一种可动态编程的信号检测电路及方法
【专利摘要】本发明公开了一种可动态编程的信号检测电路及方法，该信号检测电路包括：智能控制器，根据运行状态或信号特性动态生成微控指令；可编程处理器，独立运行于智能控制器，根据微控指令对输入信号进行检测后输出给智能控制器来进行处理。本发明可以提高信号输入处理检测的速度，并且具有可动态升级的巨大灵活性。
【专利说明】
一种可动态编程的信号检测电路及方法
技术领域
[0001] 本发明属于电子技术领域，具体地说，涉及一种可动态编程的信号检测电路及方 法。
【背景技术】
[0002] 电力系统装置中的智能控制器，一般由单片机作为控制核心，通过在其上运行的 控制软件对系统装置中的电能设备进行智能化控制。电力系统的信号输入是多种多样的， 中间包括前置采样系统或者需要电磁隔离的高压输出设备反馈。这些信号的输入都需要进 行模式匹配的检测来判断采样系统的信号输入或者输出系统的反馈信息是否正常。
[0003] 由于信号判读的逻辑灵活多变，甚至会随着系统装置工作状态的改变而改变，所 以已有的设计中信号判读的逻辑大多使用控制芯片上的软件程序实现。这种做法的弊端一 是占用控制芯片的计算时间、计算资源，妨碍智能控制算法的复杂实现;二是影响信号的响 应速度，尤其是当信号报告故障需要紧急处理的情况下，软件程序由于其计算判读和控制 任务的物理单线程特性，会产生非常可观的时间延迟，严重的情况下甚至会延误紧急信号 的及时处理。
[0004] 为了提高响应速度，一部分的设计中采用FPGA硬件辅助实现。FPGA器件由于其独 特的硬件编程能力，能够在响应速度和可编程灵活性之间寻找更加合理的平衡点，越来越 多的引入到智能控制装置的设计中。但是以往的硬件检测方法中，部署到FPGA上的检测电 路对信号进行模式检测是预先设定的，缺乏动态编程的灵活控制，限制了FPGA器件能力的 充分发挥。
【发明内容】
[0005] 为解决以上问题，本发明提供了一种可动态编程的信号检测电路及方法，用于提 高信号输入处理检测的速度。
[0006] 根据本发明的一个方面，提供了一种可动态编程的信号检测电路，包括：
[0007] 智能控制器，根据运行状态或信号特性动态生成微控指令；
[0008] 可编程处理器，独立运行于所述智能控制器，根据所述微控指令对输入信号进行 检测后输出给所述智能控制器来进行处理。
[0009] 根据本发明的一个实施例，所述可编程处理器为FPGA或CPLD。
[0010] 根据本发明的一个实施例，所述可编程处理器根据信号并发程度部署等量分布式 超细粒度处理单元，所述智能控制器将所述微控指令下发到对应的超细粒度处理单元上执 行。
[0011] 根据本发明的一个实施例，所述超细粒度处理单元包括：
[0012] 信号锁存模块，用于存储待检测信号；
[0013] 指令存储模块，用于存储微控指令；
[0014] 状态缓存模块，用于存储超细粒度处理单元的运行状态信息；
[0015] 指令执行模块，根据当前输入的待检测信号和超细粒度处理单元的运行状态信 息，调取微控指令并运算得到新的目标状态和输出信号，其中，新的目标状态用于对状态缓 存模块的运行状态进行更新；
[0016] 输出控制模块，用于控制输出信号。
[0017] 根据本发明的一个实施例，所述信号检测电路还包括设置于所述智能控制器和所 述状态缓存模块之间的控制接口，用以使所述智能控制器查询及控制所述可编程处理器的 运行状态信息。
[0018] 根据本发明的一个实施例，所述信号检测电路还包括设置于所述智能控制器和所 述指令存储模块之间的指令部署接口，用以使所述智能控制器实现微控指令的设置及查 询。
[0019] 根据本发明的一个实施例，所述超细粒度处理单元以并行方式工作。
[0020] 根据本发明的一个实施例，所述可编程处理器部署在信号输入模块上。
[0021] 根据本发明的一个实施例，多个所述超细粒度处理单元与所述智能控制器以总线 方式连接。
[0022] 根据本发明的另一个方面，还提供了一种可动态编程的信号检测方法，包括：
[0023] 智能控制器根据装置运行状态或信号特性动态生成微控指令；
