（控制科学与工程专业论文）基于fpga的控制系统高效通信架构的设计与实现.pdf

摘要 摘要 近年来，随着流程工业的发展，对集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 性能要求越来越高，而系统的通信架构( 板卡间通信总线) 是整个系统的数据传输枢纽， 总线的效率( 主要包括实时性、可靠性、容错能力) 直接影响了整个控制系统的性能， 怎样提高总线效率已经成为各个d c s 厂家关注的焦点。 本文提出了一种应用于集散控制系统的实时、高效通信架构( 控制系统内部扩展总 线) ，首先给出了系统的总体设计，利用高效的二级缓冲和电气扩展，提高了系统的可 扩展性和柔性，采用双通道和并行通信设计以提高系统的传输效率，采用通道间热冗余 设计以提高总线传输的可靠性。 论文随后具体地介绍了总线接口的软硬件设计方法及总线协议的设计通信架构主 要由可编程逻辑阵列( f p g a ) 、复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 及a r m 7 嵌入式微处理 器构成，在保证总线高速传输特性的基础上，实现了目标模块无冲击热插拔。在扩展模 块的设计上，实现了数据的微延时透明转发，提高了系统的透明度和效率。在总线协议 的设计上，采用了统一的帧结构，简化了系统，且在充分利用了硬件优势的基础上，制 定了高效的链路层协议，最大限度的提高系统的效率。 最后，本文将设计的架构方案应用到控制系统原理样机上，进行了一系列性能测试， 为说明自身优势，我们对主流控制系统也进行了同样的性能测试，结果表明本文设计的 高效通信构架具有更好的实时性和可靠性。 关键词：集散控制系统，通信架构，通道热冗余，可编程逻辑阵列，复杂可编程逻辑器 件，热插拔，总线协议 i i i a b s t m c l a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp r o c e s si n d u s t r y ，i ts e ti n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t s t ot h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r eo ft h ed c si s s y s t e m sd a t ah u bw h i c hh a v ed i r e c t l yi n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l ec o n t r o l s y s t e m ，s oh o wt oi m p r o v eb u se f f i c i e n c yh a sb e c o m et h ef o c u so fa t t e n t i o na t a l ld c s m a n u f a c t u r c r s ah i g he f f i c i e n c yc o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r ea p p l i e di nd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( c o n t r o ls y s t e mi n n e re x t e n d i n gb u s ) w a sp r o p o s e di nt h i sp a p e rf i r s t l yt h eo v e r a l l f r a m e w o r ko ft h es y s t e mw a sd i s c u s s e d , w h i c hu s e dt h eh i g h l y - e f f i c i e n ts e c o n d a r ye x t e n s i o n t om a d et h es y s t e mv e r yf l e x i b l e ，u s e dt h ed u a l c h a n n e la n dp a r a l l e lc o m m u n i c a t i o nm e t h o d t oi n c r e a s et h es y s t e m st r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y , a n du s e dt h er e d u n d a n c yb e t w e e nt h et w o c h a n n e l st oe n h a n c et h er e l i a b i l i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o n t h ed e s i g no ft h eb u si n t e r f a c ea n db u sp r o t o c o lo ft h ec