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一种基于点对点报文同步的采样及控制方法

阅读：838发布：2024-01-22

专利汇可以提供一种基于点对点报文同步的采样及控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于点对点报文同步的采样及控制方法，采用了FPGA技术来实现同步报文的准时发送、接收锁定、延时计算、定时触发的功能，通过点对点的报文传输将分布式主控单元和子单元之间的信息进行定时交互，各子单元使用FPGA解析出的同步脉冲信号触发采样和控制逻辑，这样使得分布式采样控制系统中的主控单元与各子单元之间实现了基于点对点方式下报文级同步的采样和控制功能，此方法使得分布式系统或设备的实现得以简化、可靠性得以增强、系统造价得以降低、系统的可维护性得以优化。，下面是一种基于点对点报文同步的采样及控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于点对点报文同步的采样及控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
主控单元通过FPGA芯片将同步报文按设定的时刻下发给各分布式子单元，各分布式子单元通过FPGA芯片对接收到的同步报文到达时刻沿进行锁定并解析同步报文信息、根据报文延时和同步时延触发同步信号。
2.根据权利要求1所述的基于点对点报文同步的采样及控制方法，其特征在于，主控单元与各个子单元之间是点对点通讯连接，传输通道共享，点对点传输的物理层介质为电缆形式，或适合各类波长的光纤光缆通信介质。
3.根据权利要求2所述的基于点对点报文同步的采样及控制方法，其特征在于，所述点对点通讯中，主控单元和子单元之间是一对一的双向链路通信；对于主控单元而言，是一对多个子单元的通讯，各个子单元之间是相互独立的，主控单元内各个通道是相互独立的。
4.根据权利要求1所述的基于点对点报文同步的采样及控制方法，其特征在于，所述报文的传输遵循报文传输机制，双向通信链路上传输的是报文形式的数据流；报文传输机制包含同步帧、同步采样帧或同步控制帧、数据值帧，通讯帧采用的协议或规约采用通用的标准规约，或采用自行定义的规约形式，报文传输的链路层编码方式为曼彻斯特编码、UART格式、4B5B、或8B10B的形式。
5.根据权利要求1所述的基于点对点报文同步的采样及控制方法，其特征在于，FPGA发送控制和接收同步处理方法为：通过FPGA实现同步报文的实时发送；同步报文的接收是通过FPGA高速时钟采样来锁定报文帧头到达的时刻沿，并按给定和计算所得的延时去驱动和触发采样或控制逻辑。
6.根据权利要求1所述的基于点对点报文同步的采样及控制方法，其特征在于，FPGA发送控制和接收同步处理方法为，主控单元通过FPGA实现针对各个不同对象的同步报文的准时发送；各分布式子单元通过FPGA来检测同步报文起始帧头并接收解码相关报文、通过延时控制实现采样或控制的同步沿的触发，同时各分布式子单元还通过FPGA实现同步报文的接收容错。
7.根据权利要求1所述的基于点对点报文同步的采样及控制方法，其特征在于，报文类型包括：
同步采样报文，用于同步各个采样单元，使用精简协议减少传输延时；
采样值报文，用于采集单元将采集的模拟量组帧回送；
同步控制报文，用于同步各个控制单元并传输相关控制信息；
控制反馈报文，用于控制单元将执行的反馈结果组帧后回送。

说明书全文

一种基于点对点报文同步的采样及控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电力和工业控制相关的基于分布式采样及控制的设备或系统的典型应用，尤其涉及一种基于点对点报文同步的采样及控制方法，属电力电子技术领域。

背景技术

[0002] 在电力系统控制保护及电力电子设备的应用过程中，由于相关设备安装的地理位置的不同或是单套装置设计资源容量的受限，不能够在单台设备中实现全部的采样及控制功能，需要将设备或系统设计成基于分布式的采样及控制系统来实现全部整体的功能，比如常见的风电变流控制系统、分布式电力故障录波采集器设备、分布式电子式互感器采集器等应用。这些设备需要严格的采样同步和控制同步，因此设备的正常运行需要基于主控制器的同步信号来实现整个系统的协调控制。