[0024]可编程处理器存储生成的微控指令并更新微控指令存储地址；
[0025]可编程处理器根据待检测输入信号、当前可编程处理器运行状态以及微控指令进 行数学运算，得到新的运行状态值和输出信号；
[0026] 可编程处理器根据新的运行状态值，更新可编程处理器运行状态。
[0027]本发明的有益效果：
[0028] 本发明利用可编程处理器件的运算能力，通过设置控制微指令寄存器的方式驱动 超细粒度信号处理单元，进行信号模式检测，由于具有并行性和可编程性，可以提高信号输 入处理检测的速度，并且具有可动态升级的巨大灵活性。
[0029] 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变 得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利 要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【附图说明】
[0030] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的 附图做简单的介绍：
[0031] 图1是根据本发明的一个实施例的分布式超细粒度处理单元的系统架构示意图；
[0032] 图2是根据本发明的一个实施例的将FPGA设置于信号采集装置上的结构示意图；
[0033] 图3是根据本发明的一个实施例的超细粒度处理单元结构示意图；
[0034] 图4是根据本发明的一个实施例的可动态编程的信号检测方法流程图。
【具体实施方式】
[0035] 以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用 技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明 的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合， 所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
[0036] 该信号检测电路包括智能控制器及与该智能控制器连接的可编程处理器。其中， 智能控制器根据装置运行状态或信号特性动态生成微控指令;可编程处理器独立运行于智 能控制器，根据微控指令对输入信号进行检测后输出给智能控制器来进行处理。
[0037] 在该信号检测电路中，装置在不同的运行状态下，需要对来源信号进行处理的逻 辑就会不同，则需要智能控制器根据运行状态或信号特性动态地生成微控指令。而可编程 处理器需要根据智能控制器输出的动态变化的微控指令进行信号检测。这样，就将信号模 式检测的逻辑移植到可编程处理器中，以独立运行的硬件计算方式进行，可以显著节省智 能控制器以软件方式检测信号的计算资源，提升智能控制系统的响应速度，进而提升整个 控制装置的可靠性，避免了预先设定信号模式检测方式缺乏动态编程灵活性的问题。
[0038] 信号检测部分可动态编程，在运行速度提高的同时，使得信号处理系统具备强大 的灵活性。当信号处理逻辑改变或者升级的时候，可以通过动态的部署处理逻辑完成，使得 系统的可维护性可升级性得到改善。
[0039]智能控制器一般为单片机、DSP等数据处理器，可编程处理器为FPGA、CPLD等可编 程逻辑处理器，本发明以DSP和FPGA为例进行说明，但不限于此。
[0040] 在本发明的一个实施例中，可编程处理器根据信号并发程度部署等量分布式超细 粒度处理单元，智能控制器将微控指令下发到对应的超细粒度处理单元上执行。超细粒度 的名称一方面来自于处理单元的规模，另一方面来自处理单元的数量。只要数量足够多，单 个单元的规模足够小，就可以称之为超细粒度。
[0041] 如图1所示为根据本发明的一个实施例的分布式超细粒度处理单元的系统架构示 意图。该可编程控制器上设置有多个分布式超细粒度处理单元，每个超细粒度处理单元通 过调取信号处理指令，来对信号进行检测处理，检测到信号满足门限要求时输出。
