柔性直流输电系统的异步数据接收时序电路、方法及设备

技术领域

本发明属于柔性直流输配电控制技术领域，具体涉及柔性直流输电系统的异步数据接收时序电路、方法及设备。

背景技术

在柔性直流输配电阀控系统中需要各类节点板卡共同组成阀控系统，如图1所示，通过背板将板卡1、板卡2……板卡N这些不同节点的板卡连接起来，不同节点板卡之间的通信也是通过背板作为桥梁完成数据传输。传统两个板卡之间的数据通信如图2所示，当板卡1发送数据给板卡2时，首先发送端将发送数据写入板卡1异步FIFO中，随路时钟为板卡1的系统时钟CLK1；其次背板将板卡1异步FIFO中的数据读出后写入板卡2异步FIFO中，随路时钟为背板系统时钟BACK_CLK；最后接收端从板卡2异步FIFO中读取接收到的数据，随路时钟为板卡2的系统时钟CLK2，同理，当板卡2发送数据给板卡1时也是同样的过程。

通过上述的板卡之间的通信过程能够看到，传统板卡的通信过程必须依赖背板时钟作为随路时钟传输数据。如果单一板卡的系统时钟发生故障，那么仅仅是该板卡的通信故障，而如果背板时钟发生故障后则所有板卡之间都不能相互通信，从而造成整个阀控系统瘫痪。

发明内容

本发明提供柔性直流输电系统的异步数据接收时序电路、方法及设备，以解决传统柔性直流输配电阀控系统的板卡之间通信过于依赖背板时钟的问题，从而避免因背板时钟故障造成整个阀控系统瘫痪。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种柔性直流输电系统的异步数据接收时序电路，包括：第一板卡、第二板卡、背板和数据恢复电路；

第一板卡，与背板连接，用于将异步数据发送到背板，并读取所述第一板卡的异步FIFO中的采样寄存后的异步数据；

第二板卡，与背板连接，用于将异步数据发送到背板，并读取所述第二板卡的异步FIFO中的采样寄存后的异步数据；

背板，与第一板卡和第二板卡连接，用于将异步数据传输至数据恢复电路；

数据恢复电路，设置在第一板卡和第二板卡中，用于接收异步数据并写入第一板卡的异步FIFO中和第二板卡的异步FIFO中；

所述数据恢复电路包括：采样模块、决策模块和选择模块；

采样模块，连接背板和决策模块，用于将所述异步数据传输至采样模块的触发器中进行采样寄存后，将采样寄存后的异步数据传输至决策模块；

决策模块，连接采样模块和选择模块，用于将采样寄存后的异步数据进行逻辑运算后，将所述逻辑运算的结果通过所述决策模块的触发器进行采样寄存并输出所述逻辑运算的结果，根据所述逻辑运算的结果进行时钟域判断，得到采样数据最稳定的时钟域；

选择模块，连接决策模块、第一板卡和第二板卡，用于根据采样数据最稳定的时钟域，选择对应的所述采样寄存后的异步数据写入第一板卡的异步FIFO中和第二板卡的异步FIFO中。

进一步地，所述采样模块的触发器包括一级采样触发器、二级采样触发器、三级采样触发器和四级采样触发器；

所述一级采样触发器包括：触发器A0、触发器B0、触发器C0、触发器D0；

所述二级采样触发器包括：触发器A1、触发器B1、触发器C1、触发器D1；

所述三级采样触发器包括：触发器A2、触发器B2、触发器C2、触发器D2；

所述四级采样触发器包括：触发器A3、触发器B3、触发器C3、触发器D3；

所述决策模块的触发器包括：触发器A4P、触发器B4P、触发器C4P、触发器D4P、触发器A4N、触发器B4N、触发器C4N和触发器D4N。

进一步地，所述触发器A0的采样时钟为CLK0，所述触发器B0的采样时钟为CLK90，所述触发器C0的采样时钟为CLK180，所述触发器D0的采样时钟为CLK270；

所述触发器A1的采样时钟为CLK0，所述触发器B1的采样时钟为CLK0，所述触发器C1的采样时钟为CLK90，所述触发器D1的采样时钟为CLK180；

所述触发器A2的采样时钟为CLK0，所述触发器B2的采样时钟为CLK0，所述触发器C2的采样时钟为CLK0，所述触发器D2的采样时钟为CLK90；

所述触发器A3的采样时钟为CLK0，所述触发器B3的采样时钟为CLK0，所述触发器C3的采样时钟为CLK0，所述触发器D3的采样时钟为CLK0。

一种柔性直流输电系统的异步数据接收时序电路的方法，基于所述的异步数据接收时序电路，包括以下步骤：

S1：第一板卡和第二板卡将异步数据发送到背板后，背板将异步数据传输至数据恢复电路的采样模块；

S2：采样模块通过锁相环产生四个时钟CLK0、CLK90、CLK180和CLK270，CLK0的采样时钟域为时钟域A，CLK90的采样时钟域为时钟域B，CLK180的采样时钟域为时钟域C，CLK270的采样时钟域为时钟域D；

