车辆牵引变流器控制系统、数据传输协议及协议同步方法

摘要

本发明公开了一种车辆牵引变流器控制系统、数据传输协议及协议同步方法，上述控制系统包括主控制器与若干个控制单元，每一控制单元中均具有一从控制器，主控制器与若干个从控制器构成以主控制器为中心的星型拓扑结构，该控制系统结构简单，很好的实现了模块化和分布式控制，灵活性高且开发难度低；上述数据传输协议根据系统对数据的实时性要求，将通信数据分为同步数据、关键数据、非关键数据、属性数据和校验数据，使通信速率可以满足目前市场上几乎所有相关产品的需求；此外，本发明还提供了一种高性能的协议同步方法，可以保证各从控制器可以同时接收到主控制器下发的同步命令，实现各模块单元的严格同步。

说明书

技术领域

本发明涉及列车控制技术领域，尤其涉及一种车辆牵引变流器控制系统、数据传输协议及协议同步方法。

背景技术

城轨车辆牵引变流装置通常采用集中式控制结构，对于小容量的变流装置来说，由于拓扑结构简单，集中式控制是一种简单实用的控制方法。但是随着电力电子技术的飞速发展，城轨车辆牵引变流系统对功率容量、功率密度和控制性能等方面的性能要求在不断提高。对于大容量的牵引变流控制系统，由于控制变量、反馈变量和功率器件的数目较多，这种集中式控制结构会存在明显的缺点：控制器软硬件结构复杂，系统灵活性差；控制器和主电路之间存在大量点对点电气连接，单点故障即可导致停机，系统稳定性差；系统不具备模块化，开发周期长、调试困难。因此，为了提高系统的灵活性和可靠性，研究一种分布式的大容量牵引变流器控制系统很有必要。

目前市场上对于大容量牵引变流器分布式控制系统的研究越来越多，其中比较典型的是基于高速光纤环网的分布式控制结构，该网络结构使用一根光纤线将所有的模块单元串联起来形成一个环形网络，每个模块单元配一个从控制器，每个网络配一个主控制器。主控制器将指令信息通过光纤通信下发到所有从控制器去执行，从控制器将本单元采集的状态信息和故障信息通过光纤通信实时传递给主控制器。其中一种典型的三相两电平变流器的光纤环网分布式控制结构如图1所示。这种分布式控制系统的结构简单，很好的实现了系统的模块化和分布式控制，但是该系统中单个模块单元故障便会导致整个系统死机。此外，各从控制器要通过接收来自主控制器的调制波信息产生驱动开关器件的PWM信号，由于环形网络中固有的传输时延，调制波信息到达每个从控制器的时间不同，将会导致系统的不同步，从而严重影响系统的控制性能。

发明内容

本发明针对上述的现有的分布式控制结构存在易发生故障以及信号不同步等技术问题，提出一种提高系统模块化、灵活性以及控制性能的车辆牵引变流器控制系统、数据传输协议及协议同步方法。

第一方面，本申请实施例提供了一种车辆牵引变流器控制系统，包括主控制器与若干个控制单元，每一控制单元中均具有一从控制器，所述主控制器与若干个所述从控制器构成以所述主控制器为中心的星型拓扑结构；

所述主控制器包括第一FPGA处理器、DSP算法模块与ARM处理器，所述从控制器将所在的控制单元的状态信息与故障信息通过高速光纤发送至所述主控制器，所述主控制器通过第一FPGA处理器接收所述状态信息与故障信息，并通过所述DSP算法模块与ARM处理器根据所述状态信息与故障信息产生相关的命令信息，所述从控制器通过高速光纤接收所述命令信息并产生相应的动作。

上述控制系统，其中，所述第一FPGA处理器包括双口RAM模块与第一光纤收发模块，所述第一FPGA处理器通过所述第一光纤收发模块接收所述状态信息与故障信息，所述DSP算法模块通过所述双口RAM模块读取所述状态信息与故障信息并执行相应的算法，产生控制相关的命令信息写入所述双口RAM模块，所述第一FPGA处理器读出所述命令信息后通过所述第一光纤收发模块下发到各从控制器。