[0042] 并发程度取决于需要同步处理的信号规模决定，在FPGA代码编译的过程中就可以 确定并发规模。超细粒度处理单元及多个可编程处理器上的超细粒度处理单元之间没有相 互依赖关系，可以并发的处理多路信号。因此，可以在一个FPGA上部署多个超细粒度处理单 元，如图1所示。
[0043] FPGA器件由于其独特的硬件结构及编程能力，可以根据信号的并发程度，部署多 个分布式超细粒度信号处理单元来进行信号检测。超细粒度信号处理单元的数量与需要同 时处理的信号来源数量相等，各超细粒度信号处理单元通过总线方式与智能控制器通信， 以并行的方式对多个信号来源进行模式检测。多路信号并发机制，可以使得系统处理速度 得到显著提升。
[0044]在超细粒度信号处理单元进行信号检测时，需要智能控制器DSP提供的与当前装 置运行状态或来源信号特性匹配的微控指令。该微控指令通过动态编程方式，基于信号检 测/处理逻辑编写成对应的信号处理微指令，下发部署到并行超细粒度信号处理单元上执 行。信号检测时可动态编程，在运行速度提高的同时，使得信号处理系统具备强大的灵活 性。当信号处理逻辑改变或者升级的时候，可以通过动态的部署处理逻辑完成，从而使得系 统的可维护性、可升级性得到改善。
[0045]由于同一路信号在装置的不同运行状态下，会具有不同的模式或者监测处理逻 辑。不同信号之间不存在相关性，同样有可能呈现不同的模式和处理逻辑。因此，需要智能 控制器可以根据具体情况实现动态编程，生成实时动态微指令。动态微指令的调整过程由 DSP发起，通过数据总线在处理单元的指令存储区写入对应的微指令代码，就可以完成微指 令的动态控制。微指令携带的更新以后的处理逻辑，会在代码片段部署的同时更新。DSP上 运行的主控程序将微指令代码片段部署到超细粒度处理单元的指令存储区间，即可完成处 理单元的实时编程。
[0046] 由于信号检测之后才进入智能控制器进行数据处理，所以需要将超细粒度信号处 理单元设置于智能控制器的前端。具体的，可以将设置超细粒度信号处理单元的FPGA器件 部署在信号输入模块上。如图2所示，可将FPGA设置在输入采集装置(输入模块)上，待处理 的信号通过采样模数转换，或者通信器件进入到数据采集模块以后，先经过FPGA器件的缓 存和处理以后，利用专用接口与DSP完成通信，将信号及其检测结果传递给DSP进行进一步 的逻辑处理
[0047] 在本发明的一个实施例中，该超细粒度微处理单元进一步包括信号锁存模块、状 态缓存模块、指令存储模块、指令执行模块和输出控制模块。其中，信号锁存模块用于存储 待检测信号；指令存储模块用于存储微处理指令;状态缓存模块用于存储超细粒度微处理 单元的运行状态信息;指令执行模块根据当前输入的待检测信号和超细粒度微处理单元的 运行状态信息，调取微处理指令并运算得到新的目标状态和输出信号，其中，新的目标状态 用于对状态缓存模块的运行状态进行更新;输出控制模块用于控制输出信号。
[0048]如图3所示，超细粒度处理单元的逻辑流程从信号的输入锁存开始。待检测信号进 入信号锁存模块，处理单元的状态和控制模块根据当前的信号处理状态，从指令存储模块 中取出对应的处理指令，发送到指令执行模块。指令执行模块根据当前的信号输入、处理单 元状态字以及当前需要执行的指令，运算得到新的目标状态以及输出信号。新的目标状态 发送到处理单元的状态模块对当前的状态进行更新;而输出信号经过输出使能控制以后， 上行传送到DSP进行高级别的控制。
[0049] 在本发明的一个实施例中，信号检测电路还包括设置于智能控制器和状态缓存模 块之间的控制接口，用以使智能控制器查询及控制可编程处理器的行状态信息。如图3所 示，数据处理器DSP控制接口建立DSP与处理单元状态存储模块的通信链路，使DSP能够对处 理单元的状态进行查询和控制。
[0050] 在本发明的一个实施例中，信号检测电路还包括设置于智能控制器和指令存储模 块之间的指令部署接口，用以使智能控制器实现微控指令的设置及查询。指令部署接口建 立DSP与处理单元指令存储模块的通信链路，使得DSP能够完成处理微指令的设置和查询。
