要求较高，可选择工业以太网总线；一般CAN总线带宽最高达到IMbps ;本系统实时同步串行总线最高带宽在400Mbps。不同应用类型的装置可灵活地选择这三类总线进行组合使用，即可完成多种数据处理业务的需要，如常规保护测控装置可以采用同步串行总线和现场总线，智能站设备装置及电能质量监测装置高速ADC采样需兼容以太网总线等。
[0025]这种基于FPGA集成以太网总线、同步串行总线、CAN总线，并支持灵活配置，实现任意组合方式的通信功能的技术即为数据弹性交互综合总线技术。
[0026]图2是数据弹性交互综合总线IP的典型应用图。图中每个插件即为一个通信节点，通信方式可配置成以太网总线、同步串行总线、CAN总线中的一种或几种，不同插件之间通过灵活组合可构成多主、一主多从等通信结构。系统内部各板卡基于统一、确定的时序同步工作，所有模件均通过背板低压差分LVDS同步串行总线相连，其中授时板作为同步源，由授时板在固定时间间隔内向背板总线上广播带有基准时标的硬实时报文，各板卡在同一时刻从同步串行总线接收同步报文，从中获取基准时标，并与本地时标相比较，补偿两者之间的差异。补偿方法采取均匀渐进式时标调谐原理，即根据基准时标与本地时间之间的差值大小与方向，动态地增加或减小时标跟进步长，使本地时标逐渐收敛，在若干个同步周期内过渡到同步状态。
[0027]以太网总线通信方式下背板上需要Switch插件作为交换节点，所有插件均通过Switch进行物理连接，以太网报文均在Switch实现存储以及向任意节点的转发，实现多插件间的数据共享。
[0028]同步串行总线的拓扑结构为总线共享型，工作模式为半双工方式。所有插件共享数据及控制总线，都具有发起数据传输的权限，总线使用令牌的传输来实现时分复用总线使用权的总裁，同一时刻仅有一块主管理插件发起数据请求并发送数据，其他插件处于接收模式。当主插件完成数据传输，会根据配置信息将发送令牌报文，将总线使用权限转移给设定的下一端点。总线使用特定的协议地址来识别报文的最终目的端点。基于实时同步串行总线进行数据交换时，为了达到提高数据传输带宽的目的，充分利用FPGA双沿寄存器技术，时钟的上升和下降沿都作为数据发送和采样的时刻，在一个时钟周期内实现了两次数据传输，达到单时钟双数据的功能，在系统时钟为10MHz情况下单通道数据吞吐量由10Mbps提高至200Mbps ;总线可通过通道扩展使数据吞吐量倍增。
[0029]现场总线CAN通信方式下所有节点遵循CAN2.0A或CAN2.0B总线标准，按照统一的速率和帧格式进行通信。
【主权项】
1.一种数据弹性交互综合总线系统，其特征在于:包括背板、以太网总线模块、CAN总线模块、同步串行总线模块； 以太网总线模块包括用户接口、接收控制、发送控制、MD1配置接口、先进先出存储区；用户接口用于配置与状态信息交互、报文读写；接收控制部分用于从外部接收以太网报文，实现报文校验与过滤功能；发送控制用于发送以太网报文；MD10配置接口完成对外部物理通道的配置；先进先出存储区用于存储以太网报文； 同步串行总线模块包括用户接口、串并转换、并串转换、存储区；用户接口用于配置与状态信息交互、报文读写；串并转换用于将串行数据转换为并行数据；并串转换用于将并行数据转换为串行数据；存储区用于报文的缓存； CAN总线模块包括用户接口、位定时、发送控制、接收控制、先进先出存储区；用户接口用于配置与状态信息交互、报文读写；位定时用于节点同步；发送控制用于发送CAN数据帧；接收控制用于接收CAN数据帧；先进先出存储区用于数据帧的缓存。
2.根据权利要求1所述的数据弹性交互综合总线系统，其特征在于:以太网总线模块采用状态机设计报文接收与发送流程，接收与发送状态机在高频时钟节拍下分别独立循环运行，发送报文时将应用层报文从先进先出存储区中取出，按照以太网报文帧格式进行组包，同时完成CRC校验计算；接收报文时对以太网报文进行解析、过滤并判断校验值，将有效报文存入先进先出存储区。
3.根据权利要求1所述的数据弹性交互综合总线系统，其特征在于:同步串行总线模块在高频时钟的控制下完成串行报文的接收和发送，串行报文的数据链路层帧格式包括帧起始符、帧序号、长度、应用层数据、帧校验、帧结束符；物理层采用低压差分LVDS信号实现。
4.根据权利要求1所述的数据弹性交互综合总线系统，其特征在于:CAN总线模块基于位定时模块实现节点同步功能，发送状态下从先进先出存储区取出数据按照帧格式组帧、编码、CRC校验计算；接收状态下对CAN总线报文进行解析、过滤并判断校验值，将有效报文存入先进先出存储区。
5.根据权利要求1所述的数据弹性交互综合总线系统，其特征在于:设置授时板作为同步源，由授时板在固定时间间隔内向背板总线上广播带有基准时标的硬实时报文，同步串行总线模块从背板总线接收同步报文，从中获取基准时标，并与本地时标相比较，补偿两者之间的差异。
6.根据权利要求2所述的数据弹性交互综合总线系统，其特征在于:以太网总线通信方式下背板上需要Switch插件作为交换节点，所有插件均通过Switch进行物理连接，以太网报文均在Switch实现存储以及向任意节点的转发，实现多插件间的数据共享。
7.根据权利要求3所述的数据弹性交互综合总线系统，其特征在于:同步串行总线的拓扑结构为总线共享型，工作模式为半双工方式。
8.根据权利要求4所述的数据弹性交互综合总线系统，其特征在于:现场总线CAN通信方式下所有节点遵循CAN2.0A或CAN2.0B总线标准，按照统一的速率和帧格式进行通信。
【专利摘要】发明公开了集成以太网总线、同步串行总线、现场总线CAN的综合总线系统，并采用FPGA进行集成实现的技术。该技术方案以FPGA为载体，利用内部超大规模的可编程逻辑电路设计三种总线的功能电路模块，各电路模块均基于流水线工作模式独立并行工作，实现以太网总线、同步串行总线、现场总线CAN的通信功能。
【IPC分类】H04L1-00, H04L12-40
【公开号】CN104618208
【申请号】CN201510039205
【发明人】周华良, 郑玉平, 杨志宏, 姜雷, 王凯, 甘云华
【申请人】国电南瑞科技股份有限公司, 国电南瑞南京控制系统有限公司
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月26日