基于反射内存网及DSP控制器的脉冲电源实时控制系统

摘要

本发明公开了一种基于反射内存网及DSP控制器的脉冲电源实时控制系统，包括反射内存网，所述反射内存网包括反射内存交换机以及与反射内存交换机相连的一个以上的节点单元；至少一个节点单元中包括DSP控制器，所述DSP控制器用来采集变流器装置中脉冲电源的各种状态信号，并与变流器主电路相连，所述DSP控制器通过反射内存卡与反射内存交换机之间实现控制及保护功能。本发明具有可以提高控制系统中数据及指令的传输实时性、传输延迟确定性及可靠性等优点。

说明书

技术领域

本发明主要涉及到大功率脉冲电源领域，特指一种基于反射内存网及DSP控制器的脉冲电源实时控制系统。

背景技术

随着受控核聚变领域研究的不断发展、军工领域试验装备应用的增多，大功率脉冲电源的需求也在日益增加；与此同时，也对大功率脉冲电源的性能提出了更高的要求。例如：对电源的实时响应速度、控制精度、可靠性及稳定度等的要求越来越高。

作为大功率脉冲电源的核心部件之一，控制网络及控制器的实时性能直接决定了大功率脉冲电源装置的实时性能。传统的的脉冲电源控制网络大多是采用总控+分控的模式，总控与各个分控单元通过总线实现轮流通信，将采集的各个分控单元的信息用于实时计算和处理，同时总控单元需要根据实时计算与处理的结果，向各个分控单元发出目标参数和控制指令，从而实现大功率脉冲电源系统的时序控制。上述这种模式的控制网络存在一些问题：

上述模式当中总控单元与各个分控单元之间的数据交互是以总线通讯的方式实现的，其总线通讯的周期较长、实时性指标还不够高；而且随着分控单元的增加，这种控制系统的实时控制性能会进一步降低；在数据交互实时性能、数据传输速率、带宽等方面，传统的脉冲电源控制网络远远不及反射内存网络的性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种可以提高控制系统中数据及指令的传输实时性、传输延迟确定性及可靠性的基于反射内存网及DSP控制器的脉冲电源实时控制系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于反射内存网及DSP控制器的脉冲电源实时控制系统，包括反射内存网，所述反射内存网包括反射内存交换机以及与反射内存交换机相连的一个以上的节点单元；至少一个节点单元中包括DSP控制器，所述DSP控制器用来采集变流器装置中脉冲电源的各种状态信号，并与变流器主电路相连，所述DSP控制器通过反射内存卡与反射内存交换机之间实现控制及保护功能。

作为本发明的进一步改进：各个所述节点单元之间共享其他节点单元的数据。

作为本发明的进一步改进：将所述反射内存网中的一个节点单元作为主控计算机系统，其他节点单元作为子节点单元。

作为本发明的进一步改进：所述DSP控制器所在的节点单元中包括PLC控制器，用来与总线控制网络相连。

作为本发明的进一步改进：所述DSP控制器所在的节点单元中包括就地控制上位机，用来实现人机接口操作及显示等功能。

作为本发明的进一步改进：所述DSP控制器用来采集电流信号、电压信号、同步PT信号以及交流开关信号。

作为本发明的进一步改进：所述DSP控制器与反射内存卡之间设置一基于CPU系统及内存的载板，所述载板上具有PCIE接口以实现与反射内存卡的数据交互功能，同时通过CPU系统的本地总线与DSP控制器进行数据共享的通道。

作为本发明的进一步改进：所述载板包括：

CPU系统及内存，用来进行数据处理；

PCIE接口，用来承载反射内存卡，并完成数据交互功能；

双端口RAM，用来完成与DSP板的数据交换；

硬盘存储接口，用来实现硬盘挂接，完成实时数据存储；

RAM及FLASH存储空间，用来完成数据及程序的存储；

串行接口及以太网接口，用来实现控制器对外的数据联络及数据分析接口。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的基于反射内存网及DSP控制器的脉冲电源实时控制系统，根据大功率脉冲电源系统时序控制的实时性能需求，采用基于PCIE总线接口的反射内存网络，通过PCIE接口的处理器将反射内存的PCIE接口转换为本地总线实现与DSP的实时数据交互，从而解决大功率脉冲电源的实时数据交互和实时控制问题，可以提高控制系统中数据及指令的传输实时性、传输延迟确定性及可靠性。

