一種可動態(tài)編程的信號檢測電路及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可動態(tài)編程的信號檢測電路及方法，該信號檢測電路包括：智能控制器，根據(jù)運行狀態(tài)或信號特性動態(tài)生成微控指令；可編程處理器，獨立運行于智能控制器，根據(jù)微控指令對輸入信號進(jìn)行檢測后輸出給智能控制器來進(jìn)行處理。本發(fā)明可以提高信號輸入處理檢測的速度，并且具有可動態(tài)升級的巨大靈活性。
【專利說明】
一種可動態(tài)編程的信號檢測電路及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種可動態(tài)編程的信號檢測電路及方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電力系統(tǒng)裝置中的智能控制器，一般由單片機(jī)作為控制核心，通過在其上運行的 控制軟件對系統(tǒng)裝置中的電能設(shè)備進(jìn)行智能化控制。電力系統(tǒng)的信號輸入是多種多樣的， 中間包括前置采樣系統(tǒng)或者需要電磁隔離的高壓輸出設(shè)備反饋。這些信號的輸入都需要進(jìn) 行模式匹配的檢測來判斷采樣系統(tǒng)的信號輸入或者輸出系統(tǒng)的反饋信息是否正常。
[0003] 由于信號判讀的邏輯靈活多變，甚至?xí)S著系統(tǒng)裝置工作狀態(tài)的改變而改變，所 以已有的設(shè)計中信號判讀的邏輯大多使用控制芯片上的軟件程序?qū)崿F(xiàn)。這種做法的弊端一 是占用控制芯片的計算時間、計算資源，妨礙智能控制算法的復(fù)雜實現(xiàn);二是影響信號的響 應(yīng)速度，尤其是當(dāng)信號報告故障需要緊急處理的情況下，軟件程序由于其計算判讀和控制 任務(wù)的物理單線程特性，會產(chǎn)生非?？捎^的時間延遲，嚴(yán)重的情況下甚至?xí)诱`緊急信號 的及時處理。
[0004] 為了提高響應(yīng)速度，一部分的設(shè)計中采用FPGA硬件輔助實現(xiàn)。FPGA器件由于其獨 特的硬件編程能力，能夠在響應(yīng)速度和可編程靈活性之間尋找更加合理的平衡點，越來越 多的引入到智能控制裝置的設(shè)計中。但是以往的硬件檢測方法中，部署到FPGA上的檢測電 路對信號進(jìn)行模式檢測是預(yù)先設(shè)定的，缺乏動態(tài)編程的靈活控制，限制了FPGA器件能力的 充分發(fā)揮。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決以上問題，本發(fā)明提供了一種可動態(tài)編程的信號檢測電路及方法，用于提 高信號輸入處理檢測的速度。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種可動態(tài)編程的信號檢測電路，包括：
[0007] 智能控制器，根據(jù)運行狀態(tài)或信號特性動態(tài)生成微控指令；
[0008] 可編程處理器，獨立運行于所述智能控制器，根據(jù)所述微控指令對輸入信號進(jìn)行 檢測后輸出給所述智能控制器來進(jìn)行處理。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述可編程處理器為FPGA或CPLD。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述可編程處理器根據(jù)信號并發(fā)程度部署等量分布式 超細(xì)粒度處理單元，所述智能控制器將所述微控指令下發(fā)到對應(yīng)的超細(xì)粒度處理單元上執(zhí) 行。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述超細(xì)粒度處理單元包括：
[0012] 信號鎖存模塊，用于存儲待檢測信號；
[0013] 指令存儲模塊，用于存儲微控指令；
[0014] 狀態(tài)緩存模塊，用于存儲超細(xì)粒度處理單元的運行狀態(tài)信息；
[0015] 指令執(zhí)行模塊，根據(jù)當(dāng)前輸入的待檢測信號和超細(xì)粒度處理單元的運行狀態(tài)信 息，調(diào)取微控指令并運算得到新的目標(biāo)狀態(tài)和輸出信號，其中，新的目標(biāo)狀態(tài)用于對狀態(tài)緩 存模塊的運行狀態(tài)進(jìn)行更新；
[0016] 輸出控制模塊，用于控制輸出信號。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述信號檢測電路還包括設(shè)置于所述智能控制器和所 述狀態(tài)緩存模塊之間的控制接口，用以使所述智能控制器查詢及控制所述可編程處理器的 運行狀態(tài)信息。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述信號檢測電路還包括設(shè)置于所述智能控制器和所 述指令存儲模塊之間的指令部署接口，用以使所述智能控制器實現(xiàn)微控指令的設(shè)置及查 詢。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述超細(xì)粒度處理單元以并行方式工作。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述可編程處理器部署在信號輸入模塊上。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，多個所述超細(xì)粒度處理單元與所述智能控制器以總線 方式連接。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種可動態(tài)編程的信號檢測方法，包括：
[0023] 智能控制器根據(jù)裝置運行狀態(tài)或信號特性動態(tài)生成微控指令；
[0024]可編程處理器存儲生成的微控指令并更新微控指令存儲地址；
[0025]可編程處理器根據(jù)待檢測輸入信號、當(dāng)前可編程處理器運行狀態(tài)以及微控指令進(jìn) 行數(shù)學(xué)運算，得到新的運行狀態(tài)值和輸出信號；
[0026] 可編程處理器根據(jù)新的運行狀態(tài)值，更新可編程處理器運行狀態(tài)。
[0027]本發(fā)明的有益效果：
[0028] 本發(fā)明利用可編程處理器件的運算能力，通過設(shè)置控制微指令寄存器的方式驅(qū)動 超細(xì)粒度信號處理單元，進(jìn)行信號模式檢測，由于具有并行性和可編程性，可以提高信號輸 入處理檢測的速度，并且具有可動態(tài)升級的巨大靈活性。
[0029] 本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變 得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在說明書、權(quán)利 要求書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。
【附圖說明】
[0030] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要的 附圖做簡單的介紹：
[0031] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的分布式超細(xì)粒度處理單元的系統(tǒng)架構(gòu)示意圖；
[0032] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的將FPGA設(shè)置于信號采集裝置上的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的超細(xì)粒度處理單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的可動態(tài)編程的信號檢測方法流程圖。
【具體實施方式】
[0035] 以下將結(jié)合附圖及實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明的實施方式，借此對本發(fā)明如何應(yīng)用 技術(shù)手段來解決技術(shù)問題，并達(dá)成技術(shù)效果的實現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)以實施。需要說明 的是，只要不構(gòu)成沖突，本發(fā)明中的各個實施例以及各實施例中的各個特征可以相互結(jié)合， 所形成的技術(shù)方案均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0036] 該信號檢測電路包括智能控制器及與該智能控制器連接的可編程處理器。其中， 智能控制器根據(jù)裝置運行狀態(tài)或信號特性動態(tài)生成微控指令;可編程處理器獨立運行于智 能控制器，根據(jù)微控指令對輸入信號進(jìn)行檢測后輸出給智能控制器來進(jìn)行處理。
