基于FPGA的多光网口通信设备的制作方法

本实用新型涉及用于数字化继电保护测试仪的通信设备，特别是涉及一种基于FPGA多光网口通信设备。

背景技术：

随着智能电网的发展，数字化变电站的建设脚步越来越快，IEC61850规约在我国得到了广泛的应用，也出现了此标准的数字化变电站，数字化变电站将站内的说是有信息实行数字化，通过网络为载体，搭建通信平台、并实现信息的共享功能，实现高级的应用间相互互动。数字化变电站使用电子式互感器和智能终端，通过光纤与保护、测量装置连接。因此对网络硬件提出了更高的要求。

由于保护和测试装置对网口数量提出越来越高的要求，SMV、GOOSE、IEEE1588等报文都是走光网络，测试设备也会跟随着出现数字化测试仪，光口数量也在不断的提高。传统方式CPU通常只集成一到两个MAC核，远远满足不了数字化变电站设备的需求，同时也满足不了数字化继电保护测试仪的需求，即使通过扩展使得CPU能带多路网口，但是由于CPU的多任务是按时间调度的，所以在实时性和多网口同步性方面显得不足。

技术实现要素：

基于此，有必要针对网口数量不能满足数字化变电站设备的需求，以及传输信号的实时性和多网口的同步性不足问题，提供一种基于FPGA多光网口通信设备。

一种基于FPGA的多光网口通信设备，设于数字化继电保护测试仪，其特征在于，所述的基于FPGA的多光网口通信设备包括：

FPGA模块，集成有至少两个MAC芯片，用于实现以太网MAC层的功能；

端口物理模块,包括至少两个独立的PHY芯片，各所述PHY芯片分别与所述MAC芯片一一对应连接，以实现以太网的物理链路功能；

至少两个光模块，与所述各独立PHY芯分别片通信连接，用于将从过程层或者间隔层设备接收到的光信号转化成电信号传输给所述端口物理模块；

所述端口物理模块也可为通信设备加量；

时钟模块，用于给所述FPGA模块和所述的PHY芯片提供时钟信号。

上述基于FPGA的多光网口通信设备解决了光网口数量易于扩展和剪裁，通信实时性和离散度提高到纳秒级别。

在其中一个实施例中，所述时钟模块包括：

提供时钟源的高稳定度晶振；

与所述高稳定度晶振相连的时钟分发器，用于依据所述高稳定度晶振提供的时钟源向所述FPGA模块和所述各独立PHY芯片提供同步的时钟信号。

在其中一个实施例中，所述时钟分发器为5PB1106PGGI芯片。

在其中一个实施例中，所述MAC芯片通过MII或RGMII接口与所述PHY芯片相连接。

在其中一个实施例中，所述各独立的PHY芯片内集成有高速SERDES接口，并通过所述高速SERDES接口直接与所述的光模块通信连接。

在其中一个实施例中，所述各独立的PHY芯片为88EXXX芯片。

在其中一个实施例中，所述光模块为热拔插模块。

在其中一个实施例中，所述FPGA模块还与CPU通过PCIE接口直接通信连接。

在其中一个实施例中，所述FPGA模块为A7芯片。

附图说明

图1为基于FPGA多光网口通信设备示意图；

图2为基于FPGA多光网口通信设备中的时钟分发示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型运用在数字化变电站中的数字化继电保护测试仪中的通信设备，数字化继电保护测试仪可给间隔层的设备发报文，也可以采集过程层设备出来的报文，分析其正确性。由于处在间隔层的保护和测量装置对网口数量提出越来越高的要求，数字化变电站的报文数据都是通过光纤传输，相应的对于数字化继电保护测试仪中的通信设备网口数量的要求也在增加。在数字化变电站中，通过网络为载体，搭建通信平台，并实现信息的共享功能，实现各设备间的相互互动。在数字化继电保护测试仪的通信设备接收或者输出通信数据的是通过OSI七层协议数据链路层的下半部分中MAC层连接物理层的物理介质来实现的。传统方式的通信设备是通过CPU集成一到两个MAC核，通过相对应的端口物理模块与光模块相连接，远远满足不了数字化变电站设备的需求，即使通过扩展满足不了数据要求，但是CPU的多任务分时处理特性，导致数字化变电站的报文不能实时、同步的输出给保护装置。

如图1所示，一种基于FPGA的多光网口通信设备，设于数字化继电保护测试仪，该基于FPGA的多光网口通信设备包括：FPGA模块100，端口物理模块200，至少两个光模块300以及时钟模块400。

