專利名稱：一種基于高速串行通訊的控制系統(tǒng)冗余切換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于高速串行通訊的控制系統(tǒng)冗余切換方法。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電力傳動(dòng)與電能質(zhì)量方面的設(shè)備不斷地向大功率與大容量方面發(fā)展，這些設(shè)備的控制系統(tǒng)的性能也要求越來(lái)越高，控制系統(tǒng)的冗余切換以及熱備份有著廣泛的需求和良好的發(fā)展前景。目前普遍的冗余控制系統(tǒng)是在一個(gè)機(jī)箱中插上兩個(gè)相同功能的主控板卡，這種冗余切換具有不便于掉電維護(hù)、易于兩個(gè)主控板卡同時(shí)出現(xiàn)故障的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于高速串行通訊的控制系統(tǒng)冗余切換方法，該冗余切換方法利用高速串行通訊將A、B主控機(jī)箱連接到切換機(jī)箱，實(shí)現(xiàn)A、B主控機(jī)箱的冗余切換， 使得在A主控機(jī)箱出現(xiàn)故障的情況下，系統(tǒng)切換到B主控機(jī)箱，并在B主控機(jī)箱的控制下能繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，并且可以單獨(dú)掉電維護(hù)其中一個(gè)主控機(jī)箱，極大的提高了控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種基于高速串行通訊的控制系統(tǒng)冗余切換方法，以A、B兩個(gè)主控機(jī)箱和切換機(jī)箱為主體，以光纖為傳輸媒介，當(dāng)A主控機(jī)箱或B主控機(jī)箱出現(xiàn)故障，A、B兩個(gè)主控機(jī)箱互為冗余，通過(guò)切換機(jī)箱進(jìn)行冗余切換；為了使得A、B主控機(jī)箱和切換機(jī)箱有嚴(yán)格的控制周期同步，切換機(jī)箱會(huì)產(chǎn)生一個(gè)同步信號(hào)，并分別發(fā)送給A、B主控機(jī)箱，A、B主控機(jī)箱以這個(gè)同步信號(hào)為基準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)控制操作；所述的主控機(jī)箱包括主控板、擴(kuò)展板、背板，主控板處理核心控制算法；擴(kuò)展板是主控機(jī)箱與切換機(jī)箱進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口，擴(kuò)展板上設(shè)有連接切換機(jī)箱的高速激光收發(fā)模塊，背板用于給主控機(jī)箱各板卡供電并用于主控板與擴(kuò)展板之間的數(shù)據(jù)通訊；所述的切換機(jī)箱包括切換板、背板及執(zhí)行單元功能板卡，切換板是該切換機(jī)箱與 A、B主控機(jī)箱進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口，切換板上設(shè)有兩個(gè)高速激光收發(fā)模塊，分別連接A、B主控機(jī)箱的擴(kuò)展板上的高速激光收發(fā)模塊；背板用于給切換機(jī)箱各板卡供電并用于切換板與各功能板卡之間的數(shù)據(jù)通訊；功能板卡是控制系統(tǒng)的執(zhí)行單元，如數(shù)字量輸入輸出，模擬量輸入輸出。所述的主控機(jī)箱擴(kuò)展板包括高速激光收發(fā)模塊、FPGA控制模塊、SerDes模塊、光纖接收模塊，高速激光收發(fā)模塊用于主控機(jī)箱與切換機(jī)箱相互通訊，F(xiàn)PGA控制模塊用于實(shí)現(xiàn)krDes模塊與高速激光收發(fā)模塊的控制邏輯以及讀寫krDes模塊的并行數(shù)據(jù)總線， SerDes模塊與高速激光收發(fā)模塊之間通過(guò)高速差分信號(hào)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸；光纖接收模塊用于接收切換機(jī)箱切換板的控制周期同步信號(hào)，用于保證主控機(jī)箱與切換機(jī)箱在統(tǒng)一的控制周期下工作。