o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r ew a s d e m i l e dt h e n t h ec o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e ，w h i c hw a sm a i n l yc o n s i s t e do ff p g a ，c p l d a n da r m 7c p u ，i m p l e m e n t e dh o ts w a po nt h et a r g e tw i t hh i g h s p e e dt r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c s a st ot h ed e s i g no fe x t e n s i v em o d u l e ，m i c r o l a t e n c yf o r w a r d i n go fd a t aw a s i m p l e m e n t e dw h i c hi m p r o v e dt h et r a n s p a r e n c ya n de f f i c i e n c yo ft h ec o n t r o ls y s t e m a st ot h e d e s i g no ft h eb u sp r o t o c o l ，au n i f i e df r a m es t r u c t u r ew a sa d o p t e dw h i c hs i m p l i f i e dt h es y s t e m ， a n dt h ep r o t o c o lo fl i n kl a y e rw a sf o r m u l a t e do nt h eb a s i so ft h eh a r d w a r ea d v a n t a g e sw h i c h i n c r e a s e dt h es y s t e m se f f i c i e n c ya sg r e a ta sp o s s i b l e as e r i e so ft e s t so ft h ec o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r ew a si m p l e m e n t e do nt h ep r o t o t y p e u l t i m a t e l y , a n ds a m et e s t sw a sa l s oc a r r i e do u to nt h es o m eo t h e rc o n t r o ls y s t e m s ，t h er e s u l t s s h o wt h a ti th a sh i g hr e a l - t i m ep e r f o r m a n c ea n dh i i g hr e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，c o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e ，c h a n n e lr e d u n d a n c y , f i e l d - p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p o a ) ，c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) ，h o t s w a p ，b u sp r o t o c o l v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得浙江太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位做作者始乡剜蝴期：乃加年歹州日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江太堂有权保留并向国家有关部门或机构送交 本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权浙婆太堂可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印，缩印或扫描等复 制手段保存，汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 弛绍专 导师签名： 签字日期：知肋年3 月76 日 签字日期：纠少年3 月7 2 日 致谢 致谢 在攻读硕士研究生的两年时间里，我得到了许多师长、师兄、同学和朋友的热心帮 助和支持，有了你们在身边，我才能取得今天的成果。 首先感谢我的导师黄文君研究员，您的智慧、学识和对工作的态度在这两年间一直 深深地影响着我，虽然您的工作很忙，但仍然坚持不断地给予我们以教诲，在平时的工 作生上也经常抽空给予我们指导。