[0003] 目前阶段，各个设备制造厂家所设计的分布式采样控制系统多数采用独立的外同步控制信号的方式来实现同步功能，进而实现采样和控制功能的同步（比如PPS同步、CNVT/INT信号同步），此种方式实现的控制系统极易受外界电磁场干扰的影响，容易使同步信号短暂丢脉冲或信号甚至丢失，使得系统的可靠性得不到保证；此外，由于仅是采用外同步信号的驱动控制方式，信号链路所承载的信息量较少，越来越不利于各分布式单元之间的信号交互，如果需要增加各单元间的通讯还需要增加专用的通信通道，增加了系统造价成本、在工程实施中也增加了通讯布线，不利于整个系统的集成度的提高。

[0004] 针对这类分布式采样控制系统出现的新情况，本发明专利提出了一种基于点对点报文同步的采样及控制技术，为分布式采样控制控制系统提供了一种全新的解决方案，提高了系统的可靠性和灵活性。

发明内容

[0005] 发明目的

[0006] 本发明的目的是通过就特定编码的通讯报文，采用点对点的传输方式，利用FPGA技术实现基于报文方式的同步技术，通过同步脉冲的触发进而触发同步采样和同步控制，这样使得分布式采样控制系统的可靠性进一步提高、各分布式单元之间的信息交互得以更加灵活，同时也利于降低工程现场布线复杂度、提高系统的集成度和运行的可维护性。

[0007] 技术方案

[0008] 为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

[0009] 一种基于点对点报文同步的采样及控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0010] 主控单元通过FPGA芯片将同步报文按设定的时刻下发给各分布式子单元，各分布式子单元通过FPGA芯片对接收到的同步报文到达时刻沿进行锁定并解析同步报文信息、根据报文延时和同步时延触发同步信号。重点进行三个方面的设计：点对点通讯、报文传输机制、FPGA发送控制和接收同步处理方法。

[0011] 主控单元与各个子单元之间是点对点通讯连接，传输通道共享，并非网络组网形式（比如以太网组网形式），点对点传输的物理层介质为电缆形式，或适合各类波长的光纤光缆通信介质。

[0012] 所述点对点通讯中，主控单元和子单元之间是一对一的双向链路通信；对于主控单元而言，是一对多个子单元的通讯，各个子单元之间是相互独立的，主控单元内各个通道是相互独立的。

[0013] 所述报文的传输遵循报文传输机制，双向通信链路上传输的是报文形式的数据流，其不是简单的逻辑控制信号，报文是以一定的编码形式存在的；报文传输机制包含同步帧、同步采样帧或同步控制帧、数据值帧，通讯帧采用的协议或规约采用通用的标准规约，或采用自行定义的规约形式，报文传输的链路层编码方式为曼彻斯特编码、UART格式、4B5B、或8B10B的形式。

[0014] FPGA发送控制和接收同步处理方法为：通过FPGA实现同步报文的实时发送；同步报文的接收是通过FPGA高速时钟采样来锁定报文帧头到达的时刻沿，并按给定和计算所得的延时去驱动和触发采样或控制逻辑。

[0015] FPGA发送控制和接收同步处理方法为，主控单元通过FPGA实现针对各个不同对象的同步报文的准时发送；各分布式子单元通过FPGA来检测同步报文起始帧头并接收解码相关报文、通过延时控制实现采样或控制的同步沿的触发，同时各分布式子单元还通过FPGA实现同步报文的接收容错。

[0016] 报文类型包括：

[0017] 同步采样报文，用于同步各个采样单元，使用精简协议减少传输延时；

[0018] 采样值报文，用于采集单元将采集的模拟量组帧回送；

[0019] 同步控制报文，用于同步各个控制单元并传输相关控制信息；

[0020] 控制反馈报文，用于控制单元将执行的反馈结果组帧后回送。

[0021] 有益效果

[0022] 1)通过基于点对点报文同步的方式优化分布式采样控制系统的现场网络布线，优化系统造价，增加集成度；

[0023] 2)使用FPGA技术提高了同步的性能参数，可以达到1μs以下，同时具备容错功能和抗干扰性能；

[0024] 3)报文通讯支持不同的编码形式，如曼彻斯特编码、4B5B编码等；

[0025] 4)根据不同分布式控制系统的要求可支持不同的传输速率，如5Mbps、10Mbps、20Mbps或100Mbps等；

[0026] 5)通讯传输介质适用于电缆和光缆两种通讯介质；

[0027] 6)FPGA协处理机制实现分布式采样控制系统的并发性计算，处理性能强。本发明采用了FPGA技术来实现同步报文的准时发送、接收锁定、延时计算、定时触发的功能，通过点对点的报文传输将分布式主控单元和子单元之间的信息进行定时交互，各子单元使用FPGA解析出的同步脉冲信号触发采样和控制逻辑，这样使得分布式采样控制系统中的主控单元与各子单元之间实现了基于点对点方式下报文级同步的采样和控制功能，此方法使得分布式系统或设备的实现得以简化、可靠性得以增强、系统造价得以降低、系统的可维护性得以优化。附图说明

