一種可動態編程的信號檢測電路及方法
【專利摘要】本發明公開了一種可動態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，根據運行狀態或信號特性動態生成微控指令；可編程處理器，獨立運行于智能控制器，根據微控指令對輸入信號進行檢測后輸出給智能控制器來進行處理。本發明可以提高信號輸入處理檢測的速度，并且具有可動態升級的巨大靈活性。
【專利說明】
一種可動態編程的信號檢測電路及方法
技術領域
[0001] 本發明屬于電子技術領域，具體地說，涉及一種可動態編程的信號檢測電路及方 法。
【背景技術】
[0002] 電力系統裝置中的智能控制器，一般由單片機作為控制核心，通過在其上運行的 控制軟件對系統裝置中的電能設備進行智能化控制。電力系統的信號輸入是多種多樣的， 中間包括前置采樣系統或者需要電磁隔離的高壓輸出設備反饋。這些信號的輸入都需要進 行模式匹配的檢測來判斷采樣系統的信號輸入或者輸出系統的反饋信息是否正常。
[0003] 由于信號判讀的邏輯靈活多變，甚至會隨著系統裝置工作狀態的改變而改變，所 以已有的設計中信號判讀的邏輯大多使用控制芯片上的軟件程序實現。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雜實現;二是影響信號的響 應速度，尤其是當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 任務的物理單線程特性，會產生非常可觀的時間延遲，嚴重的情況下甚至會延誤緊急信號 的及時處理。
[0004] 為了提高響應速度，一部分的設計中采用FPGA硬件輔助實現。FPGA器件由于其獨 特的硬件編程能力，能夠在響應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 路對信號進行模式檢測是預先設定的，缺乏動態編程的靈活控制，限制了FPGA器件能力的 充分發揮。
【發明內容】
[0005] 為解決以上問題，本發明提供了一種可動態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] 根據本發明的一個方面，提供了一種可動態編程的信號檢測電路，包括：
[0007] 智能控制器，根據運行狀態或信號特性動態生成微控指令；
[0008] 可編程處理器，獨立運行于所述智能控制器，根據所述微控指令對輸入信號進行 檢測后輸出給所述智能控制器來進行處理。
[0009] 根據本發明的一個實施例，所述可編程處理器為FPGA或CPLD。
[0010] 根據本發明的一個實施例，所述可編程處理器根據信號并發程度部署等量分布式 超細粒度處理單元，所述智能控制器將所述微控指令下發到對應的超細粒度處理單元上執 行。
[0011] 根據本發明的一個實施例，所述超細粒度處理單元包括：
[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] 狀態緩存模塊，用于存儲超細粒度處理單元的運行狀態信息；
[0015] 指令執行模塊，根據當前輸入的待檢測信號和超細粒度處理單元的運行狀態信 息，調取微控指令并運算得到新的目標狀態和輸出信號，其中，新的目標狀態用于對狀態緩 存模塊的運行狀態進行更新；
[0016] 輸出控制模塊，用于控制輸出信號。
[0017] 根據本發明的一個實施例，所述信號檢測電路還包括設置于所述智能控制器和所 述狀態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 運行狀態信息。
[0018] 根據本發明的一個實施例，所述信號檢測電路還包括設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微控指令的設置及查 詢。
[0019] 根據本發明的一個實施例，所述超細粒度處理單元以并行方式工作。
[0020] 根據本發明的一個實施例，所述可編程處理器部署在信號輸入模塊上。
[0021] 根據本發明的一個實施例，多個所述超細粒度處理單元與所述智能控制器以總線 方式連接。
[0022] 根據本發明的另一個方面，還提供了一種可動態編程的信號檢測方法，包括：
[0023] 智能控制器根據裝置運行狀態或信號特性動態生成微控指令；
[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]可編程處理器根據待檢測輸入信號、當前可編程處理器運行狀態以及微控指令進 行數學運算，得到新的運行狀態值和輸出信號；
[0026] 可編程處理器根據新的運行狀態值，更新可編程處理器運行狀態。
[0027]本發明的有益效果：
[0028] 本發明利用可編程處理器件的運算能力，通過設置控制微指令寄存器的方式驅動 超細粒度信號處理單元，進行信號模式檢測，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，并且具有可動態升級的巨大靈活性。
[0029] 本發明的其它特征和優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，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在說明書、權利 要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
【附圖說明】
[0030] 為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，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是根據本發明的一個實施例的分布式超細粒度處理單元的系統架構示意圖；
[0032] 圖2是根據本發明的一個實施例的將FPGA設置于信號采集裝置上的結構示意圖；
[0033] 圖3是根據本發明的一個實施例的超細粒度處理單元結構示意圖；
[0034] 圖4是根據本發明的一個實施例的可動態編程的信號檢測方法流程圖。
【具體實施方式】
[0035] 以下將結合附圖及實施例來詳細說明本發明的實施方式，借此對本發明如何應用 技術手段來解決技術問題，并達成技術效果的實現過程能充分理解并據以實施。需要說明 的是，只要不構成沖突，本發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合， 所形成的技術方案均在本發明的保護范圍之內。
[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， 智能控制器根據裝置運行狀態或信號特性動態生成微控指令;可編程處理器獨立運行于智 能控制器，根據微控指令對輸入信號進行檢測后輸出給智能控制器來進行處理。
[0037] 在該信號檢測電路中，裝置在不同的運行狀態下，需要對來源信號進行處理的邏 輯就會不同，則需要智能控制器根據運行狀態或信號特性動態地生成微控指令。而可編程 處理器需要根據智能控制器輸出的動態變化的微控指令進行信號檢測。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行，可以顯著節省智 能控制器以軟件方式檢測信號的計算資源，提升智能控制系統的響應速度，進而提升整個 控制裝置的可靠性，避免了預先設定信號模式檢測方式缺乏動態編程靈活性的問題。
[0038] 信號檢測部分可動態編程，在運行速度提高的同時，使得信號處理系統具備強大 的靈活性。當信號處理邏輯改變或者升級的時候，可以通過動態的部署處理邏輯完成，使得 系統的可維護性可升級性得到改善。
[0039]智能控制器一般為單片機、DSP等數據處理器，可編程處理器為FPGA、CPLD等可編 程邏輯處理器，本發明以DSP和FPGA為例進行說明，但不限于此。
[0040] 在本發明的一個實施例中，可編程處理器根據信號并發程度部署等量分布式超細 粒度處理單元，智能控制器將微控指令下發到對應的超細粒度處理單元上執行。超細粒度 的名稱一方面來自于處理單元的規模，另一方面來自處理單元的數量。只要數量足夠多，單 個單元的規模足夠小，就可以稱之為超細粒度。
[0041] 如圖1所示為根據本發明的一個實施例的分布式超細粒度處理單元的系統架構示 意圖。該可編程控制器上設置有多個分布式超細粒度處理單元，每個超細粒度處理單元通 過調取信號處理指令，來對信號進行檢測處理，檢測到信號滿足門限要求時輸出。
[0042] 并發程度取決于需要同步處理的信號規模決定，在FPGA代碼編譯的過程中就可以 確定并發規模。超細粒度處理單元及多個可編程處理器上的超細粒度處理單元之間沒有相 互依賴關系，可以并發的處理多路信號。因此，可以在一個FPGA上部署多個超細粒度處理單 元，如圖1所示。
[0043] FPGA器件由于其獨特的硬件結構及編程能力，可以根據信號的并發程度，部署多 個分布式超細粒度信號處理單元來進行信號檢測。超細粒度信號處理單元的數量與需要同 時處理的信號來源數量相等，各超細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行模式檢測。多路信號并發機制，可以使得系統處理速度 得到顯著提升。
[0044]在超細粒度信號處理單元進行信號檢測時，需要智能控制器DSP提供的與當前裝 置運行狀態或來源信號特性匹配的微控指令。該微控指令通過動態編程方式，基于信號檢 測/處理邏輯編寫成對應的信號處理微指令，下發部署到并行超細粒度信號處理單元上執 行。信號檢測時可動態編程，在運行速度提高的同時，使得信號處理系統具備強大的靈活 性。當信號處理邏輯改變或者升級的時候，可以通過動態的部署處理邏輯完成，從而使得系 統的可維護性、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下，會具有不同的模式或者監測處理邏 輯。不同信號之間不存在相關性，同樣有可能呈現不同的模式和處理邏輯。因此，需要智能 控制器可以根據具體情況實現動態編程，生成實時動態微指令。動態微指令的調整過程由 DSP發起，通過數據總線在處理單元的指令存儲區寫入對應的微指令代碼，就可以完成微指 令的動態控制。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 運行的主控程序將微指令代碼片段部署到超細粒度處理單元的指令存儲區間，即可完成處 理單元的實時編程。
[0046] 由于信號檢測之后才進入智能控制器進行數據處理，所以需要將超細粒度信號處 理單元設置于智能控制器的前端。具體的，可以將設置超細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轉換，或者通信器件進入到數據采集模塊以后，先經過FPGA器件的緩 存和處理以后，利用專用接口與DSP完成通信，將信號及其檢測結果傳遞給DSP進行進一步 的邏輯處理
[0047] 在本發明的一個實施例中，該超細粒度微處理單元進一步包括信號鎖存模塊、狀 態緩存模塊、指令存儲模塊、指令執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;狀態緩存模塊用于存儲超細粒度微處理 單元的運行狀態信息;指令執行模塊根據當前輸入的待檢測信號和超細粒度微處理單元的 運行狀態信息，調取微處理指令并運算得到新的目標狀態和輸出信號，其中，新的目標狀態 用于對狀態緩存模塊的運行狀態進行更新;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 入信號鎖存模塊，處理單元的狀態和控制模塊根據當前的信號處理狀態，從指令存儲模塊 中取出對應的處理指令，發送到指令執行模塊。指令執行模塊根據當前的信號輸入、處理單 元狀態字以及當前需要執行的指令，運算得到新的目標狀態以及輸出信號。新的目標狀態 發送到處理單元的狀態模塊對當前的狀態進行更新;而輸出信號經過輸出使能控制以后， 上行傳送到DSP進行高級別的控制。
[0049] 在本發明的一個實施例中，信號檢測電路還包括設置于智能控制器和狀態緩存模 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信息。如圖3所 示，數據處理器DSP控制接口建立DSP與處理單元狀態存儲模塊的通信鏈路，使DSP能夠對處 理單元的狀態進行查詢和控制。
[0050] 在本發明的一個實施例中，信號檢測電路還包括設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微控指令的設置及查詢。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置和查詢。
[0051] 根據本發明的另一個方面，還提供了一種可動態編程的信號檢測方法，該檢測過 程采用了傳統的馮氏微處理器執行過程，每個時鐘節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，智能控制器根據裝置運行狀態或信號特性動 態生成微控指令。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，可編程處理器根據待檢測輸入信號、當前可編程處理器運 行狀態以及微控指令進行數學運算，得到新的運行狀態值和輸出信號。最后，在步驟S140 中，可編程處理器根據新的運行狀態值，更新可編程處理器運行狀態。
[0052]超細粒度處理單元與智能控制器DSP通信模塊的驅動在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 本發明利用可編程處理器件的運算能力，通過設置控制微指令寄存器的方式驅動 超細粒度信號處理單元，進行信號模式檢測，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，并且具有可動態升級的巨大靈活性。
[0056]雖然本發明所公開的實施方式如上，但所述的內容只是為了便于理解本發明而采 用的實施方式，并非用以限定本發明。任何本發明所屬技術領域內的技術人員，在不脫離本 發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節上作任何的修改與變化， 但本發明的專利保護范圍，仍須以所附的權利要求書所界定的范圍為準。
【主權項】
1. 一種可動態編程的信號檢測電路，包括： 智能控制器，根據運行狀態或信號特性動態生成微控指令； 可編程處理器，獨立運行于所述智能控制器，根據所述微控指令對輸入信號進行檢測 后輸出給所述智能控制器來進行處理。2. 根據權利要求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. 根據權利要求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信號 并發程度部署等量分布式超細粒度處理單元，所述智能控制器將所述微控指令下發到對應 的超細粒度處理單元上執行。4. 根據權利要求3所述的信號檢測電路，其特征在于，所述超細粒度處理單元包括： 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； 狀態緩存模塊，用于存儲超細粒度處理單元的運行狀態信息； 指令執行模塊，根據當前輸入的待檢測信號和超細粒度處理單元的運行狀態信息，調 取微控指令并運算得到新的目標狀態和輸出信號，其中，新的目標狀態用于對狀態緩存模 塊的運行狀態進行更新； 輸出控制模塊，用于控制輸出信號。5. 根據權利要求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置于 所述智能控制器和所述狀態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信息。6. 根據權利要求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微 控指令的設置及查詢。7. 根據權利要求1-6中任一項所述的信號檢測電路，其特征在于，所述超細粒度處理單 元以并行方式工作。8. 根據權利要求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. 根據權利要求3所述的信號檢測電路，其特征在于，多個所述超細粒度處理單元與所 述智能控制器以總線方式連接。10. -種可動態編程的信號檢測方法，包括： 智能控制器根據裝置運行狀態或信號特性動態生成微控指令； 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； 可編程處理器根據待檢測輸入信號、當前可編程處理器運行狀態以及微控指令進行數 學運算，得到新的運行狀態值和輸出信號； 可編程處理器根據新的運行狀態值，更新可編程處理器運行狀態。
【文檔編號】G05B19/042GK105843120SQ201610211037
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月6日
【發明人】曹軍威, 袁仲達, 張少杰
【申請人】清華大學