在我们的研究生生涯里，你从硬件技术入门，到嵌入 式软件技术，最后到系统构架，层层深入的对我进行指导，使我从什么都不懂得一个本 科生，成长为知识面广且有专攻的一名研究生，这完全得益于您的教导方式，您的悉心 指导。让我获益更多的是，您教会了我们如何学习，我们如何做人，如何走向社会，方 法的教育永远是胜过知识的教育的，懂得了这些方法，才能让我们成功走上社会，所以 在这里我要再次向您表示感谢! 其次我要感谢我的另一位导师胡协和教授，您不仅在学 - - j 方法上给了我很大的指 导，而且在我的生活上也给予了我很大的帮助，您和蔼的教学态度给我留下了深刻的印 象。 感谢在项目上给予我很多指导的张小刚、陆卫军、胡玉超、余浩洋、陈军伟等，没 有你们的帮助，我不可能顺利完成许多项目，获得很多宝贵的经验，在黄老师工作繁忙 的时候，也是你们不断地指引着我前进的方向，让我不至于在知识的森林中迷失方向。 感谢李明辉、谢东凯、吴成伟虞乐丹等和我一起奋斗的实验室兄弟姐妹们，虽然 我们即将各奔前程，但这两年来你们对我的帮助和照顾让我度过了一段难以忘怀的美好 时光，我会永远记住你们。 感谢和我同班六年的童一飞同学，感谢你在这宝贵的六年里给我的帮助，在这六年 中，我们总是并肩作战，同甘共苦，一起克服了许多困难，希望以后依然能够如此。 感谢宓宵凌、李晶晶等师弟师妹们，在你们细心的协助下，我才能顺利完成我的全 部毕业课题，也感谢你们为我的研究生生活增添许多的乐趣。 最后，我还要感谢我的父母和家人，没有你们的支持和帮助我无法完成学业，谢谢 你们! 1 绪论 1 1 集散控制系统及其通信构架 集散拉审9 系统( d i s l r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ，d c s ) ，是以多个微赴理机为基础，利用 现代网络技术现代控制技术，图形显示技术和冗余技术等实现对分散控制对象的 调节，监祝管理的控制技术准确的说，d c s 是主要面向石油、冶金、化工等大型沆程 工业的分布式计算机控舸系统，这种系统安装于工业现场，对可靠性，可扩展性( 距 离扩展和帕幔块数量扩展) 有很高的要求，因此它往往具有i o 模块数量众多( 1 2 8 个 甚至更多) 、内部总线具有二缎扩晨( 既有短距高的底板总线又有各个底板之问的扩晨 总线) 的特点一个完整的集散控制系统的一般结构如图i 一1 所示： 拉耕# 拉* # “#控制#控村# 田i i 控制系统结构田 其中控制站是整个控制系统植心，主要完成底层数据的呆集以及对底层执行部 件的控制，其上层的工程师站，操作员站以及数据站，主要完成系统组态，系统运 行的监控、历史数据存储等功能本文重点研究控制系统控制站的内部通信构架 一个控制站一般由一个或者几个控制机柜组成，机柜与机柜问采用某种总线相 连，控制站内部一般结构示意图如图i 2 所示。 浙江大学硕上学纯论文 图1 - 2 控制站机柜内部结构图 图中已给出机柜内部的组成部件，有些控制系统可能没有机柜，只有机架，但 几乎所有控制系统都包括主控制器( 也称主控卡或主卡) 、i o 卡( 也称从卡) 、 扩展模块( 扩展卡) 以及i o 机架这几个部件，其中主卡所在的i o 机架称为主机 架，其他机架称为扩展机架，主机架与扩展机架通过扩展模块相连。本文把机柜内 部的总线构架统称为本地总线或者底板总线，这也是本文的研究内容，把机柜与远 程机柜间、机柜与远程机架间的总线称为远程总线，远程总线一般距离较远，且总 线也直接暴露在工业现场，易受干扰，因此其设计原则也和本地总线大不相同，本 文不对其做重点讨论。 本文所研究的控制系统内部通信构架( 本地总线构架) 即包括了机架内部的总 线结构，又包括了机架与机架问的总线结构。为叙述方便，下文把包含主控制器、 i o 卡以及i o 机架的控制单元狭义地称为控制系统。 控制系统的通信构架对于d c s 整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定 性的作用，因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。一个设计优秀的d c s 内部 通信构架，必须满足以下三方面的要求：( i ) 必须满足实对性的要求，即在确定的 时问限度内完成信息的传送，印无论何种情况下，信息传送都能在这个时问限度内 完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。系统的实时性主 2 第一章绪沦 要和两个因素有关，一是主控卡和i o 卡的反应时间，印输入输出时间，二是系统 通信构架的通信速率和通信效率。( 2 ) 系统通信构架还必须非常可靠，无论在任何 情况下，网络通信都不能中断。( 3 ) 系统的通信构架必须使系统易扩展，包括板卡 数量的扩展和机架间距离的扩展，这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面 也可以针对不同的应用场合，方便地调整机架的位置。本文所述的高效通信构架正 是基于上述三点要求而设计的，所述的通信构架的高效性包括了高可靠性、高实时 性和高可扩展性。 