2、本发明的基于反射内存网及DSP控制器的脉冲电源实时控制系统中，PCIE总线作为第三代IO总线标准，其设备连线数量少、传输带宽高，采用PCIE接口的反射内存网络更方便地实现设备互连，同时提高传输性能。

3、本发明的基于反射内存网及DSP控制器的脉冲电源实时控制系统中，通过带PCIE接口的载板来实现反射内存与DSP控制器之间的数据交互，同时在载板上运行嵌入式实时操作系统来提高数据传输的实时性能。

4、本发明的基于反射内存网及DSP控制器的脉冲电源实时控制系统中，除了反射内存卡与反射内存交换机及大功率脉冲电源的控制器之间采用PCIE接口，控制机箱内各个外围的模拟量和数字量采集均采用背板连接至控制器内ADC及FPGA的I/O接口，从而使得外围采集量的配置灵活，扩展性能强，同时不受VME、cPCI等总线的负载能力的限制。

5、本发明的基于反射内存网及DSP控制器的脉冲电源实时控制系统，能够实现与所有PCIE规格的反射内存或PCIE设备的接口与数据交互，通用性强。

附图说明

图1是本发明在具体应用实例中的结构原理示意图。

图2是反射内存网的基本原理示意图。

图3是本发明在具体应用实例中反射内存网的组成示意图。

图4是本发明在具体应用实例中载板的组成示意图。

图5是本发明在具体应用实例中载板的接口组成示意图。

图6是本发明在具体应用实例中机箱式DSP控制器结构的原理示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明基于反射内存网及DSP控制器的脉冲电源实时控制系统，包括反射内存网，所述反射内存网包括反射内存交换机以及与反射内存交换机相连的一个以上的节点单元，各个节点单元之间可以根据实际需要共享其他节点单元的数据；至少一个节点单元中包括DSP控制器，所述DSP控制器用来采集变流器装置中脉冲电源的各种状态信号，并与变流器主电路相连，DSP控制器通过反射内存卡与反射内存交换机之间实现实时、快速控制及保护功能。本发明通过以上结构，将反射内存网络应用于大功率脉冲电源控制网络中，可以提高控制系统的数据及指令的传输实时性、传输延迟确定性及可靠性；同时结合DSP的数字信号处理及控制功能，从而实现大功率脉冲电源装置及系统的实时控制，提高装置及系统的实时响应速度和可靠性。

在本实施例中，所述DSP控制器所在的节点单元中包括PLC控制器，用来与总线控制网络相连，以实现实时性要求较低的控制及保护功能。

进一步，所述DSP控制器所在的节点单元中还包括就地控制上位机，用来实现人机接口操作及显示等功能。

在上述系统中，DSP控制器用来采集电流信号、电压信号、同步PT信号以及交流开关信号等等。

在上述系统中，本发明中所采用的反射内存网(Reflective memory network)，实际上是一种基于高速网络的共享存储器技术的实时网络。参见图2所示，反射内存网实际上是在每台被连接的计算机（处理单元）里都安装一块反射内存卡，利用反射内存卡在网络中形成各个节点单元；而每个节点单元的网络内存卡上的存储器中都有网络内存网上其它节点的共享数据拷贝。这些反射内存卡形成一个连续的环状或星状结构，反射内存卡之间通过自定义的网络协议进行通信，各个反射内存卡在逻辑上共用一段地址。一旦反射内存网络中的任何一台计算机（处理单元）向反射内存写数据，改写的数据立刻以很高的速度，通过高速光纤或同轴电缆传输到其它网络节点的复制共享内存。也就是说，数据的传输物理上完全独享高速专用网络。整个数据复制过程没有总线冲突，没有耗时的协议开销，也没有不可确定的数据破坏。与传统的网络技术相比，它具有严格的传输延迟确定性，高速及高可靠性、软硬件平台适应性强等特点,有效弥补了传统网络的缺点。

如图3所示，为本实施例中整个反射内存网络的构成，整个反射内存网络包含一具有多个节点单元的网络，各个节点单元之间可以根据实际需要共享其他节点单元的数据。本实例中，节点单元1中包含基于PCIE接口的反射内存卡、CPU系统及内存、DSP控制器（DSP控制板）以及作为控制目标的变流器装置（如：大功率脉冲电源等）；节点单元2中包含基于PCIE接口的反射内存卡、CPU系统及内存；节点单元3到节点单元N的构成都可以与节点单元1或节点单元2相同，根据实际需要进行选择即可，各个节点单元之间可以共享其他节点的数据。