所述的切換機(jī)箱切換板包括兩個(gè)高速激光收發(fā)模塊、FPGA控制模塊、兩個(gè)krDes 模塊、兩個(gè)光纖發(fā)送模塊，兩個(gè)高速激光收發(fā)模塊分別用于切換機(jī)箱與A、B兩個(gè)主控機(jī)箱相互通訊，F(xiàn)PGA控制模塊用于實(shí)現(xiàn)krDes模塊與對(duì)應(yīng)的高速激光收發(fā)模塊的控制邏輯以及讀寫krDes模塊的并行數(shù)據(jù)總線，SerDes模塊與對(duì)應(yīng)的高速激光收發(fā)模塊之間通過(guò)高速差分信號(hào)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸；光纖發(fā)送模塊用于發(fā)送切換機(jī)箱切換板的控制周期同步信號(hào)，用于保證A、B兩個(gè)主控機(jī)箱與切換機(jī)箱在統(tǒng)一的控制周期下工作。所述的以光纖為介質(zhì)的高速串行通訊，還可以是并行數(shù)據(jù)通訊，無(wú)線數(shù)據(jù)通訊或其它電纜為介質(zhì)的串行通訊。所述的實(shí)現(xiàn)冗余切換邏輯的器件以FPGA為例，但不限于FPGA，還可以為CPLD、單片機(jī)、ARM、DSP 禾口 PowerPC。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是該冗余切換方法利用高速串行通訊將A、B主控機(jī)箱連接到切換機(jī)箱，實(shí)現(xiàn)A、B主控機(jī)箱的冗余切換，使得在A主控機(jī)箱出現(xiàn)故障的情況下，系統(tǒng)切換到B主控機(jī)箱，并在B 主控機(jī)箱的控制下能繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，并且可以單獨(dú)掉電維護(hù)其中一個(gè)主控機(jī)箱，極大的提高了控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。


圖1為主控機(jī)箱功能示意圖；圖2為切換機(jī)箱功能示意圖；圖3為主控機(jī)箱擴(kuò)展板功能示意圖；圖4為切換機(jī)箱切換板功能示意圖；圖5為A、B主控機(jī)箱與切換機(jī)箱連接示意圖；圖6為A主控機(jī)箱的運(yùn)行狀態(tài)傳送到B主控機(jī)箱示意圖；圖7為A、B主控機(jī)箱正常時(shí)控制系統(tǒng)執(zhí)行A主控機(jī)箱命令示意圖；圖8為A主控機(jī)箱通訊錯(cuò)誤后控制系統(tǒng)切換到B主控機(jī)箱示意圖。
具體實(shí)施例方式見(jiàn)圖5-圖8，一種基于高速串行通訊的控制系統(tǒng)冗余切換方法，以A、B兩個(gè)主控機(jī)箱和切換機(jī)箱為主體，以光纖為傳輸媒介，當(dāng)A主控機(jī)箱或B主控機(jī)箱出現(xiàn)故障，A、B兩個(gè)主控機(jī)箱互為冗余，通過(guò)切換機(jī)箱進(jìn)行冗余切換；為了使得A、B主控機(jī)箱和切換機(jī)箱有嚴(yán)格的控制周期同步，切換機(jī)箱會(huì)產(chǎn)生一個(gè)同步信號(hào)，并分別發(fā)送給A、B主控機(jī)箱，A、B主控機(jī)箱以這個(gè)同步信號(hào)為基準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)控制操作。見(jiàn)圖1，主控機(jī)箱包括主控板、擴(kuò)展板、背板，主控板處理核心控制算法；擴(kuò)展板是主控機(jī)箱與切換機(jī)箱進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口，擴(kuò)展板上設(shè)有連接切換機(jī)箱的高速激光收發(fā)模塊，背板用于給主控機(jī)箱各板卡供電并用于主控板與擴(kuò)展板之間的數(shù)據(jù)通訊；見(jiàn)圖2，切換機(jī)箱包括切換板、背板及執(zhí)行單元功能板卡，切換板是該切換機(jī)箱與 A、B主控機(jī)箱進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口，切換板上設(shè)有兩個(gè)高速激光收發(fā)模塊，分別連接A、B主控機(jī)箱的擴(kuò)展板上的高速激光收發(fā)模塊；背板用于給切換機(jī)箱各板卡供電并用于切換板與各功能板卡之間的數(shù)據(jù)通訊；功能板卡是控制系統(tǒng)的執(zhí)行單元，如數(shù)字量輸入輸出，模擬量輸入輸出。