上述控制系统，其中，所述ARM处理器通过所述双口RAM模块读取第一FPGA处理器接收的所述状态信息与故障信息并执行相应的逻辑，产生逻辑相关的命令信息写入所述双口RAM模块，所述第一FPGA处理器读出所述命令信息后通过所述第一光纤收发模块下发到各从控制器。

上述控制系统，其中，所述从控制器包括第二FPGA处理器，所述第二FPGA处理器包括状态信息采集模块、故障保护模块、IGBT驱动和反馈模块与第二光纤收发模块，所述状态信息采集模块采集所述从控制器所在的控制单元的状态信息，并将所述状态信息发送至所述故障保护模块，所述故障保护模块接收所述状态信息与所述IGBT驱动和反馈模块提供的IGBT反馈状态，并判断所述状态信息与所述IGBT反馈状态是否存在异常，若存在，则所述故障保护模块生成所述故障信息并将所述故障信息通过第二光纤收发模块发送至所述主控制器。

上述控制系统，其中，所述主控制器接收所述故障信息后，若判断发生故障，所述主控制器中ARM处理器发送脉冲禁止命令至所述从控制器，关闭所述IGBT驱动和反馈模块的脉冲发送使能，从而封锁脉冲。

第二方面，本申请实施例提供了一种应用于上述控制系统的数据传输协议，所述数据传输协议将分布式控制系统中主控制器与从控制器之间的通信数据分为同步数据、关键数据、非关键数据、属性数据与校验数据。

上述数据传输协议，其中，所述数据传输协议中每一数据帧包含21个帧单元，每一帧单元包含10bits，所述数据帧的第一个帧单元为同步数据，所述同步数据包括预同步命令与同步命令。

第三方面，本申请实施例提供了一种基于上述数据传输协议的协议同步方法，所述协议同步方法包括：

通信数据发送步骤：将主控制器产生的通信数据以数据帧的形式进行传输，每一数据帧以帧单元作为最小通信单元；

三角载波信号产生步骤：主控制器根据开关频率周期值产生本地三角载波信号；

同步数据产生步骤：所述主控制器在所述本地三角载波信号下降到距离零点T

数据接收步骤：当从控制器检测到所述预同步命令后，判断当前数据帧的同步命令是否有效；若当前数据帧的同步命令有效，则对从控制器的三角载波信号进行同步，继续接收当前数据帧剩余的帧单元；若当前数据帧的同步命令无效，则放弃当前数据帧后续帧单元的接收，开始接收下一个数据帧的同步命令。

上述协议同步方法，其中，所述T

上述协议同步方法，其中，所述数据接收步骤还包括：若当前数据帧的同步命令与下一数据帧的同步命令均未接收到，则继续接收当前数据帧剩余的帧单元。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、对于大容量的牵引变流控制系统，控制变量、反馈变量和功率器件的数目较多，传统的集中式控制结构存在硬件结构复杂、灵活性差、不具备模块化和开发周期长等问题。本发明提出的轨道车辆牵引变流器分布式控制系统，将变流系统分为若干个控制单元，每个控制单元配一个从控制器，整个变流系统配一个主控制器，主从控制器采用星型拓扑结构，单个控制单元故障不会影响其他控制单元的运行；主从控制器间通过高速光纤进行通信，这种分布式控制系统结构简单，很好的实现了模块化和分布式控制，灵活性高且开发难度低。

2、本发明基于上述光纤星型拓扑结构的控制系统，在实现模块化和分布式控制的同时，提出了一种高效数据传输协议，该传输协议根据控制系统对数据的实时性要求，将通信数据分为同步数据、关键数据、非关键数据、属性数据和校验数据，采用该数据传输协议使通信速率可以满足目前市场上几乎所有相关产品的需求。

