一种核电厂现场总线通信误码率测试装置及测试方法

摘要

本发明公开了一种核电厂现场总线通信误码率测试装置及测试方法，本发明的测试装置包括误码率检测单元、终端电阻配置单元和通信参数输入/输出单元；所述误码率检测单元基于可编程逻辑器件实现，用于产生伪随机测试信号并将其传输到待测现场总线的链路中以测试该待测现场总线链路的误码率；所述终端电阻匹配单元用于实现误码率检测单元与待测总线的电气隔离，并根据测试参数调整待测现场总线链路匹配终端电阻值；所述通信参数输入/输出单元用于实现待测现场总线的环境参数输入，并将测试得到的通信参数结果输出到上位机。本发明能够全面系统的测试现场总线链路的通信功能和传输信号误码率。

权利要求

1.一种核电厂现场总线通信误码率测试装置，其特征在于，该装置包括误码率检测单元、终端电阻配置单元和通信参数输入/输出单元；

其中，所述误码率检测单元基于可编程逻辑器件实现，用于产生伪随机测试信号并将其传输到待测现场总线的链路中以测试该待测现场总线链路的误码率；

所述终端电阻配置单元用于实现误码率检测单元与待测现场总线的电气隔离，并根据测试参数调整待测现场总线链路匹配终端电阻值；

所述终端电阻配置单元包括隔离收发器和数字电位计；

所述隔离收发器用于实现误码率检测单元与待测现场总线之间的电气隔离防护；

所述数字电位计与误码率检测单元实现待测现场总线链路终端电阻值的调整；

所述通信参数输入/输出单元用于实现待测现场总线的环境参数输入，并将测试得到的通信参数结果输出到上位机。

2.根据权利要求1所述的一种核电厂现场总线通信误码率测试装置，其特征在于，还包括电源管理单元；

所述电源管理单元用于为误码率检测单元、终端电阻配置单元、通信参数输入/输出单元供电。

3.根据权利要求1所述的一种核电厂现场总线通信误码率测试装置，其特征在于，所述误码率检测单元包括两个伪随机序列发生算法模块、两个RAM、计算模块和逻辑控制模块；

其中，所述两个伪随机序列发生算法模块产生两路相同的伪随机序列信号，一路信号注入到待测现场总线上，该信号通过待测现场总线回传并通过逻辑控制模块进行解析，当解析到指定序列时，则将该序列后的所有信息存入到一个RAM中；另一路信号直接通过逻辑控制模块进行解析，当解析到指定序列时，则将该序列后的所有信息存入到另一个RAM中；

所述计算模块用于对两个RAM中的数据进行比较并计算出待测现场总线链路的数据误码率，将测试得到的不同波特率、终端电阻值及误码率通过通信参数I/O接口输出到通信参数输入/输出单元；

所述逻辑控制模块用于根据输入的待测现场总线链路参数进行信号解析，并配置待测现场总线的通信波特率以及接入终端电阻值。

4.根据权利要求1所述的一种核电厂现场总线通信误码率测试装置，其特征在于，所述隔离收发器为RS485隔离收发器。

5.根据权利要求1所述的一种核电厂现场总线通信误码率测试装置，其特征在于，所述通信参数输入/输出单元用于实现待测现场总线环境参数的输入，所述待测现场总线环境参数包括节点数量、线缆类型、传输距离、寄生参数或通信波特率。

6.根据权利要求1所述的一种核电厂现场总线通信误码率测试装置，其特征在于，所述可编程逻辑器件为FPGA。

7.一种核电厂现场总线通信误码率测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：将两个如权利要求1‑6任一项所述的核电厂现场总线通信误码率测试装置分别接入到待测现场总线链路的首尾两端；

首尾两端的测试装置分别通过通信参数输入/输出单元输入待测现场总线环境参数，完成对待测现场总线测试信号的配置；

配置成功后，将首尾两端的测试装置分别接入总线链路，尾端测试装置从总线接口接收到的伪随机测试信号进行解析，并透传回首端测试装置；

首端测试装置再将回传的信号数据进行解析，当解析到指定序列时，将该序列后的所有信息存入到一个RAM中，对比模块将两个RAM中存入的两路以指定序列为起始位的伪随机序列进行bit比较，得到给定终端电阻和通信波特率条件下的对应误码率。