見(jiàn)圖3，主控機(jī)箱擴(kuò)展板包括高速激光收發(fā)模塊、FPGA控制模塊、SerDes模塊、光纖接收模塊，高速激光收發(fā)模塊用于主控機(jī)箱與切換機(jī)箱相互通訊，F(xiàn)PGA控制模塊用于實(shí)現(xiàn)krDes模塊與高速激光收發(fā)模塊的控制邏輯以及讀寫krDes模塊的并行數(shù)據(jù)總線， SerDes模塊與高速激光收發(fā)模塊之間通過(guò)高速差分信號(hào)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸；光纖接收模塊用于接收切換機(jī)箱切換板的控制周期同步信號(hào)，用于保證主控機(jī)箱與切換機(jī)箱在統(tǒng)一的控制周期下工作。見(jiàn)圖4，切換機(jī)箱切換板包括高速激光收發(fā)模塊0、高速激光收發(fā)模塊1、FPGA控制模塊、SerDes模塊OjerDes模塊1、光纖發(fā)送模塊0、光纖發(fā)送模塊1，高速激光收發(fā)模塊0 用于切換機(jī)箱與A主控機(jī)箱相互通訊，高速激光收發(fā)模塊1用于切換機(jī)箱與B主控機(jī)箱相互通訊；FPGA控制模塊用于實(shí)現(xiàn)SerDes模塊與對(duì)應(yīng)的高速激光收發(fā)模塊的控制邏輯以及讀寫krDes模塊的并行數(shù)據(jù)總線，SerDes模塊與對(duì)應(yīng)的高速激光收發(fā)模塊之間通過(guò)高速差分信號(hào)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸；光纖發(fā)送模塊0、光纖發(fā)送模塊1用于發(fā)送切換機(jī)箱切換板的控制周期同步信號(hào)，用于保證A、B兩個(gè)主控機(jī)箱與切換機(jī)箱在統(tǒng)一的控制周期下工作。所述的冗余切換方法可以是系統(tǒng)故障自動(dòng)切換，也可以是人為主動(dòng)切換。系統(tǒng)故障包括電源故障、主控板卡CPU軟件故障、板卡硬件故障、光纖故障等。所述的高速串行通訊是通過(guò)FPGA控制模塊、SerDes模塊、高速激光收發(fā)模塊和高速光纖這四部分實(shí)現(xiàn)。FPGA用于實(shí)現(xiàn)krDes模塊和高級(jí)激光模塊的控制邏輯，以及讀寫 SerDes模塊的并行數(shù)據(jù)總線ferDes模塊與高速激光收發(fā)模塊之間通過(guò)高速差分信號(hào)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸；A、B主控機(jī)箱與擴(kuò)展機(jī)箱之間的高速激光收發(fā)模塊通過(guò)高速光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。所述的冗余切換是指A、B主控機(jī)箱互為冗余，當(dāng)A主控機(jī)箱出現(xiàn)故障，則控制系統(tǒng)切換到B主控機(jī)箱，并在B主控機(jī)箱的控制下繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)B主控機(jī)箱出現(xiàn)故障，則控制系統(tǒng)切換到A主控機(jī)箱，并在A主控機(jī)箱的控制下繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。切換功能由切換機(jī)箱的切換板來(lái)實(shí)現(xiàn)，A、B主控機(jī)箱在每一個(gè)控制周期都會(huì)給切換板發(fā)送控制信號(hào)、狀態(tài)信息以及其它數(shù)據(jù)，如果控制信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤或者連續(xù)N個(gè)周期控制沒(méi)有數(shù)據(jù)下發(fā)，那么切換機(jī)箱就會(huì)進(jìn)行冗余切換；切換板也可以執(zhí)行A、B主控機(jī)箱發(fā)送的主動(dòng)切換命令。冗余切換控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸分為上行數(shù)據(jù)輸出和下行數(shù)據(jù)傳輸。上行數(shù)據(jù)傳輸是由切換機(jī)箱發(fā)送到主控機(jī)箱，下行數(shù)據(jù)傳輸是由主控機(jī)箱發(fā)送到切換機(jī)箱。冗余切換控制系統(tǒng)的A主控機(jī)箱需要知道B主控機(jī)箱的運(yùn)行狀態(tài)，B主控機(jī)箱需要知道A主控機(jī)箱的運(yùn)行狀態(tài)。A主控機(jī)箱將運(yùn)行狀態(tài)下行傳輸?shù)角袚Q板，切換板再將A主控機(jī)箱運(yùn)行狀態(tài)上行傳輸?shù)紹主控機(jī)箱；B主控機(jī)箱用同樣的方式將運(yùn)行狀態(tài)傳到A主控機(jī)箱。A、B主控機(jī)箱在每個(gè)控制周期都會(huì)將控制信號(hào)等數(shù)據(jù)下行傳輸?shù)角袚Q板，再由切換板選取A或B主控機(jī)箱的數(shù)據(jù)發(fā)送給各個(gè)執(zhí)行單元；每個(gè)控制周期，執(zhí)行單元會(huì)將系統(tǒng)狀態(tài)等信息返回到切換板， 切換板將這些信息分別返回到A、B主控機(jī)箱，A、B主控機(jī)箱即會(huì)收到同樣的系統(tǒng)狀態(tài)等信息并進(jìn)行處理。冗余切換控制系統(tǒng)是在嚴(yán)格的系統(tǒng)控制周期下工作的，為了使得A、B主控機(jī)箱和切換機(jī)箱有嚴(yán)格的控制周期同步，切換機(jī)箱會(huì)產(chǎn)生一個(gè)同步信號(hào)，并分別發(fā)送給A、B主控機(jī)箱，A、B主控機(jī)箱以這個(gè)同步信號(hào)為基準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)控制操作。
本實(shí)施例冗余控制系統(tǒng)以光纖為介質(zhì)的高速串行通訊為例，但不限于以光纖為介質(zhì)的高速串行通訊，它包括并行數(shù)據(jù)通訊，無(wú)線數(shù)據(jù)通訊以及電纜為介質(zhì)的串行通訊。本實(shí)施例冗余切換控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冗余切換邏輯的器件以FPGA為例，但不限于 FPGA，還可以為0 0)、單片機(jī)、六冊(cè)、05 和PowerPC。
權(quán)利要求
1.一種基于高速串行通訊的控制系統(tǒng)冗余切換方法，其特征在于，以A、B兩個(gè)主控機(jī)箱和切換機(jī)箱為主體，以光纖為傳輸媒介，當(dāng)A主控機(jī)箱或B主控機(jī)箱出現(xiàn)故障，A、B兩個(gè)主控機(jī)箱互為冗余，通過(guò)切換機(jī)箱進(jìn)行冗余切換；為了使得A、B主控機(jī)箱和切換機(jī)箱有嚴(yán)格的控制周期同步，切換機(jī)箱會(huì)產(chǎn)生一個(gè)同步信號(hào)，并分別發(fā)送給A、B主控機(jī)箱，A、B主控機(jī)箱以這個(gè)同步信號(hào)為基準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)控制操作；所述的主控機(jī)箱包括主控板、擴(kuò)展板、背板，主控板處理核心控制算法；擴(kuò)展板是主控機(jī)箱與切換機(jī)箱進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口，擴(kuò)展板上設(shè)有連接切換機(jī)箱的高速激光收發(fā)模塊， 背板用于給主控機(jī)箱各板卡供電并用于主控板與擴(kuò)展板之間的數(shù)據(jù)通訊；所述的切換機(jī)箱包括切換板、背板及執(zhí)行單元功能板卡，切換板是該切換機(jī)箱與A、B 主控機(jī)箱進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口，切換板上設(shè)有兩個(gè)高速激光收發(fā)模塊，分別連接A、B主控機(jī)箱的擴(kuò)展板上的高速激光收發(fā)模塊；背板用于給切換機(jī)箱各板卡供電并用于切換板與各功能板卡之間的數(shù)據(jù)通訊；功能板卡是控制系統(tǒng)的執(zhí)行單元，如數(shù)字量輸入輸出，模擬量輸入輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于高速串行通訊的控制系統(tǒng)冗余切換方法，其特征在于，所述的主控機(jī)箱擴(kuò)展板包括高速激光收發(fā)模塊、FPGA控制模塊、SerDes模塊、光纖接收模塊，高速激光收發(fā)模塊用于主控機(jī)箱與切換機(jī)箱相互通訊，F(xiàn)PGA控制模塊用于實(shí)現(xiàn)krDes模塊與高速激光收發(fā)模塊的控制邏輯以及讀寫krDes模塊的并行數(shù)據(jù)總線， SerDes模塊與高速激光收發(fā)模塊之間通過(guò)高速差分信號(hào)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸；光纖接收模塊用于接收切換機(jī)箱切換板的控制周期同步信號(hào)，用于保證主控機(jī)箱與切換機(jī)箱在統(tǒng)一的控制周期下工作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于高速串行通訊的控制系統(tǒng)冗余切換方法，其特征在于，所述的切換機(jī)箱切換板包括兩個(gè)高速激光收發(fā)模塊、FPGA控制模塊、兩個(gè)krDes模塊、 兩個(gè)光纖發(fā)送模塊，兩個(gè)高速激光收發(fā)模塊分別用于切換機(jī)箱與A、B兩個(gè)主控機(jī)箱相互通訊，F(xiàn)PGA控制模塊用于實(shí)現(xiàn)krDes模塊與對(duì)應(yīng)的高速激光收發(fā)模塊的控制邏輯以及讀寫 SerDes模塊的并行數(shù)據(jù)總線，SerDes模塊與對(duì)應(yīng)的高速激光收發(fā)模塊之間通過(guò)高速差分信號(hào)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸；光纖發(fā)送模塊用于發(fā)送切換機(jī)箱切換板的控制周期同步信號(hào)，用于保證A、B兩個(gè)主控機(jī)箱與切換機(jī)箱在統(tǒng)一的控制周期下工作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于高速串行通訊的控制系統(tǒng)冗余切換方法，其特征在于，所述的以光纖為介質(zhì)的高速串行通訊，還可以是并行數(shù)據(jù)通訊，無(wú)線數(shù)據(jù)通訊或其它電纜為介質(zhì)的串行通訊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于高速串行通訊的控制系統(tǒng)冗余切換方法，其特征在于，所述的實(shí)現(xiàn)冗余切換邏輯的器件以FPGA為例，但不限于FPGA，還可以為CPLD、單片機(jī)、 ARM、DSP 禾口 PowerPC。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于高速串行通訊的控制系統(tǒng)冗余切換方法，以A、B兩個(gè)主控機(jī)箱和切換機(jī)箱為主體，以光纖為傳輸媒介，當(dāng)A主控機(jī)箱或B主控機(jī)箱出現(xiàn)故障，A、B兩個(gè)主控機(jī)箱互為冗余，通過(guò)切換機(jī)箱進(jìn)行冗余切換；為了使得A、B主控機(jī)箱和切換機(jī)箱有嚴(yán)格的控制周期同步，切換機(jī)箱會(huì)產(chǎn)生一個(gè)同步信號(hào)，并分別發(fā)送給A、B主控機(jī)箱，A、B主控機(jī)箱以這個(gè)同步信號(hào)為基準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)控制操作。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是在一個(gè)主控機(jī)箱出現(xiàn)故障的情況下，系統(tǒng)切換到另一個(gè)主控機(jī)箱，并在工作狀態(tài)主控機(jī)箱的控制下能繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，并且可以單獨(dú)掉電維護(hù)其中一個(gè)主控機(jī)箱，極大的提高了控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)G06F11/16GK102279780SQ20111017660
公開(kāi)日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月28日
發(fā)明者何師, 呂文菁, 張其生, 張海濤, 李曠, 王劍, 秦健 申請(qǐng)人:北京榮信慧科科技有限公司