基于FPGA的过程层数据采样板卡与电子装置

摘要

本申请提供了一种基于FPGA的过程层数据采样板卡与电子装置。该数据采样板卡包括：FPGA核心板，具有PCIe总线接口，用于实现对SV报文的读取、解析和数据抽取，用于实现交流采样算法，FPGA核心板通过PCIe总线接口将采集的数据和计算的数据传送给工控机的CPU；PHY芯片，与FPGA核心板电连接；电口，与PHY芯片电连接；光口，与PHY芯片电连接。本方案结合光纤通信技术、FPGA和PCIe计算机接口技术，利用FPGA的高速信号处理能力实现SV数据帧的实时读取、解析和数据抽取，使得过程层数据采样板卡具有高效数据处理功能，实现IEC61850过程层SV格式数据帧的采样、缓存、计算和传输功能。

说明书

技术领域

本申请涉及智能变电站领域，具体而言，涉及一种基于FPGA的过程层数据采样板卡与电子装置。

背景技术

SV(Sample Value)，是智能变电站过程层传输的数字化采样数据的简称。基于以太网IEEE802.3的SV以太网数据，传输采样频率等于或大于4000Hz/s，其特点是：数据量特别大，有周期性，对数据的实时性、稳定性、可靠性要严格要求，要求接收方有较强的数据处理能力。

基于Linux操作系统的工控机，由于其接口资源丰富、计算控制能力强，同时设计开发过程简单等特点，在电力控制领域广泛的使用。但是由于Linux属于分时操作系统，无法及时响应4000Hz/s采样事件，所以基于Linux操作系统的工控机无法直接进行智能变电站的电量数据的采样和计算。

随着智能变电站的推广，包括很多发电厂的升压站，越来越多的智能变电站都开始采用IEC 61850的通信方式，数据采集都采用SV报文形式的数字传输，没有传统硬接线的电压互感器和电流互感器。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种基于FPGA的过程层数据采样板卡与电子装置，以解决现有技术中智能变电站的工控机不容易实现IEC 61850通信功能的问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种基于FPGA的过程层数据采样板卡，包括：FPGA核心板，具有PCIe总线接口，用于实现对SV报文的读取、解析和数据抽取，用于实现交流采样算法，所述FPGA核心板通过PCIe总线接口将采集的数据和计算的数据传送给工控机的CPU；PHY芯片，与所述FPGA核心板电连接；电口，与所述PHY芯片电连接；光口，与所述PHY芯片电连接。

进一步地，所述数据采样板卡还包括：存储器，所述存储器与所述FPGA核心板电连接，用于对SV采样数据进行缓存。

进一步地，所述存储器为SDRAM，所述FPGA核心板还包括MAC数据接口和SDRAM接口，所述FPGA核心板通过所述MAC数据接口与所述PHY芯片连接，所述FPGA核心板通过所述SDRAM接口与所述SDRAM连接。

进一步地，在所述FPGA核心板中，对所述SV报文进行数据抽取后，采用所述交流采样算法进行计算，所述交流采样算法包括快速傅里叶变换和快速频率算法。

进一步地，所述电口为RJ45接口。

进一步地，所述SV报文在网络上传输时采用的是OSI模型，所述OSI模型中的应用层定义协议数据单元，经过表示层编码后，直接映射到数据链路层和物理层。

根据本申请的另一个方面，提供了一种电子装置，包括任意一种所述的数据采样板卡。

应用本申请的技术方案，FPGA核心板通过PCIe总线接口将采集的数据和计算的数据传送给工控机的CPU，从电口和光口传入的报文数据，经过PHY芯片传输至FPGA核心板，FPGA核心板实现对SV报文的读取、解析和数据抽取，且FPGA核心板将通过PCIe总线接口将采集的数据和计算的数据传送给工控机的CPU，即本方案结合光纤通信技术、FPGA和PCIe计算机接口技术，利用FPGA的高速信号处理能力实现SV数据帧的实时读取、解析和数据抽取，使得过程层数据采样板卡具有高效数据处理功能，实现IEC61850过程层SV格式数据帧的采样、缓存、计算和传输功能。利用该板卡，工控机可以非常容易地实现IEC61850协议。大大缩短了智能变电站基于IEC61850协议测控产品地研发速度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本申请的实施例的基于FPGA的过程层数据采样板卡示意图；

图2示出了根据本申请的实施例的FPGA功能逻辑图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。

正如背景技术所介绍的，现有技术中智能变电站的工控机不容易实现IEC 61850通信功能，为了解决如上智能变电站的工控机不容易实现IEC 61850通信功能的问题，本申请的实施例提出了一种基于FPGA的过程层数据采样板卡与电子装置。

本申请的一种典型的实施例，提供了一种基于FPGA的过程层数据采样板卡，如图1所示，包括：

FPGA核心板，具有PCIe总线接口，用于实现对SV报文的读取、解析和数据抽取，用于实现交流采样算法，上述FPGA核心板通过PCIe总线接口将采集的数据和计算的数据传送给工控机的CPU；

PHY芯片，与上述FPGA核心板电连接；

电口，与上述PHY芯片电连接，图1中包括两个千兆电口；

光口，与上述PHY芯片电连接，图1中包括两个千兆光口。

具体地，电口和光口用于接收SV报文，PHY芯片接收从电口和光口传入的数据，并对从电口和光口传入的数据进行处理后，传输至FPGA核心板，FPGA核心板再进行数据的读取、解析和数据抽取。