[0028] 图1是本方案的时序逻辑图；

[0029] 图2是主控制器端原理框图；

[0030] 图3是分布式采集端框图；

[0031] 图4是分布式控制端框图；

[0032] 图5是总体原理框图。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图对本发明进一步说明。

[0034] 主控制器通过FPGA芯片将同步报文（同步采样帧或同步控制帧）按设定的时刻下发给各分布式子单元，各分布式子单元通过FPGA对接收到的同步报文到达时刻沿进行锁定并解析同步报文信息、根据报文延时和同步时延触发同步信号，如分布式采集单元根据此同步信号采样组帧后发给主控制器，主控制器解析采样报文交予主运算处理器计算，完成后将结果通过FPGA按设定的时刻下发控制报文给各控制子单元，控制子单元根据同步控制报文触发同步信号进而触发控制逻辑功能，控制子单元在完成同步执行后将反馈结果以报文形式回馈给主控制器，实现了整个系统的同步采样及控制功能。主控制器和各分布式单元之间的报文通过不同的报文类型来加以区分实现。其时序逻辑如图1所示。

[0035] 本发明的工作原理如下：

[0036] 1，主控制器端原理，如图2所示，包含主运算处理器DSP和FPGA处理器，通过FPGA扩展多路报文收发通道；主控制器在每个控制周期内按照设定的延时发送同步采样报文，待收到采样值后进行相应的运算处理，处理完成后按照设定的延时发送同步控制报文，等待控制反馈值报文；依次循环。

[0037] 2，分布式采集端原理，如图3所示，由FPGA处理器和ADC采集电路组成；采集单元在收到同步采样报文后进行同步并延时触发ADC采样，采样完成后组帧并发送采样值报文；同时，通过FPGA的处理对同步采样报文具有一定的容错处理和抗干扰功能。

[0038] 3，分布式控制端原理，如图4所示，由FPGA处理器和外围驱动控制模块组成，在FPGA内部主要实现四部分内容，包含同步控制报文接收处理单元、逻辑控制单元、控制回读单元、报文发送单元。控制单元在收到同步报文后进行同步并延时触发逻辑控制功能，在控制执行并反馈完成后组帧发送反馈报文；同时，通过FPGA的处理对同步控制报文具有一定的容错处理和抗干扰功能。

[0039] 4，报文设计说明：

[0040] 报文类型包括同步采样报文（用于同步各个采样单元，使用精简协议减少传输延时）、采样值报文（用于采集单元将采集的模拟量组帧回送）、同步控制报文（用于同步各个控制单元并传输相关控制信息）、控制反馈报文（用于控制单元将执行的反馈结果组帧后回送）。

[0041] 图5是基于点对点报文同步实现采样和控制的总体原理框图，此技术方案包含三类分布式单元中的内容，分别为主控制器单元、采集单元和控制单元。

[0042] 主控制器单元即为此分布式系统的主处理单元，负责同步各个分布式子单元、处理解析各子单元的各类数据、进行实时处理计算、控制报文发送以及参数配置等功能，其一般为含处理器处理设备单元。

[0043] 采集单元1、2主要实现独立的数据采样发送功能，可以为双重发送等功能，也可以实现参数校准优化等，一般为分布于各个采集量的附近，就近布置，优化系统设计提高抗干扰能力。

[0044] 控制单元1、2主要实现各个不同应用需求的控制逻辑，可以实现进行参数配置等，用于具体执行对象的实时控制、反馈以及相关的容错处理。

[0045] 以上用于说明原理的分布式单元（采集单元或控制单元），不局限于名称，其可以是多功能的分布式控制器，其内部可为含CPU或DSP等微处理器的控制单元。

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