[发明专利]一种基于FPGA报文实时同步方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种利用FPGA之间串行通信报文方式实现的实时同步方法，即基于FPGA报文实时同步方法，属于电力系统及工业控制领域。

背景技术

在电力系统及工业测控领域常常需要实时同步技术，以实现多个设备同步运行或者协同工作的功能。设备间同步的内容有时间、运行参数等，设备间的实时同步一般通过通信方式实现，通信介质可以是电缆、双绞线、光纤等，其实时性也有具体指标要求，如秒级、毫秒级、微秒级或亚微秒级甚至更高。对于实时性要求不高的场合，通用异步收发器（UART）技术可以满足应用要求。

随着微电子技术、计算机技术、通信技术的发展，目前在实时性要求较高的场合已经有现场总线技术、工业以太网技术可以满足不同工业设备之间的实时同步要求，这两类技术均遵循公开、规范的网络体系结构，各自针对特定的应用场合提出标准的通信协议，基于总线方式实现了实时的工业数据通信，其实时性可以达到亚毫秒级。近年来，现场可编程门阵列（FPGA）技术迅速发展，此技术凭借其实时性、灵活性、并行性等性能上的优势在工业测控领域得到了广泛应用。FPGA能够基于硬件实现逻辑处理、数据交换及各种通信接口等功能，通信协议可以采用开放的标准协议，也可以采用私有协议，通信内容可以灵活配置，具有提高通信实时性能的能力，其实时性可以达到百纳秒级。

但在电力系统及工业控制领域中，实时同步存在着系统造价高，集成度低，而不同系统的要求可支持不同的传输速率，难以满足同步实时的需求，抗干扰性能低的缺陷。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是提供一种利用FPGA之间串行通信报文方式实现的实时同步方法，即基于FPGA报文实时同步方法，采用点对点的传输方式，可靠性进一步提高、各个模块（模块）之间的信息交互得以更加灵活，降低系统复杂度、提高系统的集成度和运行的可维护性，为电力系统及工业控制领域的可靠的稳定运行提供经济可行的方法。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种基于FPGA报文实时同步方法，其方法为：电力系统的主设备通过FPGA芯片将同步报文按设定的等间隔时刻下传输给各分设备，各分设备通过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实时触发同步信号，分设备根据该同步信号执行相关工作后，发送反馈报文给主设备，主设备解析反馈报文交予主运算处理器计算处理，完成相应操作后，再进行下一轮的同步报文下发，进而实现各分设备实时同步工作。

所述主设备（模块）与各分设备（模块）之间是基于FPGA的点对点通讯连接，传输通道共享，所述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。

所述点对点通讯中，主设备（模块）和分设备（模块）之间是FPGA与FPGA一对一的双向链路通信；对于主设备（模块）而言，是一对多个分设备（模块）的通讯，各个分设备（模块）之间是相互独立的，主设备（模块）内各个通道是相互独立的。

报文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；所述报文传输机制包含同步帧、同步反馈帧，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，所述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。

FPGA发送控制和接收同步处理方法为，主设备（模块）通过FPGA实现同步报文的等间隔实时发送；各分设备（模块）通过FPGA来检测同步报文起始帧头，通过FPGA高速时钟采样来锁定报文帧头到达的时刻沿，并接收解码相关报文，按给定和计算所得的延时，实时触发同步信号，从而实现各分设备（模块）实时同步工作。

守时容错技术：当主设备（模块）与分设备（模块）FPGA之间的通讯出现故障时，分设备（模块）可以通过FPGA守时容错技术，实现系统正常工作。FPGA首先通过自学习，掌握同步报文的到达时间间隔，在系统丢帧的情况下，通过这个自学习的时间间隔，触发预设定次数的同步信号，实现各分设备（模块）同步工作。在下行通讯链路中断、上行通讯链路正常的情况下，分设备（模块）也可利用守时容错功能实现故障信息上传。

报文类型包括：同步报文，用于同步各个分设备（模块）并可以传输相关分设备（模块）的控制信息；同步反馈报文，用于分设备（模块）反馈结果组帧后回送。