[0051] 根据本发明的另一个方面，还提供了一种可动态编程的信号检测方法，该检测过 程采用了传统的冯氏微处理器执行过程，每个时钟节拍到来时需要完成的动作，具体包括 如图4所示的几个步骤。首先，在步骤SllO中，智能控制器根据装置运行状态或信号特性动 态生成微控指令。接着，在步骤S120中，可编程处理器存储生成的微控指令并更新微控指令 存储地址。接着，在步骤Sl30中，可编程处理器根据待检测输入信号、当前可编程处理器运 行状态以及微控指令进行数学运算，得到新的运行状态值和输出信号。最后，在步骤S140 中，可编程处理器根据新的运行状态值，更新可编程处理器运行状态。
[0052]超细粒度处理单元与智能控制器DSP通信模块的驱动在DSP程序控制过程中映射 为一组寄存器的读写操作。以某型号信号处理单元的寄存器映射为例，每一个信号处理单 元的地址映射如下表1所示：
[0053]表 1
L0055J 本发明利用可编程处理器件的运算能力，通过设置控制微指令寄存器的方式驱动 超细粒度信号处理单元，进行信号模式检测，由于具有并行性和可编程性，可以提高信号输 入处理检测的速度，并且具有可动态升级的巨大灵活性。
[0056]虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采 用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本 发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化， 但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
【主权项】
1. 一种可动态编程的信号检测电路，包括： 智能控制器，根据运行状态或信号特性动态生成微控指令； 可编程处理器，独立运行于所述智能控制器，根据所述微控指令对输入信号进行检测 后输出给所述智能控制器来进行处理。2. 根据权利要求1所述的信号检测电路，其特征在于，所述可编程处理器为FPGA或 CPLD〇3. 根据权利要求1或2所述的信号检测电路，其特征在于，所述可编程处理器根据信号 并发程度部署等量分布式超细粒度处理单元，所述智能控制器将所述微控指令下发到对应 的超细粒度处理单元上执行。4. 根据权利要求3所述的信号检测电路，其特征在于，所述超细粒度处理单元包括： 信号锁存模块，用于存储待检测信号； 指令存储模块，用于存储微控指令； 状态缓存模块，用于存储超细粒度处理单元的运行状态信息； 指令执行模块，根据当前输入的待检测信号和超细粒度处理单元的运行状态信息，调 取微控指令并运算得到新的目标状态和输出信号，其中，新的目标状态用于对状态缓存模 块的运行状态进行更新； 输出控制模块，用于控制输出信号。5. 根据权利要求4所述的信号检测电路，其特征在于，所述信号检测电路还包括设置于 所述智能控制器和所述状态缓存模块之间的控制接口，用以使所述智能控制器查询及控制 所述可编程处理器的运行状态信息。6. 根据权利要求4所述的信号检测电路，其特征在于，所述信号检测电路还包括设置于 所述智能控制器和所述指令存储模块之间的指令部署接口，用以使所述智能控制器实现微 控指令的设置及查询。7. 根据权利要求1-6中任一项所述的信号检测电路，其特征在于，所述超细粒度处理单 元以并行方式工作。8. 根据权利要求1-7中任一项所述的信号检测电路，其特征在于，所述可编程处理器部 署在信号输入模块上。9. 根据权利要求3所述的信号检测电路，其特征在于，多个所述超细粒度处理单元与所 述智能控制器以总线方式连接。10. -种可动态编程的信号检测方法，包括： 智能控制器根据装置运行状态或信号特性动态生成微控指令； 可编程处理器存储生成的微控指令并更新微控指令存储地址； 可编程处理器根据待检测输入信号、当前可编程处理器运行状态以及微控指令进行数 学运算，得到新的运行状态值和输出信号； 可编程处理器根据新的运行状态值，更新可编程处理器运行状态。
【文档编号】G05B19/042GK105843120SQ201610211037
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月6日
【发明人】曹军威, 袁仲达, 张少杰
【申请人】清华大学