具体地，对SV报文解析包括对SV报文进行帧头和帧尾等处理，对SV报文进行数据抽取是指将SV报文的关键的部分抽取出来。

具体地，本方案中的数据采样板卡提供Linux版本和Windows版本的驱动，利用该板卡，工控机可以非常容易地实现IEC61850协议。大大缩短了智能变电站基于IEC61850协议测控产品地研发速度。

具体地，利用FPGA实现PCIe总线时序，利用PCIe总线高带宽的特点，将缓存的数据和计算数据传送给工控机的CPU，完成进一步测控操作。

上述方案中，FPGA核心板通过PCIe总线接口将采集的数据和计算的数据传送给工控机的CPU，从电口和光口传入的报文数据，经过PHY芯片传输至FPGA核心板，FPGA核心板实现对SV报文的读取、解析和数据抽取，且FPGA核心板将通过PCIe总线接口将采集的数据和计算的数据传送给工控机的CPU，即本方案结合光纤通信技术、FPGA和PCIe计算机接口技术，利用FPGA的高速信号处理能力实现SV数据帧的实时读取、解析和数据抽取，使得过程层数据采样板卡具有高效数据处理功能，实现IEC61850过程层SV格式数据帧的采样、缓存、计算和传输功能。利用该板卡，工控机可以非常容易地实现IEC61850协议。大大缩短了智能变电站基于IEC61850协议测控产品地研发速度。

本申请的一种实施例中，上述数据采样板卡还包括：存储器，上述存储器与上述FPGA核心板电连接，用于对SV采样数据进行缓存。SV采样数据包括采集的数据和计算的数据。

本申请的一种实施例中，如图1所示，上述存储器为SDRAM，上述FPGA核心板还包括MAC数据接口和SDRAM接口，上述FPGA核心板通过上述MAC数据接口与上述PHY芯片连接，上述FPGA核心板通过上述SDRAM接口与上述SDRAM连接。从MAC数据接口传入SV报文。

本申请的一种实施例中，如图2所示，在上述FPGA核心板中，对上述SV报文进行数据抽取后，采用上述交流采样算法进行计算，上述交流采样算法包括快速傅里叶变换和快速频率算法。从MAC数据接口传入SV报文经过FPGA核心板经过SV帧结构分析后，再进行数据提取(即数据抽取)，将提取到的数据存储在SDRAM中。在上述FPGA核心板中，对上述SV报文进行数据抽取后，采用上述交流采样算法进行计算，将计算后的数据存储在SDRAM中，工控机的CPU通过PCIe总线接口，经过FPGA核心板，从SDRAM中获取数据，以实现IEC61850协议。

具体地，采用上述交流采样算法进行计算，包括：直接计算电压、电流、功率的有效值；频率、功率因素以及高次谐波值。

本申请的一种实施例中，如图1所示，上述电口为RJ45接口。

本申请的一种实施例中，上述SV报文在网络上传输时采用的是OSI模型，上述OSI模型中的应用层定义协议数据单元，经过表示层编码后，不采用TCP/IP协议，直接映射到数据链路层和物理层。传输层、会话层和网络层为空。

本申请的另一种典型的实施例，提供了一种电子装置，包括任意一种上述的数据采样板卡。该电子装置中的数据采样板卡结合光纤通信技术、FPGA和PCIe计算机接口技术，利用FPGA的高速信号处理能力实现SV数据帧的实时读取、解析和数据抽取，使得过程层数据采样板卡具有高效数据处理功能，实现IEC61850过程层SV格式数据帧的采样、缓存、计算和传输功能。利用该板卡，工控机可以非常容易地实现IEC61850协议。大大缩短了智能变电站基于IEC61850协议测控产品地研发速度。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

1)、本申请的基于FPGA的过程层数据采样板卡，FPGA核心板通过PCIe总线接口将采集的数据和计算的数据传送给工控机的CPU，从电口和光口传入的报文数据，经过PHY芯片传输至FPGA核心板，FPGA核心板实现对SV报文的读取、解析和数据抽取，且FPGA核心板将通过PCIe总线接口将采集的数据和计算的数据传送给工控机的CPU，即本方案结合光纤通信技术、FPGA和PCIe计算机接口技术，利用FPGA的高速信号处理能力实现SV数据帧的实时读取、解析和数据抽取，使得过程层数据采样板卡具有高效数据处理功能，实现IEC61850过程层SV格式数据帧的采样、缓存、计算和传输功能。利用该板卡，工控机可以非常容易地实现IEC61850协议。大大缩短了智能变电站基于IEC61850协议测控产品地研发速度。

2)、本申请的电子装置中的数据采样板卡结合光纤通信技术、FPGA和PCIe计算机接口技术，利用FPGA的高速信号处理能力实现SV数据帧的实时读取、解析和数据抽取，使得过程层数据采样板卡具有高效数据处理功能，实现IEC61850过程层SV格式数据帧的采样、缓存、计算和传输功能。利用该板卡，工控机可以非常容易地实现IEC61850协议。大大缩短了智能变电站基于IEC61850协议测控产品地研发速度。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。