所述异步数据同时进入一级采样触发器并在采样时钟上升沿进行一级采样寄存，输出一级采样数据至二级采样触发器；根据一级采样数据，二级采样触发器在采样时钟上升沿进行二级采样寄存，输出二级采样数据至三级采样触发器；根据二级采样数据，三级采样触发器在采样时钟上升沿进行三级采样寄存，输出四级采样数据至决策模块；

S3：决策模块对三级采样数据和四级采样数据依次进行异或、与的逻辑运算，得到第一逻辑运算结果，并将第一逻辑运算结果通过触发器A4P、触发器B4P、触发器C4P和触发器D4P在CLK0的上升沿进行采样寄存后输出对应的第一逻辑运算结果；

决策模块对三级采样数据和四级采样数据依次进行异或、与非的逻辑运算，得到第二逻辑运算结果，并将第二逻辑运算结果通过触发器A4N、触发器B4N、触发器C4N和触发器D4N在CLK0的上升沿进行采样寄存后输出对应的第二逻辑运算结果；

S4：根据第一逻辑运算结果和第二逻辑运算结果得到采样数据最稳定的时钟域；根据采样数据最稳定的时钟域，选择对应的四级采样数据写入第一板卡的异步FIFO中和第二板卡的异步FIFO中；

S5：第一板卡读取第一板卡的异步FIFO中的四级采样数据，第二板卡读取第二板卡的异步FIFO中的四级采样数据。

进一步地，S2中，所述一级采样数据包括：AZ(0)、BZ(0)、CZ(0)和DZ(0)；

所述二级采样数据包括：AZ(1)、BZ(1)、CZ(1)和DZ(1)；

所述三级采样数据包括：AZ(2)、BZ(2)、CZ(2)和DZ(2)；

所述四级采样数据包括：AZ(3)、BZ(3)、CZ(3)和DZ(3)。

进一步地，S2中，所述异步数据同时进入一级采样触发器并在采样时钟上升沿进行一级采样寄存，输出一级采样数据至二级采样触发器；根据一级采样数据，二级采样触发器在采样时钟上升沿进行二级采样寄存，输出二级采样数据至三级采样触发器；根据二级采样数据，三级采样触发器在采样时钟上升沿进行三级采样寄存，输出四级采样数据至决策模块，具体包括以下步骤：

触发器A0输出AZ(0)至触发器A1，触发器B0输出BZ(0)至触发器B1，触发器C0输出CZ(0)至触发器C1，触发器D0输出DZ(0)至输出器D1；

触发器A1输出AZ(1)至触发器A2，触发器B1输出BZ(1)至触发器B2，触发器C1输出CZ(1)至触发器C2，触发器D1输出DZ(1)至输出器D2；

触发器A2输出AZ(2)至触发器A3，触发器B2输出BZ(2)至触发器B3，触发器C2输出CZ(2)至触发器C3，触发器D2输出DZ(2)至输出器D3；

触发器A3输出AZ(3)至决策模块，触发器B3输出BZ(3)至决策模块，触发器C3输出CZ(3)至决策模块，触发器D3输出DZ(3)至决策模块。

进一步地，S3中，所述第一逻辑运算结果包括：AAP、BBP、CCP、DDP；

所述第二逻辑运算结果包括：AAN、BBN、CCN、DDN。

进一步地，S3中，所述决策模块对三级采样数据和四级采样数据依次进行异或、与的逻辑运算，得到第一逻辑运算结果，并将第一逻辑运算结果通过触发器A4P、触发器B4P、触发器C4P和触发器D4P在CLK0的上升沿进行采样寄存后输出对应的第一逻辑运算结果，具体包括以下步骤：

