构成；该测控服务器包括一台一级嵌入式工控机、一块PXI板卡和一台一级同步控制器；一级同步控制器通过光纤与PXI板卡连接，PXI板卡插在一级嵌入式工控机箱内，通过PXI接口与一级嵌入式工控机连接；一级嵌入式工控机由嵌入式工控机箱即主机、显示器、键盘、鼠标组成，用于实现状态及过程显示、人机交互功能；PXI板卡实现光接口与PXI接口的转换；一级同步控制器由FPGA板卡、SFP光模块、低频光纤发送器组成，用于实现对所有的二级测控服务器的同步控制；FPGA板卡选用带有ARM内核的基于片上***的FPGA作为主控芯片；ARM内核执行与阵列***功能相关的算法、监控现场测控层中所有二级测控服务器运行状态、故障二级测控服务器的切出、高级数据校验算法、误码重发进程管理功能，统筹所有现场测控层中二级测控服务器的工作状态；现场可编程门阵列实现通信、逻辑、IO输出功能，进行数据交互、简单数据校验；当三层树型网络结构中有N台二级测控服务器时，N的取值范围由阵列式***分组的实际情况及一级同步控制器选用的FPGA的最大收发器数量共同决定，且阵列式***的分组数量至少比所选型号FPGA收发器数量少1个；一级同步控制器上的FPGA板卡配置出N+1路相互独立并能够并行运行的SERDES接口，其中N路SERDES接口经SFP光模块光电转换后，通过光纤与N台二级测控服务器连接，剩余一路SERDES接口经SFP光模块光电转换后，通过光纤与PXI板卡连接；同时，一级同步控制器上的FPGA板卡配置出N路同源的IO信号，经低频光纤发送器转换后，通过光纤与N台二级测控服务器连接；

所述的现场测控层由N台二级测控服务器构成；每台测控服务器包括一台二级嵌入式工控机、一块PXI板卡和一台二级同步控制器；二级同步控制器通过光纤与PXI板卡连接，PXI板卡插在二级嵌入式工控机箱内，通过PXI接口与二级嵌入式工控机连接；二级嵌入式工控机由嵌入式工控机箱即主机、显示器、键盘、鼠标组成，用于实现状态及过程显示、人机交互功能；PXI板卡实现光接口与PXI接口的转换；二级同步控制器由FPGA板卡、SFP光模块、低频光纤发送器、低频光纤接收器组成，用于实现对与该二级测控服务器相连的所有设备的同步控制、数据处理与上传；FPGA板卡选用带有ARM内核的基于片上***的FPGA作为主控芯片；ARM内核执行实时性要求高的与阵列***功能相关的算法、监控设备层中所有设备运行状态、高级数据校验算法、误码重发进程管理功能，统筹设备层中所有设备的工作状态；现场可编程门阵列实现通信、逻辑、IO输出功能，进行数据交互、简单数据校验；当二级测控服务器有X个设备时，X的取值范围由阵列式***分组后每组设备的实际数量及二级同步控制器选用的FPGA的最大收发器数量共同决定，每组设备的实际数量至少比所选型号FPGA收发器数量少2个；FPGA板卡配置X+2路相互独立并可并行运行的SERDES接口，其中X路SERDES接口经SFP光模块光电转换后，通过光纤与X台设备连接，一路SERDES接口经SFP光模块光电转换后，通过光纤与一级测控服务器连接，另一路SERDES接口经SFP光模块光电转换后，通过光纤与PXI板卡连接；配置出X路同源的IO输出信号，经低频光纤发送器转换后，通过光纤与X台阵列式***中的设备连接；配置出一路IO输入信号，接收经过低频光纤接收器转换后的来自一级测控服务器发出的IO输出信号；

所述的设备层由所述阵列式***内的所有设备组成；所述的设备由设备控制器和通信接口板组成；设备控制器预留总线接口和IO输入接口；通信接口板由总线接口、IO输出接口、FPGA、SFP光模块、低频光纤接收器组成；通信接口板内，总线接口与FPGA连接，FPGA又与SFP光模块连接，IO输出接口与低频光纤接收器连接；通信接口板的总线接口与设备控制器预留的总线接口连接；通信接口板的IO输出接口与设备控制器预留的IO输入接口连接；通信接口板的总线接口与设备控制器预留的总线接口必须为相同的通信协议，总线接口可以是CAN、SPI、I2C、323、422、485中的任何一个，由设备控制器实际预留接口决定，通信接口板上的总线接口协议由通信接口板上FPGA配置出；通信接口板上的FPGA配置出一路SERDES接口与SFP光模块连接；FPGA实现通信接口板与设备控制器之间的低速数据与高速SERDES协议数据互相转换；SFP光模块通过光纤与该设备对应的二级测控服务器连接；低频光纤接收器接收来自二级测控服务器下发的IO信号，光电转换后直接与通信接口板的IO接口连接。