1 2 现今主流控制系统的通信构架 现今主流的集散控制系统有很多，比如西门子s 7 3 0 0 控制系统【2 1 ，艾默生d e l t a v 控 制系统【3 1 等，但这些控制系统厂家都对其控制系统的总线技术保密，外界根本无法了解 其核心技术，这很大程度上阻碍了控制系统内部总线技术的发展本文第二章将对西门 子s 7 3 0 0 系统以及艾默生d c l t a v 系统的内部通信构架进行剖析，力求深入了解它们的设 计方法，为自行设计控制系统通信构架提供参考。 1 3 现今主流的通用总线技术 现今主流的通用总线技术主要包括现场总线技术和计算机总线技术两大块，下文将 逐一讨论这两块中较典型的总线技术。 1 3 1 现场总线技术 现场总线技术主要应用于现场总线控制系统，近些年，随着现场总线控制系统的不 断发展，涌现了很多优秀的现场总线技术，比较典型的有：女g c a n 、f f 、c o n t r o l n e t 、 l o n w o r k s 、p r o f i b u s f 4 - 8 】，本节将对其中的几种总线做简要介绍，详细介绍已在文献【4 - 8 】 中给出。 1 3 1 1c a n 总线技术1 9 。1 0 i 控制器局域网c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t ) 是德国b o s c h 公司于1 9 9 3 年推出的，主要 用于各种过程检测及控制，并且广泛应用于离散控制领域，目前c a n 已逐步应用到其 3 浙江火学硕l j 学化论文 它工业控制中。其总线规范已被i s o 国际标准组织确定为国际标准( i s o 1 1 8 9 8 国际标 准) 。c a n 在我国的应用较早，我国华控技术公司基于c a n 协议开发了s d s 智能分布 式系统，和利时公司开发的h s 2 0 0 0 系统的内部网络就是应用c a n 总线。 c a n 采用多主工作方式，节点之间不分主从，但节点之间有优先级之分，通信方 式灵活，可实现点对点，一点对多点及广播方式传输数据，无需调度。c a n 采用的是 非破坏性总线仲裁技术，按优先级发送，可以大大节省总线冲突仲裁时间，在重负荷下 表现出良好的性能。c a n 采用短帧结构传输，每帧有效字节为8 个，传输时间短，受 干扰的概率低，目每帧信息都有c r c 校验和其它裣错措施，保证数据出错率极低。当 节点出现严重错误时，具有自动关闭功能，以切断该节点与总线的联系，使总线上的其 它节点及通信不受影响可见，c a n 是非常可靠的。c a n 总线可采用双纹线、同轴电 缆或光纤作为传输介质。它的直接通信距离最远可达1 0 k m ，通信速率最高达i m b p s ( 此 时通信距离为4 0m ) ，总线上可挂设备数主要取决于总线驱动电路，最多可达l l o 个， 报文标志符可达2 0 3 2 种，而扩展标准的报文标志符几乎不受限制。 1 3 1 2p r o f i b u s 总线技术l u - l z i p r o f i b u s 是p r o c e s sf i l e db u s ( 过程现场总线) 的缩写，是日前国际上最为流行的 现场总线之- - ( i e c6 1 1 5 8 3 ) 。p r o f i b u s 总线以其技术的成熟性、完整性和应用的可靠 性等多方面的优秀表现，在世界范围内得到了最广泛的应用，并于1 9 9 5 年成立 p r o f i b u s 国际组织( p i ) 。我国也在1 9 9 7 成立了p r o f i b u s 用户组织，并于2 0 0 1 年 p r o f i b u s 被批准为中国的行业标准j b 厂r1 0 3 0 8 3 2 0 0 1 。 p r o f i b u s 是一种家族武现场总线，包括p r o f i b u s f m s ，p r o f i b u s d p , p r o f i b u s p a 3 个部分。p r o f i b u s f m s 是在最初的p r o f i b u s 系统，主要面向车间 级主站通用的、对等的、面向对象的通讯。主要应用领域是大数量的数据传输，或将若 十个分散的过程部分集成到一个公共过程，不过要注意的是p i 己不再支持f m s 的发展。 p r o f i b u s d p 用于电气自动化与设备自动化中快速的数据交换，具有设置简单价格 低廉，功能强大的特点。p r o f i b u s p a 主要是为过程控制的特殊要求而设计的。它的 数据传输和电源共用一根电缆，可以用于本质安全或一般过程控制的场合。 4 第一章绪论 1 3 1 3l o n w o r k s 总线1 1 3 - 1 4 i l o n w o r k s 技术是美国e c h e l o n 公司1 9 9 1 年开发推出，并与m o t o r o l a 和东芝公司 共同倡导的现场总线技术。主要应用于楼字自动化、工业自动化和电力等行业， l o n w o r k s 采用i s o o s i 模型的全部7 层通讯协议，采用面向对象的设计方法，通 过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外 线等多种通信介质，通讯速率从3 0 0 b i t s 至1 5 m s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b i t s ) 。 