本发明系统采用基于反射内存及DSP控制器的实时控制网络，通过反射内存网络实现各个网络节点单元之间的数据传输的高实时性、高速率、低延迟性能，各个节点内部的DSP控制器与反射内存卡之间的数据传输的实现，先是在高性能CPU平台上运行嵌入式实时操作系统以实现反射内存卡的数据到本地总线的实时、高速传输，进而DSP控制器通过读、写本地总线，最终完成DSP控制器与反射内存网络的数据交互功能。整个过程中，网络数据的传输如同DSP读、写本地内存，整个控制网络及各个控制器具备高速、实时、确定性的传输性能。同时具备DSP控制器的强大的数字信号处理和计算能力以及实时控制性能；从而大幅提高大功率脉冲电源控制网络的实时性能指标和应用能力。该控制系统及控制器不仅适用于大功率脉冲电源控制网络的应用，也能够满足其他对实时性能、传输速度和延迟性能要求极高的变流器控制系统的应用。

在具体应用时，可以将反射内存网中的一个节点单元作为主控计算机系统，其他节点单元作为子节点单元。如以图3中的节点单元2作为主控计算机系统，节点单元1及其他节点单元都作为子节点单元来详述控制网络的功能。对于实时控制网络而言，其性能要求可以如下：

（1）节点单元2发送到节点单元1的指令数据：大于10个字，每字16位，且数据刷新频率至少在2KHz以上；

（2）节点单元1发送至节点单元2的测量数据：大于40个字，每字16位，且数据刷新频率至少在2KHz以上。

那么，针对以上性能要求，需要解决两个方面的技术问题：

（1）在节点单元1内部的控制核心是DSP控制器（DSP控制板），而反射内存卡是基于PCIE接口，那么在DSP控制器（DSP控制板）上没有PCIE接口，需要实现PCIE接口与DSP之间的接口转换。

（2）数据交互实时性的问题：节点单元1与节点单元2之间的数据交互时，信号刷新至少在频率2KHz以上。

首先，本发明采用嵌入式CPU平台设计一个载板，即：基于CPU系统及内存的载板，可以安装能运行实时系统的、具有一定数据处理能力的处理器模块。载板上提供一个标准的PCIE接口实现与反射内存卡的数据交互功能，同时通过CPU系统的本地总线与DSP控制器进行数据共享的通道。载板上提供一个标准的CPU模块接口，为CPU提供电源，并将外围总线扩展引出，同时提供以太网接口、VGA接口、USB接口等。

其次，本发明可以在载板的嵌入式CPU平台上运行实时操作系统，并在实时操作系统上开发应用软件实现反射内存卡与DSP控制器之间数据的传递功能。

如图4和图5所示，在本实施例中，上述载板即为位于反射内存卡与DSP控制器之间的PCIE接口板，用来进行数据交互。本实例中PCIE接口板包括：

CPU系统及内存，用来进行数据处理；

PCIE接口，用来承载反射内存卡，并完成数据交互功能；

双端口RAM，用来完成与DSP板的数据交换；

硬盘存储接口，用来实现 SSD硬盘挂接，完成实时数据存储；

RAM及FLASH存储空间，用来完成数据及程序的存储；

串行接口及以太网接口，用来实现控制器对外的数据联络及数据分析接口。

本实施例中，作为大功率脉冲电源的控制器——DSP控制器，如图6所示，采用机箱式结构，DSP作为控制系统的核心部分，其控制器采用DSP和FPGA芯片，主要完成数据采集、逻辑译码、PI调节运算、多相PWM脉冲输出、故障判断及处理、系统通信等工作。控制器机箱使用6U电磁兼容机箱，所有插件都安装在机箱内的标准插槽上，通过背板完成插件之间的信号连接，从而构建完整的系统。控制器配置了包含485接口、CAN接口、以太网接口及光纤通讯口等完备的通讯接口，以满足系统集成和联网的要求；同时DSP控制板与PCIE接口板及反射内存卡共同实现与反射内存网络的实时、快速的指令及数据的传输功能。结合图5所示，该控制器机箱能够实现的功能主要包括：PWM脉冲输出、数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出、光纤输入及输出；控制器上对外采集接口数量丰富，插件电路板的配置可以根据实际采样通道数量的需求灵活选择。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。