在本实施例中，FPGA模块100中，至少集成有两个MAC模块，在本实施例中，MAC模块为MAC芯片101。MAC芯片集成的数量可根据光网口数量的需求通过对FPGA模块100的设置来实现光网口数量的增减，以实现光网口数量易于扩展和剪裁能够满足间隔层的保护和测量装置对数字化继电保护测试仪网口的需求。端口物理模块200，包括至少两个独立的PHY芯片201，各独立的PHY芯片201分别与MAC芯片101一一对应连接，以实现以太网的物理链路功能。独立的PHY芯片201数量与FPGA模块100中集成的MAC芯片101数量相同。多片独立的PHY芯片201，并行传输数据以实现其实时性。至少两个光模块300与各独立的PHY芯片201通信连接，用于将从过程层或者间隔层设备接收到的光信号转化成电信号传输给端口物理模块200。时钟模块400，用于给FPGA模块100和各独立的PHY芯片201提供时钟信号。

如图2所示，时钟模块400还包括高稳定度晶振401和时钟分发器402。时钟模块400分别与FPGA模块100和各独立的PHY芯片200通信连接。高稳定度度晶振401同时给端口物理模块200中的各独立的PHY芯片201和FPGA模块100提供了一个稳定、可靠的时钟源。时钟分发器402可1分2,1分4,1分8等，给多个不同的模块提供相同的时钟来源。

在本实施例中，高稳定度晶振401提供的是频率为25MHz的时钟源。各PHY芯片内部的倍频或者分频器根据25MHz时钟源得出125MHz的高频震荡信号，计数器达到8ns的分辨力。FPGA模块100内部把25MHz时钟源陪频为100MHz,计数器可达到10ns分辨力。使报文实时性和离散度提高到纳秒级别，增加了数字化继电保护测试仪中的通信设备接收报文数据的速度，提高的效率。

在本实施例中，时钟分发器402可根据光网口的数量来决定将高稳定度晶振401提供的时钟源进行分发扩展，分别给FPGA模块100和各独立的PHY芯片提供来自同一个时钟源的时钟信号，以保障了每路报文数据接收时钟与FPGA模块100时钟的严格同步，从而保证了通信设备的同步性。

如图2所示，在本实施例中，时钟分发器402为5PB1106PGGI芯片，高稳定度晶振401为M11A-R319-25.00MHz。高稳定度晶振401的output引脚与时钟分发器402的clkin的引脚相连接，时钟分发器402通过Y0-Y5引脚分发成6个相同的时钟源分给FPGA模块100和各独立的PHY芯片。

在本实施例中，FPGA模块100中集成的至少两个MAC芯片通过MII或RGMII接口与相对应的各独立PHY芯片的SGMII接口相连接。MAC芯片通过MII接口与PHY芯片以实现速率为100M的数据交换，MAC芯片侧通过TXD[3:0]与PHY芯片侧连接实现数据，MAC芯片侧通过RXD[3:0]与PHY芯片侧连接实现数据接收；MAC芯片通过RGMII接口与PHY芯片以实现速率为1000M的数据，交换MAC芯片侧通过TXD[3:0]与PHY芯片侧连接实现数据，MAC芯片侧通过RXD[3:0]与PHY芯片侧连接实现数据接收。

在本实施例中，各独立的PHY芯片201内集成有高速SERDES接口，并通过高速SERDES接口直接与光模块300通信连接，实现1000Base-X光纤标准。

在本实施例中，各独立的PHY芯片为Marvell公司的Alaska系列88XXX芯片，该芯片支持10M，100M，1000M速率，支持多种MAC接口模式，有GMII/MII，RGMII，SGMII等。

在本实施例中，FPGA模块100还与CPU通过PCIE接口直接通信连接，不需要通过储存器，FPGA模块100从物理端口模块200接收到的报文数据直接与CPU进行数据交互，实时性更高。

在本实施例中，FPGA模块100为XILINX公司的A7芯片。为了FPGA模块100与MAC芯片的通用性和稳定性，优选的，MAC芯片101中的核也使用的FPGA厂商提供的核。

在本实施例中，运用在数字化继电保护测试仪的通讯设备，在工作过程中，首先，先通过FPGA模块100内部的设定选择需要光模块300的数量，让相对应光模块300投入工作。

接收数据时，多光模块300把接收的数据由光信号转换成电信号后传输给端口物理模块200中与相应光模块300连接的各独立PHY芯片201，再由各独立的PHY芯片201传输给一一对应集成在FPGA模块中的MAC芯片，再将接收到的多个数据同步通过PCIE接口直接传输给CPU,以保证CPU处理数据的及时性。

发送数据时，CPU经由PCIE接口直接将多条数据传输给集成在FPGA模块中的MAC芯片，各MAC芯片分别将数据传输给端口物理模块200中相应的各独立的PHY芯片201，再由各独立的PHY芯片201传输给各对应的光模块300，通过光模块300将接收到的数据由电信号再转化为光信号经光纤发送出去。

在通讯设备接收数据和发送数据时，通过高稳定度晶振401和时钟分发器402向FPGA模块100和各独立的PHY芯片提供了精确，稳定且严格同步的时钟信号以保证了每条来自光模块300的的数据的同步性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。