3、本发明还提出了一种协议同步方法，主控制器根据帧单元和数据帧的传输时间，可以灵活配置预同步命令和同步命令在三角载波中的产生位置，实现各控制单元的同步，保证PWM控制时序的正确性，如果当前数据帧的同步命令无效，则放弃当前数据帧后续帧单元的接收，直接跳到状态机的开始以等待下一数据帧的接收，保证各从控制器能同时收到主控制器下发的同步命令，从而实现各模块单元的严格同步。此外，本发明中还具有同步命令的接收容错机制，当从控制器接收到预同步命令后，如果连续两个数据帧未接收到同步命令，则状态机自动向下执行，从而避免对整个系统的通信产生影响。

附图说明

图1为三相两电平变流器光纤环网分布式控制结构；

图2为本发明提供的城轨车辆牵引变流器分布式控制系统拓扑结构示意图；

图3为本发明提供的主控制器功能框图；

图4为本发明提供的从控制器功能框图；

图5为本发明提供的数据传输方法的步骤示意图；

图6为本发明提供的一种帧单元和数据帧格式图；

图7为本发明提供的同步数据下发过程示意图；

图8为本发明提供的协议同步工作流程图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

本发明的目的在于提供一种城轨车辆牵引变流器的分布式控制系统。该系统拓扑结构简单，在实现模块化和分布式控制的同时，提供了一种高性能同步方法，能够保证各模块单元严格的同步关系，从而为整个牵引变流系统提供更好的控制性能，具有良好的工程应用价值。

实施例一：

图2为本发明提供的城轨车辆牵引变流器分布式控制系统拓扑结构示意图；如图2所示，本实施例揭示了一种车辆牵引变流器控制系统(以下简称“系统”)的具体实施方式。

上述分布式控制系统包括主控制器与若干个控制单元，每一控制单元中均具有一从控制器，所述主控制器与若干个所述从控制器构成以所述主控制器为中心的星型拓扑结构；

主控制器包括第一FPGA处理器、DSP算法模块与ARM处理器，所述从控制器将所在的控制单元的状态信息与故障信息通过高速光纤发送至所述主控制器，所述主控制器通过第一FPGA处理器接收所述状态信息与故障信息，并通过所述DSP算法模块与ARM处理器根据所述状态信息与故障信息产生相关的命令信息，所述从控制器通过高速光纤接收所述命令信息并产生相应的动作。

具体来说，第一FPGA处理器包括双口RAM模块与第一光纤收发模块，所述第一FPGA处理器通过所述第一光纤收发模块接收所述状态信息与故障信息；

DSP算法模块通过所述双口RAM模块读取所述状态信息与故障信息并执行相应的算法，产生控制相关的命令信息写入所述双口RAM模块，所述第一FPGA处理器读出所述命令信息后通过所述第一光纤收发模块下发到各从控制器；

ARM处理器通过所述双口RAM模块读取第一FPGA处理器接收的所述状态信息与故障信息并执行相应的逻辑，产生逻辑相关的命令信息写入所述双口RAM模块，所述第一FPGA处理器读出所述命令信息后通过所述第一光纤收发模块下发到各从控制器。

在上述实施例中，第一FPGA处理器还包括快速故障记录模块，当故障触发时，所述快速故障记录模块记录故障时刻前后的故障数据至外挂在第一FPGA处理器上的NANDFLASH，当所述第一FPGA处理器接收到所述DSP算法模块下发的故障触发命令后，将缓存在所述双口RAM模块中的故障时刻前的故障数据读出并写入外挂在第一FPGA处理器上的NANDFLASH中，将故障时刻后的数据写入所述NAND FLASH；当所述第一FPGA处理器接收到所述DSP算法模块下发的故障读取命令后，将记录在所述NAND FLASH中的故障时刻前后的所有的故障数据读出并显示。

从控制器包括第二FPGA处理器，所述第二FPGA处理器包括状态信息采集模块、故障保护模块、IGBT驱动和反馈模块与第二光纤收发模块，所述状态信息采集模块采集所述从控制器所在的控制单元的状态信息，并将所述状态信息发送至所述故障保护模块；

所述故障保护模块接收所述状态信息与所述IGBT驱动和反馈模块提供的IGBT反馈状态，并判断所述状态信息与所述IGBT反馈状态是否存在异常，具体的，所述从控制器通过第二光纤收发模块接收由所述主控制器中ARM处理器产生并通过第一光纤收发模块下发的保护使能和保护值，当所述保护使能有效时，所述故障保护模块根据所述保护值判断所述状态信息与IGBT反馈状态是否存在异常；

