一种基于FPGA的多DSP数据交换装置及交换方法与流程

本发明涉及柔性直流输电控制保护系统领域，具体涉及一种基于fpga的多dsp数据交换装置及交换方法。

背景技术：

柔性直流输电控制保护系统是柔性直流输电系统的核心组成部分之一，其负责实现交直流转换、直流输送功率和电压控制、交流系统无功和电压控制等复杂的控制功能，以及交流区保护、直流区保护和阀区保护等保护功能。随着柔性直流输电系统的电压等级和容量提升必然对相关控制保护系统性能提出更高要求。高电压超大容量的柔直系统控制功能复杂，保护配置繁多，并实时处理大容量的数据及复杂的算法，对软件和硬件设计的可靠性和稳定性有着更高的要求。

主控板是柔直控制保护系统的核心板卡，该板卡的设计将决定整个柔直控保系统的整体性能，fpga+多dsp的设计将决定该系统具备强大的信号处理能力，fpga协调多dsp信号接口，利用fpga强大的信号接口能力，可以兼容不同协议的接口形式，可以大规模大容量传输信号，信号经多dsp复杂的逻辑处理，保证单个dsp负荷率较低，长期高可靠性的运行，实现多dsp之间的相互监视和数据校验，实现dsp芯片出错信息的实时检测，使系统的性能更加强大，可靠性更高，兼容性和系统处理能力更加强大，降低设备和装置的数量，实现多任务并行处理能力，从而满足高电压大容量柔直输电系统对控制保护的要求。

目前柔性直流输电控制保护装置核心cpu板卡多采用fpga+dsp的技术路线，此种设计架构决定了对于软件编程来说，对所要执行的任务只能进行串行处理。对于更大传输容量的柔直工程存在处理能力不足的风险，需要随着柔直工程的更高需求进行硬件升级。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种基于fpga的多dsp数据交换装置及交换方法，使系统处理能力得到成倍提升，通过将需要处理的任务由串行处理转换为并行处理，能够将任务处理周期成倍缩短，极大的提高了控制保护装置的实时响应能力，从而满足高电压大容量柔直控保系统处理大容量数据量，快速的计算速度，高实时性和高可靠性以及高稳定性的要求。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种基于fpga的多dsp数据交换装置，fpga用于处理外围接口信号，dsp作为运算的芯片，所述交换装置还包括：模拟量信号处理模块和开关量处理模块。

优选的，所述dsp与所述fpga之间采用独立的地址总线、数据总线、读写使能总线和片选总线进行数据交互。fpga与多dsp系统之间由完全独立的地址总线(涵盖16位，32位，64位等)，完全独立的数据总线(涵盖16位，32位，64位等)，完全独立的读写使能总线，完全独立的片选总线，从而保证所有的数据交互具有完全的独立性。

一种基于fpga的多dsp数据交换装置的交换方法，所述交换方法包括：

(1)fpga通过高速通讯io口接收外部数据，采用并行总线传递给多个dsp；

(2)dsp接收fpga发送的数据，经过滤波逻辑处理后，将判断结果发送给fpga；

(3)fpga根据柔直系统研究的要求将相关的结果分别发往后台和执行装置。

优选的，所述步骤(1)包括：所述fpga将接收的外部数据存储到下载区，给所述dsp发出一个接收数据的中断信号，dsp收到fpga的中断信号后，读取新数据，并写入需要上传的数据。

优选的，所述步骤(2)包括：

(2-1)所述dsp接收所述fpga转发的数字信号和模拟量信号，并进行数字滤波，按照柔直控制保护系统的算法要求，剔除高频和低频信息；

(2-2)按照控制保护定值的要求，对柔直控制保护系统进行定值和时间判断。从而对柔直系统进行相关的操作，对柔直系统所发生的故障进行安全防护，对系统出现的任何故障能够快速的作出判断，快速隔离故障区域，保证柔直系统的正常运行。

优选的，所述步骤(3)包括：所述结果包括系统的电流、电压和产生的事件。

与最接近的现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

按照本发明设计的cpu板卡，处理能力得到成倍提升；同时，通过将需要处理的任务由串行处理转换为并行处理，能够将任务处理周期成倍缩短，极大的提高了控制保护装置的实时响应能力。