8.根据权利要求7所述的一种核电厂现场总线通信误码率测试方法，其特征在于，还包括：

通过首端测试装置的通信参数输入/输出单元将测试参数传输给上位机；

工作人员根据测试参数配置待测现场总线的参数并通过上位机发送给首端测试装置的通信参数输入/输出单元；

首端测试装置中的误码率检测单元根据通信参数输入/输出单元接收到的配置参数控制终端电阻配置单元输出对应的阻值参数到待测现场总线链路中。

9.根据权利要求7所述的一种核电厂现场总线通信误码率测试方法，其特征在于，所述待测现场总线链路上的多个节点设备采用菊花链的拓扑结构接入到总线上。

说明书

一种核电厂现场总线通信误码率测试装置及测试方法

技术领域

[0001] 本发明属于核电厂安全级保护系统仪控装置领域，具体涉及一种核电厂现场总线通信误码率测试装置及测试方法。

背景技术

[0002] 在核电领域数字化仪控系统中，通信网络技术和控制系统的发展与进步，使得现场总线控制系统在核电领域里得到很好的应用。目前业界主要使用的有Profibus总线、
Modbus总线、Interbus总线等现场总线控制系统标准。现场总线物理层传输技术常采用RS‑
485标准传输，屏蔽双绞线电缆作为传输线缆，传输速率可在4.8kbit/s～12Mbit/s之间选
用，所选用的传输通信波特率根据实际通讯距离、线缆规格及终端电阻设置等参数进行设
计。现场总线长距离传输时，传输线缆的寄生参数会造成总线链路阻抗不连续进而产生反
射噪声信号，影响通信数据链路，使得通信误码率增大。解决办法是通过配置终端电阻和降
低通信波特率来降低总线链路的误码率，但终端电阻和通信波特率的配置参数往往根据设
计前期模拟计算进行设置，在施工过程中不能很好的根据现场布线的差异进行可靠的通信
参数调整，而且不同厂家节点设备的接入会改变总线链路的实际阻抗，目前现场应用都没
有对调整后链路进行有效的误码率测试，并优化总线链路通信参数，缺乏灵活性的同时可
靠性能较差。

发明内容

[0003] 针对目前现场总线在具体施工过程中缺乏的误码率检测，即对总线链路通信参数设置后进行通道信号质量测试，进而优化总线链路通信参数设计。本发明提供了一种核电
厂现场总线通信误码率测试装置。

[0004] 本发明通过下述技术方案实现：

[0005] 一种核电厂现场总线通信误码率测试装置，该装置包括误码率检测单元、终端电阻配置单元和通信参数输入/输出单元；

[0006] 其中，所述误码率检测单元基于可编程逻辑器件实现，用于产生伪随机测试信号并将其传输到待测现场总线的链路中以测试该待测现场总线链路的误码率；

[0007] 所述终端电阻匹配单元用于实现误码率检测单元与待测总线的电气隔离，并根据测试参数调整待测现场总线链路匹配终端电阻值；

[0008] 所述通信参数输入/输出单元用于实现待测现场总线的环境参数输入，并将测试得到的通信参数结果输出到上位机。

[0009] 本发明的测试装置基于可编程逻辑器件实现传输误码率的测试，并输出传输距离下不同通信波特率对应的误码率，同时测量出给定传输距离下最优的终端匹配电阻值和通
信波特率，便于工程应用中根据实际需求配置适合的传输参数。

[0010] 可选的，本发明的装置还包括电源管理单元；

[0011] 所述电源管理单元用于为误码率检测单元、终端电阻配置单元、通信参数输入/输出单元供电。

[0012] 可选的，本发明的误码率检测单元包括两个伪随机序列发生算法模块、两个RAM、计算模块和逻辑控制模块；

[0013] 其中，所述两个伪随机序列发生算法模块产生两路相同的伪随机序列信号，一路信号注入到待测总线上，该信号通过待测现场总线回传并通过逻辑控制模块进行解析，当
解析到指定序列时，则将该序列后的所有信息存入到一个RAM中；另一路信号直接通过逻辑
控制模块进行解析，当解析到指定序列时，则将该序列后的所有信息存入到另一个RAM中；

[0014] 所述计算模块用于对两个RAM中的数据进行比较并计算出待测现场总线链路的数据误码率，将测试得到的不同波特率、终端电阻值及误码率通过通信参数I/O接口输出到通
信参数输入/输出单元；

[0015] 所述逻辑控制模块用于根据输入的待测现场总线链路参数进行信号解析，并配置待测现场总线的通信波特率以及接入终端电阻值。

[0016] 可选的，本发明的终端电阻配置单元包括隔离收发器和数字电位计；

[0017] 其中，所述隔离收发器用于实现误码率检测单元与待测现场总线之间的电气隔离防护；

[0018] 所述数字电位计与误码率检测单元实现待测现场总线链路终端电阻值的调整。

[0019] 可选的，本发明的隔离收发器为RS485隔离收发器。

[0020] 可选的，本发明的通信参数输入/输出单元用于实现待测现场总线环境参数的输入，所述待测现场总线环境参数包括节点数量、线缆类型、传输距离、寄生参数或通信波特
率。

[0021] 可选的，本发明的可编程器件采用但不限于FPGA。

[0022] 另一方面，本发明还提出了一种核电厂现场总线通信误码率测试方法，该方法包括以下步骤：

[0023] 将两个上述核电厂现场总线通信误码率测试装置分别接入到待测总线链路的首尾两端；

[0024] 首尾两端的测试装置分别通过通信参数输入/输出单元输入待测总线环境参数，完成对待测总线测试信号的配置；

[0025] 配置成功后，将首尾两端的测试装置分别接入总线链路，尾端测试装置从总线接口接收到的伪随机测试信号进行解析，并透传回首端测试装置；

[0026] 首端测试装置再将回传的信号数据进行解析，当解析到指定序列时，将该序列后的所有信息存入到一个RAM中，对比模块将两个RAM中存入的两路以指定序列为起始位的伪
随机序列进行bit比较，得到给定终端电阻和通信波特率条件下的对应误码率。

[0027] 本发明将上述设计的测试装置直接接入到现场总线链路，灵活配置终端电阻和通信速率等参数，通过检测链路的误码率对总线质量进行评估，并给出最优的总线终端电阻
配置参数和远距离通信下最大通信波特率。

[0028] 可选的，本发明的方法还包括：

[0029] 通过首端测试装置的通信参数输入/输出单元将测试参数传输给上位机；

[0030] 工作人员根据测试参数配置待测现场总线的参数并通过上位机发送给首端测试装置的通信参数输入/输出单元；

[0031] 首端测试装置中的误码率检测单元根据通信参数输入/输出单元接收到的配置参数控制终端电阻配置单元输出对应的阻值参数到待测现场总线链路中。

[0032] 可选的，本发明的待测现场总线链路上的多个节点设备采用菊花链的拓扑结构接入到总线上。

[0033] 本发明具有如下的优点和有益效果：

[0034] 1、本发明的测试装置基于可编程逻辑器件(FPGA)设计了伪随机序列生成算法模块，进行通信链路通道信号质量的误码率测试，并根据测试结果反馈到终端电阻配置电路
进行阻值参数设置优化，同时可根据实际现场总线通信协议如Modbus、Profibus等协议进
行数据帧格式编解码汇总测试，全面系统的测试总线链路的通信功能和传输信号误码率。

[0035] 2、本发明由于FPGA可以通过并行处理和流水线设计，达到更高的数据处理能力，使得测试总线误码率可做到快速检测，缩短测试时间。

附图说明

[0036] 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

[0037] 图1为本发明的测试装置原理框图。

[0038] 图2为本发明的误码率检测单元原理框图。

[0039] 图3为本发明的终端电阻配置单元原理框图。

[0040] 图4为本发明的测试装置应用原理示意图。

具体实施方式

[0041] 在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在
本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数
字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它
特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、
步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

[0042] 在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括
B或可包括A和B二者。

[0043] 在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺
序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装
置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各
种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一
元件。

[0044] 应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成
元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件
和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

[0045] 在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清
楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具
有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语
(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义
相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种
实施例中被清楚地限定。

[0046] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作
为对本发明的限定。

[0047] 实施例1

[0048] 本实施例提出了一种核电厂现场总线通信误码率测试装置。本实施例的测试装置基于可编程逻辑器件(FPGA)实现传输误码率的测试，并输出传输距离下不同通信波特率对
应的误码率，同时，测量出给定传输距离下最优的终端匹配电阻值和通信波特率，便于工程
应用中根据实际需求配置适合的传输参数。

[0049] 如图1所示，本实施例的测试装置包括误码率检测单元、终端电阻配置单元、通信参数输入/输出单元及电源管理单元。

[0050] 测试装置各个功能单元说明如下：

[0051] 1、误码率检测单元：

[0052] 本实施例的误码率检测单元基于FPGA实现，包括两个伪随机序列发生算法模块、两个RAM、计算模块和逻辑控制模块。

[0053] 本实施例的两个伪随机序列发生算法模块产生两路相同的伪随机序列信号，一路信号注入到待测现场总线上，该信号通过待测现场总线回传(该信号通过总线末端的测试
装置透传回首端测试装置)并通过逻辑控制模块进行解析，当解析到指定序列时，则将该序
列后的所有信息存入到一个RAM(RAM1)中；另一路信号直接通过逻辑控制模块进行解析，当
解析到指定序列时，则将该序列后的所有信息存入到另一个RAM(RAM2)中。

