[发明专利]过程层设备FPGA和CPU通信的装置及过程层设备

说明书

本发明提供了过程层设备FPGA和CPU通信的装置及过程层设备，FPGA端设置有RGMII接口，CPU端采用以太网控制器，以太网控制器与FPGA通过RGMII接口连接，CPU和FPGA之间采用RGMII接口通信，不需要其他物理层器件，减少了通信中间环节，简化了硬件设计。CPU端以太网控制器采用分队列的方式接收报文，不同队列之间互不影响，降低了CPU负荷，且具有抗网络风暴的能力。以太网控制器采用DMA方式传输数据，不需要CPU参与数据搬运，降低了CPU负荷。以太网控制器通信带宽设定为1Gbps，带宽比local bus有提升；采用全双工模式通信，比local bus半双工模式效率高。

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，特别涉及过程层设备FPGA和CPU通信的装置及过程层设备。

背景技术

近几年，智能变电站大行其道，根据IEC61850标准，智能化变电站通信体系分为三层：站控层、间隔层和过程层。智能化变电站相对于传统变电站最大的革新在于增加了过程层设备和过程层网络。过程层网络指连接过程层设备与间隔层设备的光纤通信网络，过程层设备主要包括智能终端与合并单元，间隔层设备主要指各种保护测控设备，例如线路保护与测控、主变保护与测控、分段保护与测控、母线保护等。

过程层网络按照功能可以划分为GOOSE网和SV网，GOOSE网传递GOOSE报文(Generic Object Oriented Substation Event，面向通电对象的变电站事件)，SV网传递SV报文(Sample Value，采样值)。GOOSE网和SV网必须具备高实时性和高可靠性，因为GOOSE报文及SV报文的延迟、错误、丢失都可能造成保护的误动或拒动，最终导致一次设备的损坏，影响供电系统的稳定性。

因此，过程层设备作为智能变电站的一部分，对实时性要求很高，目前过程层设备大部分采用FPGA元件控制数据输入输出，严格控制时间指标，SV报文输出经过FPGA控制后，报文间隔误差可以控制到ns级别。另外，过程层设备数据吞吐量很大(智能终端除外)，网络负荷不稳定，既要接收和发送模拟量采样数据，又要接收和发送GOOSE报文，还要控制硬开入开出，以及抗网络风暴(GOOSE报文具有突发性，报文数量时多时少)，数据峰值通常会大于100Mbps。几乎所有的输入输出数据都要经过CPU和FPGA，因此CPU和FPGA之间的通道形成了数据主干道。以前通常采用local bus总线通信，过程层装置中CPU的local bus总线实际传输带宽可以设置到百兆级别，然而local bus有以下致命的缺点：不能采用DMA模式传输数据，非常消耗CPU资源，CPU接收数据后还要处理这些数据，在性能上常常捉襟见肘；另外localbus是半双工模式，收发不能同时进行，影响通信效率。

发明内容

本发明的目的在于提供过程层设备FPGA和CPU通信的装置及过程层设备，用于解决现有技术中过程层设备通信时消耗CPU资源及通信效率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种过程层设备FPGA和CPU通信的装置，包括用于设置在FPGA上的RGMII接口，用于设置在CPU内的以太网控制器，所述以太网控制器与FPGA通过所述RGMII接口进行通信。

为了解决CPU负荷大的问题，所述以太网控制器设置了至少三个存储队列，分别用于存放模拟量数据报文、GOOSE数据报文及硬开入数据。CPU端以太网控制器采用分队列的方式接收报文，省去了CPU解析报文和分类报文的流程，降低了CPU负荷，且具有抗网络风暴的能力。

为了进一步解决CPU负荷大的问题，所述以太网控制器采用直接内存存取方式接收或发送报文。以太网控制器采用直接内存存取方式传输数据，不需要CPU参与数据搬运，降低了CPU负荷。

设置GOOSE数据报文队列能够接收报文的个数，当GOOSE数据报文队列超过队列设置的能够接收报文的个数时，能通过GOOSE数据报文队列溢出报文来降低CPU需要处理的报文量。其中一个队列报文溢出不会影响其他队列接收报文。