l o n w o r k s 与其它现场总线相比，有其独特的优势与特点： 1 ) 功能强大的神经芯片，神经芯片是l o n w o r k s 系统设备的核心器件，对于控制网 络开发人员而言，神经芯片的特征在于它的完整性，神经芯片内的处理器和内嵌的通信 l 办议简化了系统编程，准确地说，神经芯片己经提供了i s o o s i 通信协议模型的前6 层，仅需要开发商进行应用层编程和参数配置，因此，基于神经芯片的系统开发相当简 便。 2 ) 系统的互操作性，l o n w o r k s 系统提供了一个开放系统设计平台，使得不同厂家的 产品在l o n 网上都可以实现无缝互操作。 3 ) 通信协议，l o n t a l k 是l o n w o r k s 系统的灵魂，它固化于神经芯片中，是直接面向 对象的网络协议，l o n t a l k 支持多种传输介质和多种传输速度，其地址设霞方法提供了 巨大的寻址能力，提供了可靠的通信服务，保证了数据的可靠传输。 1 3 1 4 现有现场总线的不足 现有的现在总线技术大体上可分为两块( 1 ) 专用的、封闭的现场总线，此类现场 总线由各家控制系统公司、计算机公司、科研院所、大专院校自行研制的现场总线控制 系统。往往是针对某一具体项目定向设计，适应面比较窄，在它们自己的范围内都可以 做得很好，很理想，效率也是最高的。但是在相互连接时就显得各项指标参差不齐，推 广与维护都比较难以协调。( 2 ) 开放的现场总线，此类现场总线虽说是开放的，但其中 绝大部分都是有条件开放，仅对成员开放，比如f f 、c o n t r o l n e t 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 等等。生产商必须成为该现场总线组织的成员，缴纳一定的会费，且产品需经该组织的 测试、认证方可以在该现场总线系统中应用。因此现场总线技术大都还是需要收费的， 而且其中很多协议的实现也需要专用的控制模块实现，比如p r o f i b u s 总线协议的实现需 5 浙江人学硕上学位沦文 要购买p r o f i b u s 主从模块，因此使用现场总线协议的成本并不是很小。 现场总线协议参照了o s i 七层模型，因此很多协议包含的协议层数过多，过于复杂， 从而降低的数据传输效率。从应用上来讲，现场总线是将自动化最底层的现场控制器和 现场智能仪表设备互连的实时控制通信网络，因此它们的通信速率往往不高，实时性能 很难和d c s 系统内部总线相比。 1 3 2 计算机总线技术 计算机总线一般由内部总线、系统总线和外部总线三部分组成。内部总线是微机内 部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互联；而系统总线是微机中各插件 板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互联；外部总线则是微机和外部设备之间的 总线，微机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，是用于设备一 级的互联。 随着计算机技术的飞速发展，计算机应用领域的不断扩大，随之相应的总线技术也 得到不断创新，由p c x t 到i s a 、m c a 、e i s a 、v e s a 再到p c i 、a g p 、i e e e1 3 9 4 u s b 总线【”1 等，计算机总线虽然种类繁多，但总体发展方向是不变的，就是朝着更快速的 方向发展，这使得计算机总线技术变得越来越复杂，应用成本也大大提高。下文将简单 介绍p c i 总线技术，其他总线技术已在文献 1 5 】中有详细介绍。 1 3 2 1p c i 总线技术介绍1 1 6 - 1 7 i p c i 的含义为外设部件互连( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) ，由i n t e l 公司于1 9 9 1 年进行定义。其闻经历了数次的修订，目前使用的p c i 版本为2 1 和2 2 版本。p c i 总 线己成为微型计算机事实上的总线标准，并在嵌入武计算机和工业控制计算机方面具有 广泛的应用前景。p c i 总线的发展一方面是由于它具有与其它总线相比强大的功能和良 好的性能：它独立于处理器，便于处理器升级；具有3 2 位6 4 位数据总线，最大数据传 输率可达到1 3 2 m b ( 3 3 m h z ) 2 6 4 m b ( 6 6 m h z ) ；支持多达2 5 6 个p c i 局部总线，每个p c i 局部总线支持8 0 个p c i 功能；支持突发传送；并行同步操作；采用隐式总线仲裁；低 功耗设计，用反射波信号驱动。图1 3 所示为p c i 总线的信号线。 