[0054] 本实施例的计算模块(包括如图2所示的bit比对模块和BER计数模块)用于对两个RAM中的数据进行比较并计算出待测现场总线链路的数据误码率，将测试得到的不同波特
率、终端电阻值及误码率通过通信参数I/O接口输出到通信参数输入/输出单元。

[0055] 本实施例的逻辑控制模块用于根据输入的待测现场总线链路参数进行信号解析，并配置待测现场总线的通信波特率以及接入终端电阻值。

[0056] 为便于两路数据进行比较，故通过添加指定序列来触发记录伪随机序列存入对应RAM中。误码率检测单元内部逻辑设计如图2所示。

[0057] 2、终端电阻配置单元

[0058] 终端电阻配置单元主要由RS485隔离收发器和数字电位计组成。RS485隔离收发器实现总线和控制电路电气隔离防护，将外场总线高压阻挡在测试装置电路系统之外，可以
有效地保护系统安全及操控人员自身安全。

[0059] 由于终端电阻值设置取决于数据传输速率、电缆长度及信号转换速率等因素，故根据测量的误码率合理调整接入总线链路匹配终端电阻数值，来满足传输线缆的阻抗连续
性。终端电阻阻值调整过程通过误码率检测单元和数字电位计来实现。终端电阻配置单元
电路框图如图3所示。

[0060] 3、通信参数输入/输出单元

[0061] 通信参数输入/输出单元主要完成测试总线环境参数键入，如节点数量、线缆类型、传输距离、寄生参数等信息，并将测试的通信参数结果输出到上位机。接口电路为RS232
接口。该单元还可根据不同总线通信协议设置测试通信数据格式，FPGA接收到设置协议后，
按照指定协议测试总线链路通信功能，满足不同协议下的数据链路测试，更好的匹配实际
运行环境。

[0062] 4、电源管理单元

[0063] 电源管理单元为测试装置提供电源供给及启动时序管理，并具有热插拔功能。

[0064] 本实施例的测试装置接入总线链路的首尾两端对总线注入检测数据，测试不同通信波特率对应的误码率，并测试最优误码率下对应的总线链路终端匹配电阻、波特率等通
信参数。

[0065] 实施例2

[0066] 基于上述实施例1提出的测试装置实现对一待测现场总线的测试，具体过程如下：

[0067] 现场实际应用测试装置接入方式如图4所示，配置两个测试装置分别接入总线链路的首尾两端。总线链路上的多个节点设备采用菊花链的拓扑结构接入到总线上，这种拓
扑结构要求节点接入总线的分支线长度尽量小，一般控制在40cm以内，防止分支线过长对
信号造成干扰。本设计采用专用的现场总线D‑SUB连接器在连接器直接分支出两路来接入
总线，消除分支线路过长影响因素，提高通信可靠性。

[0068] 首端和尾端测试装置通过通信参数输入/输出单元接口接收实际现场总线参数如总线线缆传输阻抗、总线线缆长度、通信波特率，节点数量等信息后，完成对注入总线测试
信号的配置，配置信息包括终端电阻值、通信波特率等。配置成功后，将首尾端测试装置分
别接入总线链路。尾端测试装置将总线接口接收到的伪随机测试信号进行解析，并透传回
首端测试装置。首端测试装置再将透回传的数据进行解析，当解析到指定序列时，将该序列
后的所有信息存入到FPGA内部RAM1中。对比模块将RAM1和RAM2中存入的两路以指定序列为
起始位的伪随机序列进行bit比较，对4.8kbit/s～12Mbit/s通信速率段的常用几个波特率
(如9600bps、115200bps等)进行每个波特率测试循环100个周期，得出在给定终端电阻和通
信波特率条件下的对应误码率BER。最后通过首端测试装置的通信参数输入/输出单元接口
输出测试信息，工作人员根据测试参数配置现场总线的终端匹配电阻和通信波特率等参
数，配置参数通过上位机发送给参数输入/输出单元接口再控制终端电阻配置单元输出对
应的阻值参数接入到总线链路中。利用该测试装置可有效提高总线信号通信质量及通信可
靠性。

[0069] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明
的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。