[0037] 在該信號檢測電路中，裝置在不同的運行狀態(tài)下，需要對來源信號進(jìn)行處理的邏 輯就會不同，則需要智能控制器根據(jù)運行狀態(tài)或信號特性動態(tài)地生成微控指令。而可編程 處理器需要根據(jù)智能控制器輸出的動態(tài)變化的微控指令進(jìn)行信號檢測。這樣，就將信號模 式檢測的邏輯移植到可編程處理器中，以獨立運行的硬件計算方式進(jìn)行，可以顯著節(jié)省智 能控制器以軟件方式檢測信號的計算資源，提升智能控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，進(jìn)而提升整個 控制裝置的可靠性，避免了預(yù)先設(shè)定信號模式檢測方式缺乏動態(tài)編程靈活性的問題。
[0038] 信號檢測部分可動態(tài)編程，在運行速度提高的同時，使得信號處理系統(tǒng)具備強(qiáng)大 的靈活性。當(dāng)信號處理邏輯改變或者升級的時候，可以通過動態(tài)的部署處理邏輯完成，使得 系統(tǒng)的可維護(hù)性可升級性得到改善。
[0039]智能控制器一般為單片機(jī)、DSP等數(shù)據(jù)處理器，可編程處理器為FPGA、CPLD等可編 程邏輯處理器，本發(fā)明以DSP和FPGA為例進(jìn)行說明，但不限于此。
[0040] 在本發(fā)明的一個實施例中，可編程處理器根據(jù)信號并發(fā)程度部署等量分布式超細(xì) 粒度處理單元，智能控制器將微控指令下發(fā)到對應(yīng)的超細(xì)粒度處理單元上執(zhí)行。超細(xì)粒度 的名稱一方面來自于處理單元的規(guī)模，另一方面來自處理單元的數(shù)量。只要數(shù)量足夠多，單 個單元的規(guī)模足夠小，就可以稱之為超細(xì)粒度。
[0041] 如圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的分布式超細(xì)粒度處理單元的系統(tǒng)架構(gòu)示 意圖。該可編程控制器上設(shè)置有多個分布式超細(xì)粒度處理單元，每個超細(xì)粒度處理單元通 過調(diào)取信號處理指令，來對信號進(jìn)行檢測處理，檢測到信號滿足門限要求時輸出。
[0042] 并發(fā)程度取決于需要同步處理的信號規(guī)模決定，在FPGA代碼編譯的過程中就可以 確定并發(fā)規(guī)模。超細(xì)粒度處理單元及多個可編程處理器上的超細(xì)粒度處理單元之間沒有相 互依賴關(guān)系，可以并發(fā)的處理多路信號。因此，可以在一個FPGA上部署多個超細(xì)粒度處理單 元，如圖1所示。
[0043] FPGA器件由于其獨特的硬件結(jié)構(gòu)及編程能力，可以根據(jù)信號的并發(fā)程度，部署多 個分布式超細(xì)粒度信號處理單元來進(jìn)行信號檢測。超細(xì)粒度信號處理單元的數(shù)量與需要同 時處理的信號來源數(shù)量相等，各超細(xì)粒度信號處理單元通過總線方式與智能控制器通信， 以并行的方式對多個信號來源進(jìn)行模式檢測。多路信號并發(fā)機(jī)制，可以使得系統(tǒng)處理速度 得到顯著提升。
[0044]在超細(xì)粒度信號處理單元進(jìn)行信號檢測時，需要智能控制器DSP提供的與當(dāng)前裝 置運行狀態(tài)或來源信號特性匹配的微控指令。該微控指令通過動態(tài)編程方式，基于信號檢 測/處理邏輯編寫成對應(yīng)的信號處理微指令，下發(fā)部署到并行超細(xì)粒度信號處理單元上執(zhí) 行。信號檢測時可動態(tài)編程，在運行速度提高的同時，使得信號處理系統(tǒng)具備強(qiáng)大的靈活 性。當(dāng)信號處理邏輯改變或者升級的時候，可以通過動態(tài)的部署處理邏輯完成，從而使得系 統(tǒng)的可維護(hù)性、可升級性得到改善。
[0045]由于同一路信號在裝置的不同運行狀態(tài)下，會具有不同的模式或者監(jiān)測處理邏 輯。不同信號之間不存在相關(guān)性，同樣有可能呈現(xiàn)不同的模式和處理邏輯。因此，需要智能 控制器可以根據(jù)具體情況實現(xiàn)動態(tài)編程，生成實時動態(tài)微指令。動態(tài)微指令的調(diào)整過程由 DSP發(fā)起，通過數(shù)據(jù)總線在處理單元的指令存儲區(qū)寫入對應(yīng)的微指令代碼，就可以完成微指 令的動態(tài)控制。微指令攜帶的更新以后的處理邏輯，會在代碼片段部署的同時更新。DSP上 運行的主控程序?qū)⑽⒅噶畲a片段部署到超細(xì)粒度處理單元的指令存儲區(qū)間，即可完成處 理單元的實時編程。