6 第一章绪论 地址，数 据线 接口控i 制信号i 错误报 警信号 仲裁信 号 系统信r ， 号 、 a d 6 3 ：0 夕 八 1 ic e b 3 ：0 # 堑差p a r 卫 a c k 6 4 萍一 p c i 总线 l o c k 苷一 设备 m a 弘一 i n t b 擤一 n q t c * 一 d 订t 博一 l 汪q 拈一t d 卜 l l 卜一 t m s 1 r s l 辨一 鲥位总线 扩展信号 接口控制 中断信号 边界扫描 信号 图i - 3p c i 总线的信号线示意图 如图1 3 所示，p c i 协议规定了近百的信号线，但在实现工程应用中并非每根信号 线都要用到。如作者所开发的p c i 总线从设备只使用了其中的4 9 根信号线( 不合电源线 和地线。 p c i 总线在进行数据传输时，各信号线间有严格的时序关系。只有在保证信号线时 序关系适当时，p c i 总线才能正常工作。但在许多实际工程应用中，并不要求对p c i 总 线操作的时序非常熟悉，因为目前有很多p c i 总线专用接口芯片可供选择。国内芯片如 c h 3 6 5 ，国外芯片如p c i 9 0 5 2 等都是支持p c i2 1 版协议的协议芯片。 综上所述，p c i 总线虽然传输速率非常高，但其需要专用的控制器实现接口，其技 术复杂度也较大，总线比较复杂，如应用到控制系统中，反而会对控制系统的可靠性造 成影响，而且p c i 总线传输距离较短，难以实现机架间的总线扩展。 1 4 本文的研究背景及意义 各个厂家对其集散控制系统内部总线都实施技术保密，我们无法直接使用，另外， 现今主流的现场总线协议多为变送器、传感器等底层设备级的通信服务，多应用于现场 总线控制系统( f c s ) ，它们往往通信速率不高，实时性较差，无法完全满足高实时性 控制系统的要求，而且现场总线协议有严格的规范，其中很多协议实现比较复杂【1 8 】， 不能很好的满足集散控制系统内部通信简单、高效的要求。此外，通用计算机总线，因 兼容性、复杂性、可靠性、可扩展性等多方面因素，至今没有很好的应用于集散控制系 7 、lll；、l、ll_ 浙江犬学硕上学位论文 统。基于以上原因，完全自主的研发一种高效、可靠的控制系统内部通信总线，无论是 对控制设备厂商，还是对整个控制领域都是非常有意义的，但由于国外技术封锁、自主 开发难度大等原因，国内在控制系统通信架构这一领域的研究进展比较缓慢。 针对这种情况，在充分考虑成本、控制系统分布式结构要求、系统可靠性要求的基 础上，提出了一种基于现场可编程门阵列( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 的 控制系统高效通信架构，也称控制系统内部扩展总线( c o n t r o ls y s t e mi n n e re x t e n d i n g b u s ，c i e b ) ，利用f p g a 快速性和并行处理能力提高了总线的效率，利用合理的总线 二级扩展和协议设计，提高了控制系统的效率和可靠性。c i e b 为控制系统通信构架提 供了新的技术解决方案，它不仅为控制厂商提供了有利的技术参考，也为国内在这一领 域研究提供了研究基础。 1 5 本文的内容与结构 本文主要的研究对象是控制系统内部通信构架的设计，在剖析了现今主流控制系统 通信构架的基础上，对本文通信构架的总线协议、以及总线节点的软硬件设计都进行了 详细的介绍。 论文章节安排如下： 第一章主要介绍了课题的背景，选题意义和论文的结构，在分析了现有总线技术应 用到控制系统的难点的基础上，引出了本文研究的意义。 第二章主要是对现有主流的控制系统的通信构架进行剖析( 西门子s 7 3 0 0 系统以 及艾默生的d e l t a v 系统) ，从而为我们自己的设计提供了有利的参考。 第三章主要介绍了高效通信构架的总体设计，本章连同第四章、第五章是本文的重 点，本章的总体设计包括了系统的整体构架设计，机架内总线设计，机架间总线设计， 机架内设计了双通道、热冗余的总线结构以提高系统的实时性和可靠性，机架问采用了 r s 4 8 5 总线设计以提高系统的可靠性和可扩展性，本章最后还对本文设计的通信构架 的创新点进行了总结。 第四章主要介绍了高效通信构架的硬件平台设计，主要是系统总线接口的硬件设 计，详细介绍了基于f p g a 的主卡硬件设计，基于a r m 的i o 卡的硬件设计以及基于 c p l d 的扩展卡的硬件设计，在主卡的硬件设计包括了主卡的c p u 模块的硬件设计以 及基于d m 9 0 0 0 a 的以太网硬件设计，另外，在扩展卡的硬件设计中，我们还简要总结 8 第一錾绪论 了f p g a 和c p l d 的区别与联系，为扩展卡选用c p l d 提供了理由。 第五章主要是讨论总线协议的设计与实现，详细介绍了高效总线协议的物理层和数 据链路层的设计，其中物理层重点余绍了低成本热插拔的设计方案，采用了三态门模块， 很好的实现了节点的无抖动热插拔。数据链路层设计主要包括了数据帧结构设计以及总 线通信模型的设计，最后本章还介绍了总线协议的实现，印各个总线节点的软件设计 第六章主要是在搭建原理样机的基础上对系统进行了测试，其中包括了信号质量测 试，总体性能测试等，测试最后验证了系统构架的高效性。 第七章进行了总结与展望，总结了本文主要完成的工作以及今后应该继续努力的方 向。 