将三级采样数据AZ(2)和四级采样数据AZ(3)做异或处理后，将异或处理的结果与三级采样数据AZ(2)做逻辑与处理，得到AAP；

将三级采样数据BZ(2)和四级采样数据BZ(3)做异或处理后，将异或处理的结果与三级采样数据BZ(2)做逻辑与操作，得到BBP；

将三级采样数据CZ(2)和四级采样数据CZ(3)做异或处理后，将异或处理的结果与三级采样数据CZ(2)做逻辑与操作，得到CCP；

将三级采样数据DZ(2)和四级采样数据DZ(3)做异或处理后，将异或处理的结果与三级采样数据DZ(2)作逻辑与操作，得到DDP；

S3中，所述决策模块对三级采样数据和四级采样数据依次进行异或、与非的逻辑运算，得到第二逻辑运算结果，并将第二逻辑运算结果通过触发器A4N、触发器B4N、触发器C4N和触发器D4N在CLK0的上升沿进行采样寄存后输出对应的第二逻辑运算结果，具体包括以下步骤：

将三级采样数据AZ(2)和四级采样数据AZ(3)做异或处理后，将异或处理的结果与三级采样数据AZ(2)做逻辑与非处理，得到AAN；

将三级采样数据BZ(2)和四级采样数据BZ(3)做异或处理后，将异或处理的结果与三级采样数据BZ(2)做逻辑与非操作，得到BBN；

将三级采样数据CZ(2)和四级采样数据CZ(3)做异或处理后，将异或处理的结果与三级采样数据CZ(2)做逻辑与非操作，得到CCN；

将三级采样数据DZ(2)和四级采样数据DZ(3)做异或处理后，将异或处理的结果与三级采样数据DZ(2)作逻辑与非操作，得到DDN。

进一步地，S4中，根据第一逻辑运算结果和第二逻辑运算结果得到采样数据最稳定的时钟域；根据采样数据最稳定的时钟域，选择对应的四级采样数据写入第一板卡的异步FIFO中和第二板卡的异步FIFO中，具体包括以下步骤：

当AAP＝BBP＝CCP＝DDP＝1或AAN＝BBN＝CCN＝DDN＝1时，选择时钟域C的CZ(3)；

当AAP＝1，BBP＝CCP＝DDP＝0或者AAN＝1，BBN＝CCN＝DDN＝0时，选择时钟域D的DZ(3)；

当AAP＝BBP＝1，CCP＝DDP＝0或者AAN＝BBN＝1，CCN＝DDN＝0时，选择时钟域A的AZ(3)；

当AAP＝BBP＝CCP＝1，DDP＝0或者AAN＝BBN＝CCN＝1，DDN＝0时，选择时钟域B的BZ(3)。

一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器中运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种柔性直流输电系统的异步数据接收时序电路的方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种柔性直流输电系统的异步数据接收时序电路，包括：第一板卡、第二板卡、背板和数据恢复电路，第一板卡发送数据给第二板卡时，首先发送异步数据到背板上，这时的随路时钟为第一板卡的系统时钟，然后背板将异步数据传输至数据恢复电路，传输时使用第一板卡的系统时钟，最后数据恢复电路该异步数据写出第二板卡的异步FIFO中，第二板卡从其异步FIFO中读取该异步数据。同理，第二板卡发送数据至第一板卡的过程与上述内容相同。本发明不使用背板时钟完成板卡之间的通信，能够避免因背板时钟故障造成整个阀控系统瘫痪，解决了传统阀控系统中板卡之间通信过于依赖背板时钟的问题。

本发明提供一种柔性直流输电系统的异步数据接收时序电路的方法，使用异步通信方式，由第一板卡发送数据至第二板卡，第二板卡利用自身的接收时钟通过数据恢复电路恢复出接收数据，同理，第二板卡发送数据至第一板卡的过程与上述内容相同。本发明采用背板在异步通信过程中仅起到连接信号的作用，不提供时钟信号。采用本方法能够避免使用背板时钟可能造成整个阀控系统瘫痪的问题，极大提升了阀控系统的可靠性。本发明采用异步数据通信，因此背板上不同提供电源电路、晶振和时钟控制电路等元器件，在保证正常通信的基础上节省成本。

附图说明

图1为柔性直流输电阀控系统的板卡连接示意图。

图2为传统阀控系统中板卡间通信示意图。

图3为本发明阀控系统中板卡间通信示意图。

图4为本发明实施例锁相环示意图。

图5为本发明实施例采样模块示意图。

图6为本发明实施例“异或、与”逻辑运算示意图。

图7为本发明实施例“异或、与非”逻辑运算示意图。

图8为本发明实施例数据选择器示意图。

图9为本发明提供的电子设备示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行进一步地详细描述，所述内容是对本发明的解释而不是限定。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、系统、产品或设备固有的其他步骤或单元。

本发明提供一种柔性直流输电系统的异步数据接收时序电路，包括：板卡1、板卡2、背板和数据恢复电路，如图3所示，当板卡1发送数据给板卡2时，首先发送端将发送数据直接发送到背板上，随路时钟为板卡1系统时钟CLK1；其次背板将板卡1发出的数据传输至数据恢复电路，数据在背板上传输时不使用背板随路时钟，而是直接使用节点板卡的系统时钟CLK1；再次数据恢复电路将恢复出来的数据写入板卡2异步FIFO中；最后接收端从板卡2异步FIFO中读取接收到的数据，随路时钟为板卡2系统时钟CLK2。

其中，柔性直流输配电阀控系统中发送板卡经过背板将异步数据发送至接收板卡时，接收板卡通过图3所示的数据恢复电路完成异步数据的正确接收。数据恢复电路包括：采样模块、决策模块和选择模块三部分。

本发明提供一种柔性直流输电系统的异步数据接收时序电路的方法，本实施例提出的方法全部基于FPGA芯片完成，方法中的电路全部是基于FPGA芯片编程产生的时序电路；

如图4所示，通过锁相环(时钟生成器)产生与接收时钟RX_CLK频率相同、相位依次右移0°、90°、180°和270°的4个时钟CLK0、CLK90、CLK180和CLK270。

异步数据通过共4个上升沿采样接收，最终通过触发器同步到同一个时钟域。相移0°(CLK0)时钟采样时钟域取名时钟域A，相移90°(CLK90)时钟采样时钟域取名时钟域B，相移180°(CLK180)时钟采样时钟域取名时钟域C，相移270°(CLK270)时钟采样时钟域取名时钟域D。

如图5所示，在采样模块中，本发明通过以下步骤实现：

S1：接收板卡接收到来自发送板卡的异步数据DATA_IN同时进入4个触发器A0、B0、C0和D0进行一级采样寄存。触发器A0、B0、C0和D0的采样时钟分别为CLK0、CLK90、CLK180和CLK270且都为时钟上升沿采样，输出数据分别为AZ(0)、BZ(0)、CZ(0)和DZ(0)。

S2：数据AZ(0)、BZ(0)、CZ(0)和DZ(0)分别进入触发器A1、B1、C1和D1进行二级采样寄存。触发器A1、B1、C1和D1的采样时钟分别为CLK0、CLK0、CLK90和CLK180且都为时钟上升沿采样，输出数据分别为AZ(1)、BZ(1)、CZ(1)和DZ(1)。

S3：数据AZ(1)、BZ(1)、CZ(1)和DZ(1)分别进入触发器A2、B2、C2和D2进行三级采样寄存。触发器A2、B2、C2和D2的采样时钟分别为CLK0、CLK0、CLK0和CLK90且都为时钟上升沿采样，输出数据分别为AZ(2)、BZ(2)、CZ(2)和DZ(2)。

S4：数据AZ(2)、BZ(2)、CZ(2)和DZ(2)分别进入触发器A3、B3、C3和D3进行四级采样寄存。触发器A3、B3、C3和D3的采样时钟分别为CLK0、CLK0、CLK0和CLK0且都为时钟上升沿采样，输出数据分别为AZ(3)、BZ(3)、CZ(3)和DZ(3)。

如图6和图7所示，决策模块中，本发明通过如下步骤实现：

S5：将采样模块触发器输出数据依次做异或、与逻辑计算，以及异或、与非逻辑运算后，经过触发器依次得到数据AAP，AAN，BBP，BBN，CCP，CCN，DDP，DDN，具体步骤如下：

S5.1：将采样模块数据AZ(2)与AZ(3)做异或处理，异或后的结果再与AZ(2)做逻辑与操作，最后将逻辑与输出结果通过触发器A4P进行采样寄存，触发器A4P采样时钟沿为时钟CLK0的上升沿，触发器A4P输出数据为AAP。

S5.2：将采样模块数据BZ(2)与BZ(3)做异或处理，异或后的结果再与BZ(2)做逻辑与操作，最后将逻辑与输出结果通过触发器B4P进行采样寄存，触发器B4P采样时钟沿为时钟CLK0的上升沿，触发器B4P输出数据为BBP。

S5.3：将采样模块数据CZ(2)与CZ(3)做异或处理，异或后的结果再与CZ(2)做逻辑与操作，最后将逻辑与输出结果通过触发器C4P进行采样寄存，触发器C4P采样时钟沿为时钟CLK0的上升沿，触发器C4P输出数据为CCP。