[0046] 由于信號檢測之后才進(jìn)入智能控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，所以需要將超細(xì)粒度信號處 理單元設(shè)置于智能控制器的前端。具體的，可以將設(shè)置超細(xì)粒度信號處理單元的FPGA器件 部署在信號輸入模塊上。如圖2所示，可將FPGA設(shè)置在輸入采集裝置(輸入模塊)上，待處理 的信號通過采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換，或者通信器件進(jìn)入到數(shù)據(jù)采集模塊以后，先經(jīng)過FPGA器件的緩 存和處理以后，利用專用接口與DSP完成通信，將信號及其檢測結(jié)果傳遞給DSP進(jìn)行進(jìn)一步 的邏輯處理
[0047] 在本發(fā)明的一個實施例中，該超細(xì)粒度微處理單元進(jìn)一步包括信號鎖存模塊、狀 態(tài)緩存模塊、指令存儲模塊、指令執(zhí)行模塊和輸出控制模塊。其中，信號鎖存模塊用于存儲 待檢測信號；指令存儲模塊用于存儲微處理指令;狀態(tài)緩存模塊用于存儲超細(xì)粒度微處理 單元的運行狀態(tài)信息;指令執(zhí)行模塊根據(jù)當(dāng)前輸入的待檢測信號和超細(xì)粒度微處理單元的 運行狀態(tài)信息，調(diào)取微處理指令并運算得到新的目標(biāo)狀態(tài)和輸出信號，其中，新的目標(biāo)狀態(tài) 用于對狀態(tài)緩存模塊的運行狀態(tài)進(jìn)行更新;輸出控制模塊用于控制輸出信號。
[0048]如圖3所示，超細(xì)粒度處理單元的邏輯流程從信號的輸入鎖存開始。待檢測信號進(jìn) 入信號鎖存模塊，處理單元的狀態(tài)和控制模塊根據(jù)當(dāng)前的信號處理狀態(tài)，從指令存儲模塊 中取出對應(yīng)的處理指令，發(fā)送到指令執(zhí)行模塊。指令執(zhí)行模塊根據(jù)當(dāng)前的信號輸入、處理單 元狀態(tài)字以及當(dāng)前需要執(zhí)行的指令，運算得到新的目標(biāo)狀態(tài)以及輸出信號。新的目標(biāo)狀態(tài) 發(fā)送到處理單元的狀態(tài)模塊對當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行更新;而輸出信號經(jīng)過輸出使能控制以后， 上行傳送到DSP進(jìn)行高級別的控制。
[0049] 在本發(fā)明的一個實施例中，信號檢測電路還包括設(shè)置于智能控制器和狀態(tài)緩存模 塊之間的控制接口，用以使智能控制器查詢及控制可編程處理器的行狀態(tài)信息。如圖3所 示，數(shù)據(jù)處理器DSP控制接口建立DSP與處理單元狀態(tài)存儲模塊的通信鏈路，使DSP能夠?qū)μ?理單元的狀態(tài)進(jìn)行查詢和控制。
[0050] 在本發(fā)明的一個實施例中，信號檢測電路還包括設(shè)置于智能控制器和指令存儲模 塊之間的指令部署接口，用以使智能控制器實現(xiàn)微控指令的設(shè)置及查詢。指令部署接口建 立DSP與處理單元指令存儲模塊的通信鏈路，使得DSP能夠完成處理微指令的設(shè)置和查詢。
[0051] 根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種可動態(tài)編程的信號檢測方法，該檢測過 程采用了傳統(tǒng)的馮氏微處理器執(zhí)行過程，每個時鐘節(jié)拍到來時需要完成的動作，具體包括 如圖4所示的幾個步驟。首先，在步驟SllO中，智能控制器根據(jù)裝置運行狀態(tài)或信號特性動 態(tài)生成微控指令。接著，在步驟S120中，可編程處理器存儲生成的微控指令并更新微控指令 存儲地址。接著，在步驟Sl30中，可編程處理器根據(jù)待檢測輸入信號、當(dāng)前可編程處理器運 行狀態(tài)以及微控指令進(jìn)行數(shù)學(xué)運算，得到新的運行狀態(tài)值和輸出信號。最后，在步驟S140 中，可編程處理器根據(jù)新的運行狀態(tài)值，更新可編程處理器運行狀態(tài)。
[0052]超細(xì)粒度處理單元與智能控制器DSP通信模塊的驅(qū)動在DSP程序控制過程中映射 為一組寄存器的讀寫操作。以某型號信號處理單元的寄存器映射為例，每一個信號處理單 元的地址映射如下表1所示：
[0053]表 1
L0055J 本發(fā)明利用可編程處理器件的運算能力，通過設(shè)置控制微指令寄存器的方式驅(qū)動 超細(xì)粒度信號處理單元，進(jìn)行信號模式檢測，由于具有并行性和可編程性，可以提高信號輸 入處理檢測的速度，并且具有可動態(tài)升級的巨大靈活性。