9 2 主流的集散控制系统的内部通信构架剖析 现争，主流的集散控制系统有很多，比如西门子s 73 0 0 控制晕统，艾默生d e l t a v 控制系统等，但这些控制系统厂家都对其控静| 系统的总线技术保密，外界根本无法7 解 其核心技术，本节将对几家主流控制系统进行剖析，试图找到它们长处和平足，从而更 好研发自己的控制系统通信构架由于资薄有限，我们选取了s 7 3 0 0 系统和d e l t a v 系 统。 2 1s 7 3 0 0 底板总线 2l 1 底扳总线的物理特性 西门子$ 7 - 3 0 0 系统f o 模块基于模块化设计，有两种安装方武，此次的试验系统 采用总线莲接器连接的方式，即f o 模块及i o 模块与其他模块之间均采用总线连接器 进行连接，而不是固定在支持热插拔的底板上，具体结构如图2 - i 所示。 其中总线连接器见圈2 - 2 囤2 1s 73 0 0 系统结构田 田2 - 2 恩线连接模块实物田 总线供电电压为5 v 每个f o 模块内部对总线上的大部分信号进行了接收、转发 ( 除7 电源线、地线和个别信号鳗) 因此总线上的信号并不是从头连到底的。这个转 发过程是硬件实现的，不经过c p u ；同时也是双向的，既转发控制器向i o 模块下发的 所有命夸，也转发输入模块的实对数据给控制嚣。 总线共1 4 报线( 从上到下依次记为肛1 3 ) ，包括2 根控制线，1 根时钟线，1 报数 据线。每个机架上最多可连接1 个扩展模块和8 个i o 模块。总线定义如f ： 线6 ：控制线1 电平拉低时，控制器发送寻址命令。 线4 控制缦2 电平拉低时，总线传送实时鼓据 线8 ：时钟线由控制器拉制，最高额率7 m h z 在传送实时数据时，时钟频率降 为26 7 m h z ；带上扩展机泉后，总线频率降为3 m h z 线l o ：数据线。单端驱动( 非差分) ，控制器寻址命令和f o 实时数据都从该线走。 线o ：用于调整时序。控制器发送寻址命令时，过4 个半时钟脒冲，该线电平拉低， f o 以此为时钟基准返回实时数据，因此实时数据的时钟基准与控制器寻址命令差半个 相位( 前者毗高电平为起始，而后者以低电平为起始) 带扩展机架时，扩展机泉总线 上的线0 由该机絮上的扩展模块本地产生，而非从主控制器发出，由此可克服扩展模块 的时滞，校正时钟 线5 ：系统状态线。正常时为商电平，故障时拉低，该线从控制器到帕直连。 线1 2 ，1 3 。一对差分线，周蜥性出现波形，周期相隔时闻3 m s 左右。 线2 ：总为高电平。 线3 9 j l ：地线 线1 、7 电镡线，+ 5 v 第：尊j l ：流的集敞控制系统的内部通信架构剖析 2 1 2 机架问扩展总线 扩展总线有2 种，一种是只扩展1 个机架，由放置于主机架的i m 3 6 5 ( s ) 模块和 放置于扩展机架的i m 3 6 5 ( r ) 模块实现；另一种最多可扩展3 个机架，由i m 3 6 0 和i m 3 6 1 模块实现。所有扩展模块均放置于图2 i i m 位置。 ( 1 ) i m 3 6 5 扩展模块 i m 3 6 5 ( s ) 和i m 3 6 5 ( r ) 为“一发一收”的两个模块，中间已经永久连接长度为l m 的连接电缆。通过总线给扩展杌架供电，扩展机架无电源模块。 i m 3 6 5 扩展模块的主要功能： l 、通过硬件驱动电路对底板总线的部分信号进行转发，包括线4 、5 、6 、8 、1 0 。 2 、对控制命令进行解析。观察到发送d o 、a o 的实时数据时，只有模块所在机架 的总线上才有数据，其他机架无数据。 ( 2 ) i m 3 6 0 和i m 3 6 l i m 3 6 0 为主模块，只有一个o u t 接口；i m 3 6 1 为从模块，提供1 个i n 和1 个o u t 接口，可一边连接主模块( i n ) ，另一边继续往下级联( o u t ) 。连接线缆采用d b 2 5 线，每两个模块之间线缆最长不超过1 0 米。i m 3 6 1 模块自带直流电源模块，对扩展机 架供电。 i m 3 6 0 、i m 3 6 1 扩展模块的主要功能： l 、通过r s4 8 5 驱动芯片将部分信号线转化为差分信号进行传输，包括线4 、5 、6 、 8 ，l o 。 2 、通过硬件驱动电路将线1 2 、1 3 转发，因此扩展机架上线1 2 、1 3 上仍有数据传 输，而i m 3 6 5 扩展时没有。 3 、对控制命令进行解析，与i m 3 6 5 模块相同。 由于中间进行了4 8 5 信号转换，因此导致总线信号延时约5 0 9 s ( 1 m 长度的线缆时) ， 当采用i m 3 6 5 扩展方式的延时约为2 0 9 s 。 2 1 3 通讯流程 s 7 3 0 0 的i o 总线为主从式同步通讯，控制器为主设备，i o 模块为从设备，通讯 模块i m 3 6 5 、i m 3 6 0 、i m 3 6 1 等主要在物理层实现信号的中继和转发，不改变信号的数 据结构。 1 3 浙江大学硕士学位论文 图2 3 通讯漉程图 图2 3 显示了一次完整的通讯过程。首先是控制器发送起始命令( 图中) ，然后 按照顺序发送机架寻址命令( 图中) ，每个机架上的i o 模块返回模块数量信息( 图 中) ；接着是控制器以模块为单位分别发送d o 模块的寻址命令( 图中) 和通道值 ( 图中) ；接着控制器发送d i 模块寻址命令，d i 模块返回通道值( 图中) ；最后是 a i 和a o 的数据，这部分数据取决于用户应用程序，而不是硬件组态，只有当用户程 序调用到模块对应的逻辑地址时，才上送( 图中) 或下发实际数值( 图中) ，数值 支持字节( 8 位) 、字( 1 6 位) 或双字( 2 1 6 位) 调用。 