若存在，则所述故障保护模块生成所述故障信息并将所述故障信息通过第二光纤收发模块发送至所述主控制器。所述主控制器接收所述故障信息后，若判断发生故障，所述主控制器中ARM处理器发送脉冲禁止命令至所述从控制器，关闭所述IGBT驱动和反馈模块的脉冲发送使能，从而封锁脉冲。

以下结合具体实施例说明本发明提出的城轨车辆牵引变流器的分布式控制系统的具体实施方式。

本发明的城轨车辆牵引变流器的分布式控制系统的拓扑结构如图2所示，每个系统配置一个主控制器和若干个从控制器，从控制器的个数根据实际应用的需求可以灵活配置。主控制器和从控制器之间通过高速光纤进行通信，通过制定简单的通信协议可以实现两者之间同步数据、关键数据、非关键数据、属性数据和校验数据的实时传输。

对于大容量的牵引变流控制系统，由于控制变量、反馈变量和功率器件的数目较多，传统的集中式控制结构存在硬件结构复杂、灵活性差、不具备模块化和开发周期长等问题。本发明轨道车辆牵引变流器分布式控制系统，将变流系统分为若干个模块单元，每个模块单元配一个从控制器，整个变流系统配一个主控制器，主从控制器采用星型拓扑结构，通过高速光纤进行通信。这种分布式控制系统结构简单，很好的实现了模块化和分布式控制，灵活性高且开发难度低。

现有技术中典型的基于高速光纤环网的分布式控制结构，虽然也具有结构简单和模块化控制的特点，且有利于系统进行扩展，但是该系统中单个模块单元故障便会导致整个系统死机，且由于环形网络中固有的传输时延，调制波信息到达每个模块单元的时间不同，将会导致系统的不同步，从而严重影响系统的控制性能。本发明轨道车辆牵引变流器分布式控制系统，单个模块单元故障不会影响其他模块单元的运行。

主控制器主要通过高速光纤通信接收系统底层上传的状态和故障信息，执行系统的控制算法并产生系统需要的控制信号。采用FPGA+DSP+ARM架构，其中FPGA主要负责高速光纤通信收发控制、外部数字量和模拟量等状态信息的采集、以及快速故障记录等功能，DSP主要负责执行牵引变流器的算法功能，ARM主要负责执行牵引变流器的逻辑功能以及中速故障记录等功能。FPGA、DSP和ARM两两之间通过本地总线进行数据交互。主控制器的功能框图如图3所示。

主控制器中的FPGA处理器，即上述第一FPGA处理器，主要包括模拟量采集模块、数字量采集模块、快速故障记录模块、光纤收发模块和双口RAM模块等。

其中，模拟量采集模块通过SPI接口采集ADC7980芯片，实现模拟量到数字量的转换，采样速率可达1MSPS，分辨率为16bits。

数字量采集模块使用间歇式采集方法，即每20ms一个采样周期，只在最后1ms打开DI采集使能，连续多次采集并进行数字滤波后作为最终的DI采集结果，在满足系统对DI采样周期的同时可以有效的降低板卡温升，提高板卡寿命的同时降低故障率。

快速故障记录模块通过外挂在FPGA上的NANDFLASH实现，每一条记录数据的时间精度为1ms，每次故障触发可以记录故障时刻前100包数据和故障时刻后50包数据。当FPGA接收到来自DSP算法模块下发的故障触发命令后，将缓存在FPGA内部双口RAM中的100包数据读出并写入FLASH中，然后会将接下来的50包数据写入FLASH。当FPGA接收到来自DSP算法模块下发的故障读取命令后，会将所有的故障数据读出并按着一定的格式显示，为现场调试和售后维护提供数据支撑。

光纤收发模块负责收发光电转换电路处理后的电信号。发送时将并行数据通过并串转换模块转换为串行数据发送出去，接收时通过串并转换模块将接收到的串行数据转换为并行数据后进行进一步的解析校验。为提高光纤收发模块的通信速率，同时减少光纤数量以降低成本，采用异步串行通信，发送和接收分别只有一根光纤线。同时光纤收发模块不需要FPGA高速收发器的支持，使用普通的GPIO即可实现，因此选用普通的FPGA即可，如Xilinx公司的Spartan6系列芯片，可以降低设计成本。

DSP主要负责执行牵引变流系统的控制算法。DSP与FPGA通过双口RAM进行数据交互，DSP读取底层系统反馈的状态和故障信息并执行相应的算法，然后产生下一开关周期所需要的控制命令并写入双口RAM，由FPGA读出命令后通过光纤通信下发到各从控制器。DSP选用TI公司的TMS320系列。

ARM主要负责执行牵引变流器的逻辑功能以及中速故障记录等功能。ARM与FPGA通过双口RAM进行数据交互，ARM读取底层系统反馈的状态和故障信息并执行相应的逻辑，然后产生逻辑相关的命令信息，如模拟量保护使能，IGBT脉冲禁止命令等。ARM还具有中速故障记录的功能，相邻两包故障数据的时间精度为20ms，每次触发故障会记录故障时刻前100包数据和故障时刻后50包数据。中速故障记录功能配合FPGA的快速故障记录功能，可以有效定位现场故障的原因，为现场调试和售后维护提供数据支撑。此外ARM还外挂丰富的外设接口，包括两路以太网接口、NORFLASH接口、EMMC接口、USB接口和RS232接口等，可方便的用于调试或者与外部设备进行通信。

从控制器主要通过高速光纤通信将本单元的状态信息和故障信息上传给主控制器，并接收主控制下发的控制命令从而产生相应的动作。

从控制器不需要执行算法和逻辑运算，不需要DSP和ARM处理器的参与，因此选择单FPGA处理器架构。但是为了降低硬件的开发工作量和维护成本，从控制器选择使用和主控制器一样的硬件板卡，只是在生产时不焊接DSP和ARM芯片以及对应的外围电路以节省成本。

主控器和从控制器的光纤收发模块采用相同的FPGA软件设计，根据用户端对当前设备的主从配置，可以自动选择执行不同的软件分支。从而极大的提高了软硬件的通用性和可维护性。

从控制器FPGA的功能框图如图4所示，主要包括状态信息采集模块、故障保护模块、IGBT驱动和反馈模块以及用于主控制器和从控制器之间进行通信控制的光纤收发模块：

从控制器的FPGA处理器，即上述第二FPGA处理器，通过状态信息采集模块采集本模块单元的电压、电流、温度和数字信号等状态信息，一方面会将状态信息通过光纤收发模块发送到主控制器，另一方故障保护模块会根据主控制器下发的保护使能和保护值对状态信息进行保护。保护结果(故障信息)在上传主控制器的同时，会用来控制IGBT脉冲的发送，一旦发生故障会立刻封脉冲，从而对整个系统进行保护。

其中，将FPGA通过模拟采集电路和数字采集电路直接采集获得的电压、电流、温度、速度和DI状态等叫做状态信息。而根据主控制器ARM逻辑下发的保护值和保护时间来判断采集的状态信息是否存在异常，从而获得的过压、过流故障，温度故障和IGBT反馈故障叫做故障信息。

具体来说，故障保护模块的输入主要包括两部分：一是状态信息采集模块通过AI电路和DI电路采集的电压、电流、温度和数字信息；二是IGBT驱动和反馈模块提供的IGBT反馈状态。从控制器通过光纤收发模块，接收主控制器下发的保护使能和保护值。当保护使能有效，故障保护模块会根据保护值/保护时间来判断上述两部分输入是否存在异常，并将判断结果通过光纤收发模块实时上传给主控制器。同时一旦判断发生故障，会关闭IGBT驱动和反馈电路的脉冲发送使能，从而封锁脉冲，实现对整个系统的快速保护。

实施例二：

在城轨车辆牵引变流系统中，在每个开关采样周期内，主控制器要向各模块单元的从控制器发送调制波控制信息，从控制器将来自主控制器的调制波信号与本地产生的载波信号进行比较，从而产生本模块单元所需要的IGBT驱动信号。但是受上电启动时间和FPGA晶振差异的影响，各从控制器之间没有严格的同步关系。虽然可以控制主控制器同时向各从控制器发送一包数据，但是数据的接收过程需要时间，无法保证各从控制器在同一时刻进入一包数据的接收状态，使得实际的调制波信息到达每个节点的时间不同，因此会产生调制波的延时，从而对整个系统控制产生严重影响。

结合实施例一所揭示的一种车辆牵引变流器控制系统，本实施例揭示了一种应用于上述控制系统的数据传输协议的具体实施示例。

该数据传输协议根据系统对数据的实时性要求，将通信数据分为同步数据、关键数据、非关键数据、属性数据和校验数据。

本发明中该高效数据传输协议每一帧数据包含21个帧单元，每个帧单元包含10bits。帧单元和数据帧格式如图6所示。

具体来说，光纤通信的最小单位为帧单元，一个帧单元Unit包含1个起始位、8个数据位和1个停止位。起始位低电平有效，停止位高电平有效，通信空闲状态为高电平。

如图6所示，一个数据帧Frame包含21个帧单元：

第1个帧单元为同步数据。主控制器根据DSP算法模块下发的开关频率周期值产生本地三角载波信号，然后在本地三角载波的零点产生同步信号，由主控制器下发给各从控制器，实现各模块单元的同步。特别的，为了保证同步信号的实时性，同步数据不参与CRC校验。

第2-9帧单元为关键数据，共64bits。关键数据的数据量较小，但是对通信速率的要求较高。因此本通信协议中规定关键数据一共128bits，分两个数据帧传输完毕。关键数据主要为DSP算法模块下发的调制波信息。

第10-17帧单元为非关键数据，共64bits。非关键数据的数据量大，但是对通信速率的要求相对较低。因此本通信协议中规定非关键数据一共1280bits,分20个数据帧传输完毕。通信数据大部分都是非关键数据，如主控制器下发的保护值、保护时间和控制命令等，从控制器上传的模拟量和数字量采集结果、频率计算结果和故障状态变量等。

第18帧单元为属性数据，其中低5位bit4-bit0为非关键数据的数据帧索引，取值范围为1-20，代表当前数据帧为第几帧非关键数据。高3位bit7-bit5为关键数据的数据帧索引，取值范围为1-2,代表当前数据帧为第几帧关键数据。

第19帧单元为预留数据。

第20-21帧单元为校验数据，本通信协议采用16bitsCRC校验算法，CRC检错能力极强，是数据通信领域中最常用的一种查错校验码，保证了数据通信的可靠性。其中第一帧单元不参与CRC校验，从而保证各从控制器能快速解析出来，实现同步操作。

在上述实施例中，高速光纤通信采用50MHz的波特率。一个帧单元的通信时间大概为T

实施例三：

结合实施例二所揭示的一种数据传输协议，本实施例揭示了一种基于上述数据传输协议的协议同步方法(以下简称“方法”)的具体实施示例。

参照图5所示，所述方法包括：

步骤S1：将主控制器产生的通信数据以数据帧的形式进行传输，每一数据帧以帧单元作为最小通信单元；

步骤S2：主控制器根据开关频率周期值产生本地三角载波信号；

步骤S3：所述主控制器在所述本地三角载波信号下降到距离零点T

步骤S4：当从控制器检测到所述预同步命令后，判断当前数据帧的同步命令是否有效；若当前数据帧的同步命令有效，则对从控制器的三角载波信号进行同步，继续接收当前数据帧剩余的帧单元；若当前数据帧的同步命令无效，则放弃当前数据帧后续帧单元的接收，开始接收下一个数据帧的同步命令。

步骤S4还包括，若当前数据帧的同步命令与下一数据帧的同步命令均未接收到，则继续接收当前数据帧剩余的帧单元。

以下，结合实施例进一步详细说明本发明提出的协议同步方法。

如图8所示，本发明中协议同步方法的具体实施步骤如下。

(1)同步数据包含同步命令和预同步命令两部分内容。主控制器FPGA根据DSP算法模块通过双口RAM下发的开关频率周期值PRD，产生本地三角载波信号。

如图7所示，在三角载波下降过程中，距离零点T

主控制器根据帧单元和数据帧的传输时间，可以灵活配置预同步命令和同步命令在三角载波中的产生位置，即T

(2)从控制器实时接收并解析光纤通信数据。如果检测到预同步命令，则进一步判断当前数据帧的同步命令，如果同步命令有效，则对本模块单元的IGBT驱动和反馈模块的三角载波进行复位操作，

其中，IGBT驱动和反馈模块包含两部分：驱动功能模块和反馈功能模块。驱动功能模块是控制产生PWM控制信号，反馈功能模块是根据IGBT驱动电路反馈的状态来判断当前电路是否存在异常；PWM控制信号的产生主要依赖于三角载波，在分布式控制中想要实现各从控制器的同步即要实现其三角载波的同步，此处是指对从控制器的IGBT驱动和反馈模块产生的三角载波信号进行复位，从而实现各模块单元的同步，保证PWM控制时序的正确性。

如果当前数据帧的同步命令无效，则放弃当前数据帧后续帧单元的接收，直接跳到状态机的开始以等待下一数据帧的接收，其中，状态机由状态寄存器和组合逻辑电路构成，能够根据控制信号按照预先设定的状态进行状态转移，是协调相关信号动作、完成特定操作的控制中心。光纤通信的发送和接收均是通过状态机实现的，此处的“状态机”是指接收过程的状态机。

直接跳到状态机的开始以等待下一数据帧的接收，保证各从控制器能同时收到主控制器下发的同步命令，从而实现各模块单元的严格同步。此外，本发明中还具有同步命令的接收容错机制，当从节点接收到预同步命令后，如果连续两个数据帧未接收到同步命令，则状态机自动向下执行；

具体来说，一个数据帧Frame包含21个帧单元，其中第1个帧单元即为同步数据。如果连续两个数据帧未接收到同步命令，则认为本载波周期的同步失败，为了防止接收过程卡死，则不会继续等待同步信号。导致的结果是该从控制器当前三角载波未进行同步，通常连续一个或者少数几个载波周期同步失败，不会对系统控制造成明显的影响。因此，如果连续两个数据帧未接收到同步命令，则状态机自动向下执行，即继续接收当前数据帧Frame的21个帧单元中后面的关键数据、非关键数据、属性数据和校验数据。从而避免对整个系统的通信产生影响。解决了已有同步方法同步精度不高和同步延时误差积累的问题，具有很好的工程应用价值。

主控制器和从控制器的光纤收发模块采用相同的FPGA软件设计，提高了系统软件的通用性和可维护性。其中主控制器和从控制器的发送模块完全一样，接收模块根据用户端对当前设备的主从配置，可以自动选择执行不同的软件分支，当为主控制器时，依次将所有通信数据接收并解析即可，当为从控制器时，需要根据上述(2)中的描述对预同步命令和同步命令进行分析判断。

综上所述，针对传统的集中式控制结构存在硬件结构复杂、灵活性差、不具备模块化和开发周期长等问题，典型的基于高速光纤环网的分布式控制结构存在单点故障便会导致整个系统死机和环形网络固有延时导致系统同步效果差的问题，本发明提供了一种城轨车辆牵引变流器的分布式控制系统。该系统采用基于光纤通信的星型网络拓扑结构，在实现模块化和分布式控制的同时，提出了一种高效数据传输协议，该传输协议根据系统对数据的实时性要求，将通信数据分为同步数据、关键数据、非关键数据、属性数据和校验数据。通信速率可以满足目前市场上几乎所有相关产品的需求。此外，还提供了一种各模块单元间高性能的协议同步的同步方法，无需额外的同步线，从而减少系统的接线数量。在上述实施例中，该方法采用异步串行光纤通信，光纤收发器选用AFBR-1644Z，通信波特率为50MHz。该协议同步方法在在50MHz通信波特率的条件下，同步精度可以达到20ns，从而保证了各模块单元的严格同步，显著的提高了系统控制性能，具有很好的工程应用价值。

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申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。