完全独立的地址总线和数据总线结构，多dsp结构中每个dsp和fpga通讯实现独立的数据总线和地址总线，保证了数据交互的独立性，增强了系统并行处理数据的能力避免共用总线出现相互干扰。

dsp之间通过发送累加数和固定带宽信号实现互相监视，每个dsp发送自身的每次中断执行累加数和固定脉宽的信号给其他的dsp，以便监视该dsp正常工作，有异常时上报相应的报文信息，增强板卡自检能力。

附图说明

图1是本发明提供的柔性直流输电控制保护系统主控板架构设计图。

图2是本发明提供的多dsp，fpga的读写时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

本发明中fpga负责外围接口信号，多dsp作为运算的芯片，是实现算法的核心。fpga通过高速通讯io口接收外部数据，该高速接口包含光纤接口和电接口，速度可以高达百兆，从而可以实现快速的信息的交换，采用并行总线技术传递给多个dsp。dsp接收fpga发送的数据，经过滤波逻辑处理后，将判断结果发送给fpga，fpga接收dsp的处理结果，根据柔直系统研究的要求将相关的结果分别发往后台人机界面和执行装置，从而完成柔直控制保护的主要功能。

fpga和多dsp系统通讯：fpga背板接收到通讯接收的数据帧头后，将立即开始读取数据，读出的数据存储到下载区(fpga的内部ram)中，读数完成后fpga将同时给多dsp发出一个接收数据的中断信号。dsp收到fpga的中断信号后，读取新数据，并写入需要上传的数据，该数据分段写入fpga的内部ram区，fpga与dsp处理数据时序配合如图2。

如图2所示，是一个通讯周期内，fpga以及dsp的工作时序图。如果有n个数据需要下载，m个数据需要上传到fpga，当fpga接收到通讯发过的帧头时，fpga快速(纳秒级的时间)将数据搬至内部ram，然后发送统一中断信号给多dsp系统的每个dsp。dsp进入中断后，从fpga内部ram中将本周期的数据取出，然后再将上周期需要上传的数据写入fpga。写数完毕后即可开始对本周期数据进行处理。在dsp处理数据的同时，fpga将上一周期需要上传的数据发送出去。通过采用这种读写方式，虽然每个周期处理完的结果需要在下一周期才能送入通讯网络，但dsp却可以获得较长的数据处理时间。

fpga与dsp之间采用dsp器件所支持的并行总线方式连接，硬件设计简单、可靠，而且每个dsp都采用独立的数据地址总线，使得多个dsp的计算能力是并行的，计算能力成倍增长；同时，控制软件设计时，将不同的控制功能分布在不同的dsp中，一方面可以避免单个dsp系统中当dsp故障后导致所有功能都无法正常运行，同时可以提高系统设计的可靠性。

多dsp系统之间通过通讯方式实现数据交换，提高系统处理大容量数据的速度和能力，增强系统的可扩展性和兼容性。由于柔直系统控制和保护算法复杂及其可靠性要求比较高，控制和保护功能可以根据要求分别设置不同的dsp系统，例如：dsp1负责与换流阀相关的控制算法，包括直流电压控制，无功控制，有功控制等，dsp2负责系统与人机界面的通讯，dsp3负责与快速保护相关的运算,采用大容量低功耗全速度运行方式可使装置具有更高的可靠性。采用各cpu独立供电的方式可以使每个cpu在执行各自独立的保护控制算法时，不会由于其它cpu的异常而影响到本cpu的正常工作，各自具有相对的独立性。

dsp处理交流过流保护的处理流程：dsp接收fpga发送的电流信号，根据系统要求，该数据乘以一次变比的系数，由于ad硬件器件的差异该数据乘以一个硬件校准系数，dsp实时采集电流的三相电压瞬时值并计算其有效值，最后比较电流三个有效值的最大值与三段电流定值做比较，并且系统设计要求要延时一定时间出口动作，从而完成一个保护的处理信息。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。