通讯过程为周期性进行。周期的长度随系统规模自动调整( 不需组态) ，模块数量 少时最快可到4 0 0 9 s ，模块多时可到几m s 。 2 1 4 模块寻址方式 s 7 3 0 0i o 模块地址包括物理地址和逻辑地址，物理地址即实际安装的几号机架几 号槽位，逻辑地址是用户组态时指定的数据存放地址。 物理地址上，控制器对i o 模块采用固定寻址，类似于c p u 对r a m 或缓存的读写， 只有一个选通信号，没有复杂的握手机制，因此反应速度极快( 从控制器发送完寻址命 令到返回实时数据的时间问隔为1 - 2 p s ，不论d i 还是a 1 ) 。 用户组态时，可以指定每个i o 模块的起始地址( 逻辑地址) ，逻辑地址可以看作 i o 模块的物理地址在控制器内存区的映射，即控制器通过物理寻址获得实时数据后将 数据存放在逻辑地址。逻辑地址起始地址的处理在控制器内部实现，与i o 总线无关， 改变起始地址时不影响物理寻址。 对于开关量模块( d i 、d o ) ，只要有硬件组态，就会在总线上访问i o ( 没有硬件 组态的话印使模块插在总线上也不访问) ；对于模拟量模块( a i 、a o ) ，只有用户应用 程序调用到逻辑地址时，才会访问相应的i o 。 1 4 第二章一l 三流的集敬控制系统的内部通信架构剐析 2 2d e l t a v 底板总线 对于d e l t a v 系统，我们只有其一个机架，因此无法剖析其扩展总线及扩展模块， 下文只对其底板总线进行剖析。 2 2 1 底板总线物理特性 数据线j d o 状卷线 d l 挖制线l i ) 2 低电乎 阌- l1 2 2 1 3 3 1 4 4 1 5 51 6 61 7 71 8 81 9 92 0 1 02 1 豳麓 藤鬻 图2 - 4d e l t a v 总线接口示意图 如图2 4 所示，d e l t a v 总线共2 9 根线，其中包括8 根外配电源线，实际用来通讯 1 5 的若2 1 根。总线供电电平为1 2 v ，时钟频率为5 ( x k h z 控制缆有2 根，低电平有效： 数据线有2 根，采用单端驱动( 非差分) ，输入信号从线4 进入c p u ，输出信号从线1 5 传到输出模块：状意线7 在有信号传精时拉低+ 平时为商电平线9 ，1 0 、2 0 ，1 8 、2 1 的电平一直为高或低 2 22 系统的通信流程 一日日1 日 一 。， - 目 一 i l ，_ 四2 - 5 宏观周期i 睇 图2 - 5 为宏观波形变化。图中d o 对应圈2 4 中的数据线i ，d 1 为状态线，d 2 为控 制线1 ，d 3 为时钟线，d 4 为数据线2 ，d 6 为控制线2 。 图中可毗看出，一个周期内，d 6 出现78 个低电平；在第1 个低电平赴，d 2 又出 现78 个低电平，d 2 的8 个低电平对应1 号机榘上的8 块1 ( 3 模块。猜测d 6 的8 个低 电平分别对应8 个机架，则d e l h a v 系统支持的i 0 横块数目共8 * 8 - - 6 4 ，且不管0 模 块是否存在，总线上总是预留76 4 个位置( d e l t a v 给的说明书上写的系统规模也是“ 个f o 模块) 在i o 模块都不插的情况下，一十周期的长度约1 0 m s ；图2 - 5 中插7 一 个模块后，一个周期的长度为1 2 m s ；插76 个模块后，利得周期长度约1 6 m s ( 周期长 度不是绝对精确，在一定范围内玻葫) 。 将d 2 出现低电平处波形放大，如图2 - 6 所示，可毗看到d 2 线的第8 个低电平赴 出现t 一段变化波形，对应在槽位8 插的d i 卡数据，其他7 个低电平也分别对应槽位 l 7 * 一推敲目 8 m * * # 自* 2 2 3i o 模块解析 数字7 辅八模块( d i 围2 - 6 机絮l 詹观波形 囤2 7d 1 泣形 d i 教据在每个周期内实时上送，1 块d i 模块对应5 个字节。 d i 实时数据通过数据线d o 传输，第3 个字节对应通道实时值，低电平有效如图 2 7 代表通道l 和通道4 为o n ( 低电平) 。最后两个字节随着第3 字节的变化而变化， “ # m * i 怀疑为某种校验算法 数字了输出模块( d o ) d o 仅在数据变化时下发一次，模块接收到数据后，在一个周期内马上输出到通道 如图2 - 8 所示。 田2 - 8 d o 宏观波形 一个d o 模块对应8 十字节，如圈2 - 9 所示。d o 实时数据通过数据线d 4 传精 d 4 的第3 字节对应通道实时值，慨电平有效，如图2 - 9 中表示通道1 为o n 田2 - 9 d o 波形 * = 4lm 4 # 目l j 勺n 自镕* 自a * 模拟量输入模块( a i ) a i 数据问隔1 个或2 个周期发送一次，如图2 1 0 所示 酉2 - 1 0a i 宏观波形 一个a i 模块由2 7 个字节构成，如图2 一l o 所示a i 实时数据通过数据线d 0 传输 低电平有效。d o 线的字节2 4 代表通道