Устройство сопряжения и предварительной обработки цифровых данных

Авторы патента:

Полезная модель относится к устройствам, обеспечивающим информационное сопряжение систем цифровой обработки сигналов и устройств с цифровыми интерфейсами, а также выполняющим предварительную обработку цифровых данных, получаемых от устройств с цифровыми интерфейсами, и передачу обработанных данных системе цифровой обработки сигналов. Данные операции выполняются устройством сопряжения и предварительной обработки цифровых данных с целью снижения коммуникационной и вычислительной нагрузки систем цифровой обработки сигналов.

Техническим результатом применения полезной модели является обеспечение снижения величины коммуникационной и вычислительной нагрузки на системы цифровой обработки сигналов со стороны устройств-источников данных для указанных систем.

Устройство сопряжения и предварительной обработки цифровых данных (6) включает в себя, по крайней мере, один интерфейс (3) связи с устройствами с цифровыми интерфейсами, подключаемый к внешним по отношению к полезной модели устройствам с цифровым интерфейсом (7), и связанный со специализированным коммуникационно-вычислительным модулем (2), осуществляющим обработку данных и выполнение математических и логических операций над полученными данными с целью формирования нового набора данных, который в свою очередь через интерфейс связи (4) связан с внешней по отношению к устройству (6) системой цифровой обработки сигналов (1).

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны платы сопряжения аналоговых и дискретных сигналов National Instruments (например, http://sine.ni.eom/nips/cds/view/p/lang/ru/nid/209166), обеспечивающие ввод аналоговых и дискретных сигналов в системы цифровой обработки сигналов. Недостатком названных плат является невозможность их работы с устройствами с цифровыми интерфейсами.

Известны сетевые Ethernet платы (например, http://www.chelsio.com/category/nic/), способные осуществлять прием данных от устройств с цифровыми интерфейсами и передачу данных системе цифровой обработки сигналов. Недостатком данных плат является, то, что они не осуществляют разбор полученных данных и их предварительную обработку, возлагая данную работу в полном объеме на систему цифровой обработки сигналов. В связи с этим, с одной стороны система обработки сигналов находится под значительной коммуникационно-вычислительной нагрузкой, с другой стороны увеличивается время реакции на полученные данные в связи с тем, что системе цифровой обработки сигналов требуется провести значительный объем математических и логических операций над полученными данными и только после этого приступить непосредственно к обработке полученных данных, что при достаточно большом количестве источников данных вносит значительную и недетерминированную по времени задержку в обработку данных. Известны и получили большое распространение протоколы передачи данных от устройств с цифровыми интерфейсами IEC 61850, ProfiNET IO, и т.д. Наибольшее распространение данные протоколы получили в сфере автоматизации управления технологическими процессами, в частности в сфере управления электрическими подстанциями. В рамках управления электрическими подстанциями наибольшую нагрузку на системы обработки данных оказывают данные от устройств с цифровыми интерфейсами, передающими потоки мгновенных значений тока и напряжения, и использующие для этого протокол МЭК 61850-9-2.

Применение указанных протоколов связано с дополнительными сложностями:

Система цифровой обработки сигналов должна поддерживать указанный протокол передачи данных и выполнять предусмотренные протоколами операции над полученными данными, в частности проверять источник сигнала, проверять сервисные поля, описывающие состояние источника сигнала, осуществлять проверку контрольных сумм и/или электронных цифровых подписей к передаваемым данным с целью подтверждения их целостности и отсутствие случайно или намеренно искаженных данных.

В протоколах предусматривается передача значительного объема сервисной информации, использующейся при поиске ошибок, наладке системы, идентификации источников информации, сбора сервисных данных, определения версии используемого протокола и т.д. Система цифровой обработки вынуждена принимать полный объем данных и, после проведения предусмотренных протоколами процедур проверки данных, вычленять из общего массива данные, связанные непосредственно с процессом цифровой обработки сигналов (в некоторых реализациях объем полезных данных составляет до 10% от общего объема переданных данных).

Известны выбранные в качестве прототипа аппаратные модули шифрования/дешифрования данных (например, http://www.dnadis.ru/products/hardware-security-modules/thales-nshiled-solo), способные, как и традиционные сетевые карты Ethernet, осуществлять прием данных от устройств с цифровыми интерфейсами и передачу данных системе цифровой обработки сигналов. Недостатком указанных модулей является их ограниченность операциями шифрования/дешифрования пакетов, при этом выполнение прочих операций возлагается полностью на систему цифровой обработки.

РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

Техническим результатом применения полезной модели является обеспечение снижения коммуникационной и вычислительной нагрузки на системы цифровой обработки сигналов со стороны устройств-источников данных для указанных систем.