[0056]雖然本發(fā)明所公開的實施方式如上，但所述的內(nèi)容只是為了便于理解本發(fā)明而采 用的實施方式，并非用以限定本發(fā)明。任何本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員，在不脫離本 發(fā)明所公開的精神和范圍的前提下，可以在實施的形式上及細(xì)節(jié)上作任何的修改與變化， 但本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，仍須以所附的權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項】
1. 一種可動態(tài)編程的信號檢測電路，包括： 智能控制器，根據(jù)運行狀態(tài)或信號特性動態(tài)生成微控指令； 可編程處理器，獨立運行于所述智能控制器，根據(jù)所述微控指令對輸入信號進(jìn)行檢測 后輸出給所述智能控制器來進(jìn)行處理。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的信號檢測電路，其特征在于，所述可編程處理器為FPGA或 CPLD〇3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的信號檢測電路，其特征在于，所述可編程處理器根據(jù)信號 并發(fā)程度部署等量分布式超細(xì)粒度處理單元，所述智能控制器將所述微控指令下發(fā)到對應(yīng) 的超細(xì)粒度處理單元上執(zhí)行。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的信號檢測電路，其特征在于，所述超細(xì)粒度處理單元包括： 信號鎖存模塊，用于存儲待檢測信號； 指令存儲模塊，用于存儲微控指令； 狀態(tài)緩存模塊，用于存儲超細(xì)粒度處理單元的運行狀態(tài)信息； 指令執(zhí)行模塊，根據(jù)當(dāng)前輸入的待檢測信號和超細(xì)粒度處理單元的運行狀態(tài)信息，調(diào) 取微控指令并運算得到新的目標(biāo)狀態(tài)和輸出信號，其中，新的目標(biāo)狀態(tài)用于對狀態(tài)緩存模 塊的運行狀態(tài)進(jìn)行更新； 輸出控制模塊，用于控制輸出信號。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的信號檢測電路，其特征在于，所述信號檢測電路還包括設(shè)置于 所述智能控制器和所述狀態(tài)緩存模塊之間的控制接口，用以使所述智能控制器查詢及控制 所述可編程處理器的運行狀態(tài)信息。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的信號檢測電路，其特征在于，所述信號檢測電路還包括設(shè)置于 所述智能控制器和所述指令存儲模塊之間的指令部署接口，用以使所述智能控制器實現(xiàn)微 控指令的設(shè)置及查詢。7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的信號檢測電路，其特征在于，所述超細(xì)粒度處理單 元以并行方式工作。8. 根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的信號檢測電路，其特征在于，所述可編程處理器部 署在信號輸入模塊上。9. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的信號檢測電路，其特征在于，多個所述超細(xì)粒度處理單元與所 述智能控制器以總線方式連接。10. -種可動態(tài)編程的信號檢測方法，包括： 智能控制器根據(jù)裝置運行狀態(tài)或信號特性動態(tài)生成微控指令； 可編程處理器存儲生成的微控指令并更新微控指令存儲地址； 可編程處理器根據(jù)待檢測輸入信號、當(dāng)前可編程處理器運行狀態(tài)以及微控指令進(jìn)行數(shù) 學(xué)運算，得到新的運行狀態(tài)值和輸出信號； 可編程處理器根據(jù)新的運行狀態(tài)值，更新可編程處理器運行狀態(tài)。
【文檔編號】G05B19/042GK105843120SQ201610211037
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月6日
【發(fā)明人】曹軍威, 袁仲達(dá), 張少杰
【申請人】清華大學(xué)