S5.4：将采样模块数据DZ(2)与DZ(3)做异或处理，异或后的结果再与DZ(2)做逻辑与操作，最后将逻辑与输出结果通过触发器D4P进行采样寄存，触发器D4P采样时钟沿为时钟CLK0的上升沿，触发器D4P输出数据为DDP。

S5.5：将采样模块数据AZ(2)与AZ(3)做异或处理，异或后的结果再与AZ(2)反相结果做逻辑与操作，最后将逻辑与输出结果通过触发器A4N进行采样寄存，触发器A4N采样时钟沿为时钟CLK0的上升沿，触发器A4N输出数据为AAN。

S5.6：将采样模块数据BZ(2)与BZ(3)做异或处理，异或后的结果再与BZ(2)反相结果做逻辑与操作，最后将逻辑与输出结果通过触发器B4N进行采样寄存，触发器B4N采样时钟沿为时钟CLK0的上升沿，触发器B4N输出数据为BBN。

S5.7：将采样模块数据CZ(2)与CZ(3)做异或处理，异或后的结果再与CZ(2)反相结果做逻辑与操作，最后将逻辑与输出结果通过触发器C4N进行采样寄存，触发器C4N采样时钟沿为时钟CLK0的上升沿，触发器C4N输出数据为CCN。

S5.8：将采样模块数据DZ(2)与DZ(3)做异或处理，异或后的结果再与DZ(2)反相结果做逻辑与操作，最后将逻辑与输出结果通过触发器D4N进行采样寄存，触发器D4N采样时钟沿为时钟CLK0的上升沿，触发器D4N输出数据为DDN。

S6：现在有8个信号AAP，AAN，BBP，BBN，CCP，CCN，DDP，DDN可以用于决策过程。根据这8个信号进行时钟域判决，即挑选采样数据最稳定的时钟域。具体步骤如下：

S6.1：当AAP＝BBP＝CCP＝DDP＝1或者AAN＝BBN＝CCN＝DDN＝1时，时钟域A是第一个看到数据的。因此来自C时钟域的采样数据CZ(3)最稳定。

S6.2：当AAP＝1，BBP＝CCP＝DDP＝0或者AAN＝1，BBN＝CCN＝DDN＝0时，时钟域B是第一个看到数据的。因此来自D时钟域的采样数据DZ(3)最稳定。

S6.3：当AAP＝BBP＝1，CCP＝DDP＝0或者AAN＝BBN＝1，CCN＝DDN＝0时，时钟域C首先识别出数据过渡。因此来自A时钟域的采样数据AZ(3)最稳定。

S6.4：当AAP＝BBP＝CCP＝1，DDP＝0或者AAN＝BBN＝CCN＝1，DDN＝0时，时钟域D是第一个看到数据的。因此来自B时钟域的采样数据BZ(3)最稳定。

如图8所示，本发明选择模块的数据选择通过多路复用器完成，该数据选择器用于从适当的时域中选择数据位作为接收板卡最终恢复出来的数据DATA_OUT，具体包含以下步骤：

S7：当决策模块中S6.3条件成立时，电路决定使用来自时域A的数据，则数据AZ(3)被选择传递到输出端DATA_OUT。

当决策模块中S6.4条件成立时，电路决定使用来自时域B的数据，则数据BZ(3)被选择传递到输出端DATA_OUT。

当决策模块中S6.1条件成立时，电路决定使用来自时域C的数据，则数据CZ(3)被选择传递到输出端DATA_OUT。

当决策模块中S6.2条件成立时，电路决定使用来自时域D的数据，则数据DZ(3)被选择传递到输出端DATA_OUT。

如图9所示，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器中运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种柔性直流输电系统的异步数据接收时序电路的方法的步骤。

传统阀控系统中任意两个板卡之间的数据通信都要依靠背板时钟进行同步通信，这种通信机制完全依赖背板时钟，如果背板时钟发生故障则阀控系统所有板卡之间都不能相互通信，从而造成整个阀控系统瘫痪。而本发明放弃使用背板上的时钟，改用异步数据通信方式，直接由发送板卡发送数据至接收板卡，接收板卡利用自身接收时钟通过本发明的时序电路恢复出接收数据。背板在异步通信过程中仅仅起到连接信号的作用，不用提供时钟信号。避免因使用背板时钟而可能造成系统的瘫痪。大大提升了阀控系统的可靠性。本发明使用异步数据通信，背板上不用提供电源电路、晶振和时钟控制电路等元器件，在保证正常通信的基础上节省了成本。

由技术常识可知，本发明可以通过其它不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的，所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。