Вышеуказанный технический результат достигается за счет реализации в составе предлагаемого устройства сопряжения специализированного коммуникационно-вычислительного модуля, осуществляющего прием и разбор коммуникационного трафика от устройств с цифровыми интерфейсами и выполнение математических и/или логических операций над полученными данными. Кроме этого, в составе устройства сопряжения предусматривается интерфейс связи с системой цифровой обработки сигналов, через который полученные и обработанные данные передаются в систему цифровой обработки сигналов в формате, принятом для данной системы цифровой обработки сигналов. В частном случае интерфейс связи с системой цифровой обработки сигналов может быть выполнен на базе интерфейса PCI-express, либо PXI, PXI-express.

В состав устройства сопряжения включается, по крайней мере, один интерфейс связи с устройствами с цифровыми интерфейсами.

Устройства с цифровыми интерфейсами получили широкое распространение в рамках автоматизированных систем управления технологическими процессами, в частности в системах управления электрическими подстанциями. В составе системы управления электрическими подстанциями в качестве устройств с цифровыми интерфейсами могут выступать электронные и цифровые трансформаторы тока и напряжения, полевые преобразователи и устройства сопряжения с объектом (SAMU - stand alone merging unit), высоковольтное коммуникационное оборудование (выключатели, разъединители, короткозамыкатели т.д.) и т.д. В рамках указанного примера устройств с цифровыми интерфейсами от электронных и цифровых трансформаторов или полевых преобразователей и устройств сопряжения с объектом, подключенных к измерительным трансформаторам тока и напряжения, в систему обработки сигналов передаются мгновенные значения тока и напряжения и метки времени.

В частном случае интерфейс связи с устройствами с цифровыми интерфейсами может быть выполнен на базе интерфейса Ethernet, включая интерфейсы для передачи по медным проводам (10/100/1000BASE-T и т.д.), интерфейсы для передачи по многомодовым и одномодовым волоконно-оптическим кабелям (100BASE-FX, 1000BASE-SX и т.д.). Устройство сопряжения допускает как подключение непосредственно к устройствам с цифровыми интерфейсами, так и подключение через коммуникационные устройства коммутации и маршрутизации пакетов.

Вышеуказанный технический результат достигается за счет того, что данные, получаемые с интерфейсов связи с устройствами с цифровыми интерфейсами, обрабатываются специализированным коммуникационно-вычислительным модулем, в частности, могут выполняться следующие операции, либо аналогичные им:

1. Проверка целостности полученного пакета данных;

2. Проверка элементов защиты пакета данных от изменений и/или дешифрование данных;

3. Проверка источника данных и фильтрование пакетов от иных источников данных (ошибочно адресованных, либо широковещательных сообщений);

4. Проверка полученного пакета данных на соответствие протоколу;

5. Проверка сервисных полей, содержащих информацию о качестве данных, работоспособности устройства с цифровым интерфейсом и о режиме его работы;

6. Выбор значимых для системы цифровой обработки данных из полученных через интерфейсы связи с устройствами с цифровыми интерфейсами пакетов (в частном случае, выбор из пакета IEC 61850-9-2 мгновенных значений тока и напряжения и меток времени);

7. Предварительная обработка полученных данных путем выполнения над ними математических операций с целью получения производного набора данных, отличающегося по объему и значению от наборов полученных данных, но обеспечивающего снижение коммуникационной и вычислительной нагрузки системы цифровой обработки сигналов (в частном случае, расчет средне-квадратичных значений токов и напряжений на полупериодах основной частоты электрической сети путем математической обработки наборов мгновенных значений токов и напряжений);

8. Формирование дополнительных наборов данных путем математической обработки потоков данных от нескольких устройств с цифровыми интерфейсами (в частном случае, расчет дифференциального потока, являющегося разностью между мгновенными значениями из потоков данных, полученных от двух устройств с цифровыми интерфейсами).

При этом исключается выполнение вышеуказанных операций в рамках систем цифровой обработки сигналов, что способствует снижению величины коммуникационно-вычислительной нагрузки на вышеуказанные системы, а также позволяет исключить дополнительные задержки в системах цифровой обработки сигналов, связанные с выполнением вышеуказанных операций, что позволяет, в свою очередь, повысить скорость обработки данных в системах цифровой обработки сигналов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 приведен чертеж, описывающий состав основных компонентов заявленного устройства сопряжения и основную схему применения (подключения) указанного устройства.

