專利名稱：電力專用千兆b碼時(shí)戳卡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于PCIe接口的電力專用千兆B碼時(shí)戳卡。
背景技術(shù)：
隨著計(jì)算機(jī)的普及和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)帶寬飛速增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)上的安全需求也在 不斷增加。目前網(wǎng)絡(luò)帶寬已經(jīng)達(dá)到了千兆甚至萬(wàn)兆，傳統(tǒng)的報(bào)文捕獲平臺(tái)已經(jīng)無(wú)法滿 足高速網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文捕獲需求，因而研究高流量、高負(fù)載情況下的報(bào)文捕獲技術(shù)，為路由 器、防火墻、入侵檢測(cè)等系統(tǒng)提供可靠的報(bào)文捕獲前端是一個(gè)重要而有意義的研究課 題。導(dǎo)致傳統(tǒng)報(bào)文捕獲平臺(tái)無(wú)法適應(yīng)高速網(wǎng)絡(luò)捕包需要的原因主要有三點(diǎn)第一是 內(nèi)核對(duì)報(bào)文多次的數(shù)據(jù)拷貝及協(xié)議棧對(duì)報(bào)文冗余的處理；第二是頻繁的產(chǎn)生并響應(yīng)中 斷；第三是多次的系統(tǒng)調(diào)用及用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)之間的上下文切換。因此，目前國(guó)內(nèi)外對(duì) 于千兆小包網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)捕獲基本是采用硬件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，從而在提高系統(tǒng)的吞吐量前提下 降低計(jì)算機(jī)主機(jī)的CPU占用率。但是以上的千兆網(wǎng)絡(luò)報(bào)文捕獲卡在數(shù)字化變電站中使用 存在如下問(wèn)題(1)不能接收符合《電力系統(tǒng)對(duì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)DLT 1100-1》的IRIG-B碼的精確 時(shí)間，并在網(wǎng)絡(luò)MAC層每個(gè)報(bào)文中加蓋精確時(shí)間戳，從而對(duì)數(shù)字化變電站的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的 時(shí)序無(wú)法進(jìn)行精準(zhǔn)分辨；(2)不能對(duì)符合IEC61850《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)系列標(biāo)準(zhǔn)》 的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文進(jìn)行分類和分析，從而增加計(jì)算機(jī)主機(jī)的CPU負(fù)荷率，影響主機(jī)程序的運(yùn)行 效率。數(shù)字化變電站的一個(gè)重要特征是用數(shù)字傳輸技術(shù)(光纖以太網(wǎng))替代了常規(guī)變電 站中沿用多年的二次電纜，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和設(shè)備的互操作性提供了必要的技術(shù)基礎(chǔ)， 這一重大變革將對(duì)未來(lái)變電站中二次設(shè)備的形態(tài)、設(shè)備調(diào)試流程、變電站檢修和運(yùn)行規(guī) 范等各個(gè)方面都將產(chǎn)生深刻的影響。在電網(wǎng)故障、自動(dòng)化系統(tǒng)異常時(shí)，如何重新顯示當(dāng) 時(shí)二次系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的全過(guò)程，如何分析自動(dòng)化系統(tǒng)是否正常，如何輔助系統(tǒng)維護(hù)人員 準(zhǔn)確定位故障原因，已經(jīng)成為IEC61850數(shù)字化變電站迫切需要解決的問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外的數(shù)字化變電站通訊在線監(jiān)視分析系統(tǒng)可對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)進(jìn)行在 線監(jiān)視，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊故障及隱患進(jìn)行告警，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)并排查故障，同時(shí) 能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)通訊信息進(jìn)行無(wú)損失全記錄，以便于重現(xiàn)通訊過(guò)程及故障。但是，該類在 線監(jiān)視分析系統(tǒng)中數(shù)字化變電站報(bào)文捕獲存在如下問(wèn)題(1)只能提供百兆網(wǎng)絡(luò)報(bào)文捕 獲，且百兆64字節(jié)網(wǎng)絡(luò)小包流量只能達(dá)到滿負(fù)荷的80%，無(wú)法滿足變電站事故時(shí)的大數(shù) 據(jù)流量的沖擊，對(duì)數(shù)字化變電站的千兆數(shù)據(jù)通信環(huán)境也無(wú)法滿足要求；(2)不能提供光 纖接口與數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)連接，而需要采用電接口方式與數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)連接，增 加了安全風(fēng)險(xiǎn)，并且需要配置光電轉(zhuǎn)換模塊，增加了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處而提供一種電力專用千兆B碼時(shí)戳卡，它配備有高性能、大容量FPGA芯片，既可實(shí)現(xiàn)高效能網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理和B碼時(shí)鐘 加戳，同時(shí)也能保證電力系統(tǒng)專用協(xié)議的擴(kuò)展和升級(jí)，全面幫助電力系統(tǒng)用戶打破通用 網(wǎng)卡進(jìn)行高速報(bào)文處理的瓶頸。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案電力專用千兆B碼時(shí)戳卡，包括有一至四個(gè)Sfp千兆光纖網(wǎng)絡(luò)接口、FPGA數(shù)字 邏輯模塊、IRIG-B輸入接口、RTC精準(zhǔn)時(shí)鐘電路、板載SDRAM模塊、PCIe接口、電 源電路、JAT配置接口，另外，它還包括有管理與配置模塊，用于配置所述電力專用千兆B碼時(shí)戳卡，設(shè)置通信模式、網(wǎng) 絡(luò)數(shù)據(jù)過(guò)濾分析規(guī)則；IRIG-B碼時(shí)鐘接收模塊，用于接收符合IRIG-B碼；千兆網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收并加時(shí)戳模塊，用于接收數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)鏡像端口 提供的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并對(duì)每一個(gè)MAC層數(shù)據(jù)報(bào)文加蓋精確的時(shí)間戳(+-Iys)；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào)文電力專用協(xié)議分析處理模塊，用于對(duì)數(shù)字化變電站 IEC61850MMS/GOOSE/SV等數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)、在線分析及數(shù)據(jù)過(guò)濾；與主計(jì)算機(jī)的PCIe數(shù)據(jù)通信模塊，用于將獲取的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果遞交到主 計(jì)算機(jī)進(jìn)行后臺(tái)處理；板卡內(nèi)部精準(zhǔn)時(shí)鐘守時(shí)模塊，用于電力專用千兆B碼時(shí)戳卡失去時(shí)鐘同步的情 況下本身的精確守時(shí)。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述的千兆光纖網(wǎng)絡(luò)接口與數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)交 換機(jī)相連接，所述PCIe接口與主計(jì)算機(jī)相連接，所述JAT配置接口與系統(tǒng)維護(hù)計(jì)算機(jī)配 置接口相連接。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述的千兆網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收并加時(shí)戳模塊其流量可以 滿足64字節(jié)1.488Mpps的極限帶寬要求。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述的板卡內(nèi)部精確時(shí)鐘守時(shí)模塊的守時(shí)指標(biāo)可以 達(dá)到10分鐘內(nèi)4微秒以內(nèi)的誤差標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明的有益效果在于它針對(duì)數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，基于光纖 接口(千兆、百兆兼容)的網(wǎng)絡(luò)小包數(shù)據(jù)線速的數(shù)據(jù)捕獲，并實(shí)時(shí)接收B碼時(shí)鐘同步信 號(hào)，對(duì)每個(gè)MAC層的數(shù)據(jù)包加蓋一個(gè)Iys精度的時(shí)間戳，為數(shù)字化變電站對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào) 文時(shí)序的精確判定及歷史數(shù)據(jù)記錄重現(xiàn)提供了關(guān)鍵的技術(shù)基礎(chǔ)，并且提供硬件級(jí)別的電 力專用協(xié)議在線分析，極大地降低了主計(jì)算機(jī)的CPU負(fù)荷，是數(shù)字化變電站的故障記錄 分析的重要可靠手段。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的軟件模塊示意圖；圖3是本發(fā)明使用的實(shí)施例圖。
具體實(shí)施例方式以下所述僅為體現(xiàn)本發(fā)明原理的較佳實(shí)施例，并不因此而限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。見圖1至圖3所示本發(fā)明的電力專用千兆B碼時(shí)戳卡包括一至四個(gè)Sfp千兆光 纖網(wǎng)絡(luò)接口 1、FPGA數(shù)字邏輯模塊2、IRIG-B輸入接口 3、RTC精準(zhǔn)時(shí)鐘電路4、板載 SDRAM模塊5、PCIe接口 6、電源電路7、JAT配置接口 8、管理與配置模塊9、IRIG-B 碼時(shí)鐘接收模塊10、千兆網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收并加時(shí)戳模塊U、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào)文電力專用協(xié)議分析 處理模塊12、與主計(jì)算機(jī)的PCIe數(shù)據(jù)通信模塊13、板卡內(nèi)部精準(zhǔn)守時(shí)模塊14等組成。一至四個(gè)的Sfp千兆光纖網(wǎng)絡(luò)接口 1用于數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的鏡像匯聚端 口的數(shù)據(jù)接入，根據(jù)變電站的實(shí)際情況，可以將可替換的接口模塊選擇為Si^D千兆光纖網(wǎng) 絡(luò)接口/sfp百兆光纖網(wǎng)絡(luò)接口 /百兆R(shí)J45電網(wǎng)絡(luò)接口，同時(shí)，也可選用一臺(tái)中間交換機(jī) 將8路百兆網(wǎng)絡(luò)光或電接口匯聚到1個(gè)千兆光接口之后接入到本發(fā)明的1個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行 容量擴(kuò)充。FPGA數(shù)字邏輯模塊2選用Xilinx公司的XC5VLX50T，該FPGA內(nèi)置四路千兆 以太網(wǎng)光纖輸入的PHY/MAC和一個(gè)PCIeX4接口，能夠?qū)崿F(xiàn)寬達(dá)128位的SDRAM接 口，且整個(gè)電路大部分將運(yùn)行在高達(dá)125MHZ的時(shí)鐘頻率上，F(xiàn)PGA模塊負(fù)責(zé)總體的數(shù)字 邏輯處理。IRIG-B輸入接口 3用于外部輸入IRIG-B時(shí)間碼(DC) (RS422或RS485電平或 ST850nm光夠)，板載邏輯實(shí)現(xiàn)時(shí)間碼同步，并使用內(nèi)部基準(zhǔn)時(shí)鐘產(chǎn)生高精度時(shí)間戳(精 度1微秒)。RTC精準(zhǔn)時(shí)鐘電路4作為IRIG-B時(shí)間同步的備用電路，板載RTC，電池使用時(shí) 間最少可達(dá)到5年。板載SDRAM模塊5用于保持接收以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)，并同時(shí)發(fā)送這些數(shù)據(jù)到 PCIeX4接口，在以太網(wǎng)持續(xù)峰值數(shù)據(jù)流的情況下，對(duì)DRAM的帶寬需求為2Χ667ΜΒΛ =1.34GB/S,本板卡使用1GBSDRAM，寬度為128位，運(yùn)行在125MHZ頻率上，理論帶 寬為2GB/s。PCIe 接口 6 支持 PCI express VI.1 規(guī)范中 PCI express 速率為 2.5Gbps，即 Xl 規(guī) 格理論速度為312.5MB/s，X4理論速度為1.25GB/s。本板卡高端FPGA的高速收發(fā)器 具備實(shí)現(xiàn)PCIe的條件，且能夠靈活實(shí)現(xiàn)用戶邏輯。電源電路7包含5V，3.3V，1.8V，1.2V等電源模塊，電源的穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)板卡
的穩(wěn)定可靠運(yùn)行至關(guān)重要。JAT配置接口 8包含F(xiàn)PGA配置邏輯、配置EEPROM等。管理與配置模塊9，用于配置所述電力專用千兆B碼時(shí)戳卡，設(shè)置通信模式、網(wǎng) 絡(luò)數(shù)據(jù)過(guò)濾分析規(guī)則；IRIG-B碼時(shí)鐘接收模塊10，用于接收符合《電力系統(tǒng)對(duì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)DLT_1100_1》 的 IRIG-B 碼。千兆網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收并加時(shí)戳模塊11，用于接收數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)鏡像端 口提供的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并對(duì)每一個(gè)MAC層數(shù)據(jù)報(bào)文加蓋精確的時(shí)間戳(+-Iys)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào)文電力專用協(xié)議分析處理模塊12，用于對(duì)數(shù)字化變電站
5IEC61850MMS/GOOSE/SV等數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)、在線分析及數(shù)據(jù)過(guò)濾。與主計(jì)算機(jī)的PCIe數(shù)據(jù)通信模塊13，用于將獲取的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果遞交到 主計(jì)算機(jī)進(jìn)行后臺(tái)處理。板卡內(nèi)部精準(zhǔn)時(shí)鐘守時(shí)模塊14，用于電力專用千兆B碼時(shí)戳卡失去時(shí)鐘同步的 情況下本身的精確守時(shí)。本發(fā)明的電力專用千兆B碼時(shí)戳卡從簡(jiǎn)單捕包功能到復(fù)雜的應(yīng)用模塊，都可以 為線速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理提供支持。曙光智能網(wǎng)卡除了基本的線速收包功能和報(bào)文分類等多 項(xiàng)功能外，還支持電力系統(tǒng)專用協(xié)議分析，是數(shù)字化變電站中高速鏈路網(wǎng)絡(luò)分析的最佳 選擇，它解決了如下問(wèn)題(1)電力專用千兆B碼時(shí)戳卡采用高性能大容量工業(yè)級(jí)65nm芯片F(xiàn)PGA、高集 成收發(fā)器件及千兆以太網(wǎng)技術(shù)，裝置采用采用8層印刷板、SMT表面貼裝和涂敷工藝， 加上完善的軟件抗干擾措施，使板卡具備高速、可靠及強(qiáng)大的抗干擾能力。(2)電力專用千兆B碼時(shí)戳卡采用單向光的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)捕獲的方式，不對(duì)數(shù)字化變 電站現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)任何網(wǎng)絡(luò)干擾；(3)電力專用千兆B碼時(shí)戳卡具備采用PCIe總線技術(shù)的千兆網(wǎng)絡(luò)小包線速數(shù)據(jù) 捕獲能力，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，可以配置為四個(gè)千兆光口，裝置具備接收IRIG-B碼對(duì)時(shí)能 力，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包均帶有誤差不大于Iy s的時(shí)間戳。(4)電力專用千兆B碼時(shí)戳卡根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)的特征，結(jié)合工業(yè)無(wú)損壓縮算 法，可以將網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)壓縮為1/3-1/4，提高了數(shù)據(jù)寫入速度，降低了硬盤使用容量， 增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性。(5)電力專用千兆B碼時(shí)戳卡支持對(duì)IEC 618509-1及9-2采樣值信息進(jìn)行在線分 析并對(duì)丟幀、序號(hào)錯(cuò)誤、頻率異常等進(jìn)行告警，對(duì)GOOSE信息進(jìn)行在線分析并對(duì)丟幀、 序號(hào)變化錯(cuò)誤、時(shí)序錯(cuò)誤、非法報(bào)文等進(jìn)行告警。
權(quán)利要求
1.電力專用千兆B碼時(shí)戳卡，包括有一至四個(gè)Sfp千兆光纖網(wǎng)絡(luò)接口(1)、FPGA數(shù)字 邏輯模塊⑵、IRIG-B輸入接口(3)、RTC精準(zhǔn)時(shí)鐘電路(4)、板載SDRAM模塊(5)、 PCIe接口(6)、電源電路(7)、JAT配置接口(8)，其特征在于它還包括有管理與配置模塊(9)，用于配置所述電力專用千兆B碼時(shí)戳卡，設(shè)置通信模式、網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)過(guò)濾分析規(guī)則；IRIG-B碼時(shí)鐘接收模塊(10)，用于接收符合IRIG-B碼；千兆網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收并加時(shí)戳模塊(11)，用于接收數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)鏡像端口 提供的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并對(duì)每一個(gè)MAC層數(shù)據(jù)報(bào)文加蓋精確的時(shí)間戳(+-Iys)；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào)文電力專用協(xié)議分析處理模塊(12)，用于對(duì)數(shù)字化變電站 IEC61850MMS/GOOSE/SV等數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)、在線分析及數(shù)據(jù)過(guò)濾；與主計(jì)算機(jī)的PCIe數(shù)據(jù)通信模塊(13)，用于將獲取的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果遞交到主 計(jì)算機(jī)進(jìn)行后臺(tái)處理；板卡內(nèi)部精準(zhǔn)時(shí)鐘守時(shí)模塊(14)，用于電力專用千兆B碼時(shí)戳卡失去時(shí)鐘同步的情 況下本身的精確守時(shí)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力專用千兆B碼時(shí)戳卡，其特征在于所述的Sfp千兆光 纖網(wǎng)絡(luò)接口(1)與數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(15)相連接，所述PCIe接口(6)與主計(jì)算機(jī) (17)相連接，所述JAT配置接口(8)與系統(tǒng)維護(hù)計(jì)算機(jī)配置接口(18)相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電力專用千兆B碼時(shí)戳卡，其特征在于所述的千兆 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收并加時(shí)戳模塊(11)其流量可以滿足64字節(jié)1.488Mpps的極限帶寬要求。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電力專用千兆B碼時(shí)戳卡，其特征在于所述的板卡 內(nèi)部精確時(shí)鐘守時(shí)模塊(14)的守時(shí)指標(biāo)可以達(dá)到10分鐘內(nèi)4微秒以內(nèi)的誤差標(biāo)準(zhǔn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電力專用千兆B碼時(shí)戳卡，它包括有一至四個(gè)sfp千兆光纖網(wǎng)絡(luò)接口、FPGA數(shù)字邏輯模塊、IRIG-B輸入接口、RTC精準(zhǔn)時(shí)鐘電路、板載SDRAM模塊、PCIe接口、電源電路、JAT配置接口、管理與配置模塊、IRIG-B碼時(shí)鐘接收模塊、千兆網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收并加時(shí)戳模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào)文電力專用協(xié)議分析處理模塊、與主計(jì)算機(jī)的PCIe數(shù)據(jù)通信模塊、板卡內(nèi)部精準(zhǔn)時(shí)鐘守時(shí)模塊。本發(fā)明配備有高性能、大容量FPGA芯片，既可實(shí)現(xiàn)高效能網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理和B碼時(shí)鐘加戳，同時(shí)也能保證電力系統(tǒng)專用協(xié)議的擴(kuò)展和升級(jí)，全面幫助電力系統(tǒng)用戶打破通用網(wǎng)卡進(jìn)行高速報(bào)文處理的瓶頸。
文檔編號(hào)H04B3/54GK102013900SQ201010285580
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月16日
發(fā)明者劉智勇, 陳良漢 申請(qǐng)人:珠海市鴻瑞軟件技術(shù)有限公司