На фиг.2 приведена схема, описывающая структуру информационных связей между основными компонентами в составе заявленного устройства, а также направления потоков передачи цифровых данных между компонентами устройства в рамках задач использования устройства по назначению.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

Устройство сопряжения и предварительной обработки цифровых данных (см. фиг.2, поз.6) в общем случае включает в себя, по крайней мере, один интерфейс связи с устройствами с цифровыми интерфейсами (см. фиг.2, поз.3), подключаемый к внешним по отношению к данному устройству сопряжения устройствам с цифровым интерфейсом (см. фиг.2, поз.7) непосредственно, либо через устройства коммутации и маршрутизации пакетов (см. фиг.1, поз.8), и связанный со специализированным коммуникационно-вычислительным модулем (см. фиг.2, поз.2), осуществляющим обработку данных и выполнение математических и логических операций над полученными данными с целью формирования нового набора данных, который в свою очередь через интерфейс связи с системой цифровой обработки сигналов (см. фиг.2, поз.4) связан с внешней по отношению к полезной модели системой цифровой обработки сигналов (см. фиг.2, поз.1).

Технический результат полезной модели связан с тем, что объем данных от устройств с цифровыми интерфейсами (от 7 через 3 к 2 по фиг.2) значительно больше, чем объем данных, передаваемый в систему цифровой обработки сигналов (от 2 через 4 к 1 по фиг.2). При этом не осуществляется потеря значимой для системы цифровой обработки сигналов информации и соответствующие логические и математические операции выполняются без привлечения программных и аппаратных ресурсов системы цифровой обработки сигналов. Данный эффект может достигаться, например, за счет того, что из полученного набора данных удаляются данные, предназначенные для коммуникационной системы и обеспечивающие доставку пакета данных до адресата, фильтруются данные, не адресованные данному устройству сопряжения, но поступившие на его интерфейс, а также осуществляется фильтрация дискретных данных, передаваемых от устройств с цифровыми интерфейсами в каждом пакете данных, если не было их изменения, т.е. в данном случае в систему цифровой обработки сигналов дискретные данные передаются только в случае их изменения.

Дополнительно заявленный технический результат может достигаться за счет того, что специализированный коммуникационно-вычислительный модуль осуществляет расчет агрегированных параметров, т.е. на основании полученных данных осуществляется формирование набора данных, являющегося результатом математических и логических операций, при этом данные агрегированные параметры используются системой цифровой обработки сигналов. В связи с этим с одной стороны сокращается объем передаваемых данных, а с другой стороны снижается коммуникационно-вычислительная нагрузка на систему цифровой обработки сигналов и, таким образом, повышается скорость ее работы.

Дополнительно устраняется необходимость в поддержке системой цифровой обработки сигналов информационных и коммуникационных протоколов, используемых устройствами с цифровыми интерфейсами.

В частном случае устройство сопряжения может быть реализовано в форм-факторе PCI-express или PXI-express карты, оснащенной несколькими Ethernet интерфейсами и содержащей в себе вычислительный компонент на базе микросхемы типа FPGA и/или процессора типа ARM.

1. Устройство сопряжения и предварительной обработки цифровых данных, включающее в себя интерфейс связи с системой цифровой обработки сигналов, по меньшей мере, один интерфейс связи с устройствами с цифровыми интерфейсами, и коммуникационно-вычислительный модуль, выполненное с возможностью приема данных от внешних устройств с цифровыми интерфейсами через соответствующие интерфейсы связи устройства; при этом коммуникационно-вычислительный модуль устройства выполнен с возможностью обработки данных, полученных данным устройством сопряжения от внешних устройств с цифровыми интерфейсами, с обеспечением формирования дополнительного набора данных, являющегося результатом выполнения над данными, полученными от внешних устройств с цифровыми интерфейсами, математических и логических операций, и возможностью предоставления данных, полученных от внешних устройств, и данных, полученных в результате обработки, в систему цифровой обработки сигналов через соответствующий интерфейс связи данного устройства сопряжения.

2. Устройство сопряжения по п.1, отличающееся тем, что выполнено с возможностью приема аналогового или дискретного сигнала в цифровом виде через интерфейс связи с устройствами с цифровыми интерфейсами в форме последовательности мгновенных значений сигнала с привязкой каждого значения в вышеуказанной последовательности к отметке времени.

3. Устройство сопряжения по п.1, отличающееся тем, что обеспечивает прием аналогового или дискретного сигнала в цифровом виде через интерфейс связи с устройствами с цифровыми интерфейсами в форме последовательности сигналов, каждый из которых несет информацию об изменении текущего значения величины аналогового или дискретного сигнала.

4. Устройство сопряжения по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что выполнено с возможностью приема аналогового или дискретного сигнала в цифровом виде через цифровой интерфейс по протоколу МЭК 61850-9-2, и/или в виде GOOSE сообщений по протоколу МЭК 61850-8-1.

5. Устройство сопряжения по п.1, отличающееся тем, что коммуникационно-вычислительный модуль устройства выполнен с дополнительной возможностью непрерывного контроля качества данных, получаемых от внешних устройств с цифровыми интерфейсами, и предоставления данных об изменении качества в систему цифровой обработки сигналов через соответствующий интерфейс связи данного устройства сопряжения.

Похожие патенты: