基于雙口RAM實(shí)現(xiàn)鐵路牽引變電所自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

１、引言

在現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，由于對(duì)系統(tǒng)的功能和性能要求越來(lái)越高，一般都采用高性能的ＣＰＵ（如ＤＳＰ）或嵌入式系統(tǒng)（如３８６ＥＸ等？來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)控功能，并將這些智能設(shè)備聯(lián)網(wǎng)組成自動(dòng)化系統(tǒng)。在早期的應(yīng)用中，設(shè)備聯(lián)網(wǎng)普遍采用ＲＳ２３２／ＲＳ４２２／ＲＳ４８５方式。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用逐漸普遍，而采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)則是今后技術(shù)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

測(cè)控設(shè)備的設(shè)計(jì)可以采用單ＣＰＵ系統(tǒng)完成整個(gè)測(cè)控功能和系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)功能，這樣做的缺點(diǎn)是使整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜，系統(tǒng)適應(yīng)性差，ＣＰＵ負(fù)擔(dān)較重，影響系統(tǒng)的整體性能。另外一種做法是采用雙ＣＰＵ系統(tǒng)，即用一個(gè)ＣＰＵ完成測(cè)控功能，另一個(gè)ＣＰＵ完成系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)和接口通信功能。由于雙ＣＰＵ系統(tǒng)可按功能分開(kāi)設(shè)計(jì)，因此可簡(jiǎn)化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，以便更好地應(yīng)對(duì)不同的組網(wǎng)要求，提高系統(tǒng)的整體性能。

ＣＰＵ間的通信可以采用串口、并口等方式，但它們共同的缺點(diǎn)是操作復(fù)雜、速度慢。因此，隨著價(jià)格的不斷下降，采用雙口ＲＡＭ方式在兩個(gè)ＣＰＵ系統(tǒng)間交換數(shù)據(jù)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。但雙口ＲＡＭ有時(shí)會(huì)發(fā)生共享沖突問(wèn)題。下面討論防止共享沖突的幾種方式。

２、雙口ＲＡＭ防止共享沖突的方式

一般雙口ＲＡＭ都提供了兩個(gè)完全獨(dú)立的端口，每個(gè)端口都有自己的控制線(xiàn)、地址線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)，ＣＰＵ對(duì)雙口ＲＡＭ端口的操作等效于對(duì)它的外部ＲＡＭ進(jìn)行操作。雙口ＲＡＭ在使用上要注意的問(wèn)題是如何避免兩端ＣＰＵ對(duì)同一ＲＡＭ單元的爭(zhēng)用，一般來(lái)說(shuō)，雙口ＲＡＭ可提供三種防沖突方式，下面結(jié)合ＣＹＰＲＥＳＳ公司的ＣＹ７Ｃ１４４進(jìn)行說(shuō)明。ＣＹ７Ｃ１４４是采用低功耗ＣＭＯＳ工藝生產(chǎn)的８８ｋ位容量、高速存?。ǎ玻埃睿螅┑碾p端口靜態(tài)ＲＡＭ，它還可以用多芯片級(jí)聯(lián)來(lái)擴(kuò)展字寬，其內(nèi)部原理框圖如圖１所示。

２．１ 插入等待狀態(tài)的防沖突方式

當(dāng)左右端口同時(shí)對(duì)同一地址的ＲＡＭ存儲(chǔ)單元進(jìn)行存取時(shí)，ＣＹ７Ｃ１４４芯片內(nèi)部的仲裁單元將會(huì)給出ＢＵＳＹ信號(hào)。具體來(lái)說(shuō)，ＢＵＳＹＬ、ＢＵＳＹＲ信號(hào)的正常狀態(tài)為高電平，當(dāng)左端口對(duì)一存儲(chǔ)單元進(jìn)行存取時(shí)，若右端口也對(duì)該存儲(chǔ)單元進(jìn)行操作，則芯片內(nèi)部的仲裁單元會(huì)使信號(hào)ＢＵＳＹＲ為低，直到左端口操作完成后再將ＢＵＳＹＲ恢復(fù)為高電平。設(shè)計(jì)中可以利用ＢＵＳＹ信號(hào)作為ＣＰＵ的等待狀態(tài)輸入，并利用該信號(hào)使ＣＰＵ在操作過(guò)程中插入等待狀態(tài)，避免兩端同時(shí)對(duì)雙口ＲＡＭ進(jìn)行操作。

２．２ 信號(hào)燈防沖突方式

雙口ＲＡＭ通過(guò)申請(qǐng)和釋放端口的信號(hào)燈（也稱(chēng)為令牌）來(lái)操作存儲(chǔ)單元可以避免發(fā)生沖突。一個(gè)信號(hào)燈對(duì)應(yīng)相應(yīng)數(shù)量的存儲(chǔ)單元。雙口ＲＡＭ的兩端均可對(duì)信號(hào)燈進(jìn)行存取。當(dāng)左端口向信號(hào)燈寫(xiě)入“０”再回讀信號(hào)燈時(shí)，若信號(hào)燈也為“０”表示左端口擁有對(duì)存儲(chǔ)單元的控制權(quán)，否則表示右端口擁有對(duì)存儲(chǔ)單元的控制權(quán)。不管是否取得對(duì)存儲(chǔ)單元的控制權(quán)，操作完成后都應(yīng)向信號(hào)燈寫(xiě)入“１”以釋放信號(hào)，從而避免資源的死鎖。

ＣＹ７Ｃ１４４芯片提供８?jìng)€(gè)信號(hào)燈，每個(gè)信號(hào)燈的存儲(chǔ)單元為８２ｋ位。對(duì)信號(hào)燈進(jìn)行操作時(shí)，片選信號(hào)（ＣＥＬ、ＣＥＲ）應(yīng)為高電平，信號(hào)燈使能信號(hào)（ＳＥＭＬ、ＳＥＭＲ）為低電平。Ａ０～Ａ２表示信號(hào)燈地址，數(shù)據(jù)線(xiàn)最低位Ｉ／Ｏ０代表信號(hào)燈的值。對(duì)存儲(chǔ)單元存取的一般過(guò)程如圖２所示。

２．３ 中斷防沖突方式

雙口ＲＡＭ中最高地址的兩個(gè)存儲(chǔ)單元可以作為信箱使用，左右兩端可以同時(shí)對(duì)它進(jìn)行操作。其中最高地址為右端口的信箱，次高地址為左端口信箱。以ＣＹ７Ｃ１４４芯片為例，偏移地址１ＦＦＥＨ為左端口信箱，偏移地址１ＦＦＦＨ為右端口信箱。右端口寫(xiě)入左端口信箱１ＦＦＥＨ時(shí)，左端口的信號(hào)ＩＮＴＬ將變?yōu)榈停蠖丝谧x自己的信箱１ＦＦＥＨ時(shí)，信號(hào)ＩＮＴＬ將重新為高；同理，左端口寫(xiě)入右端口信箱１ＦＦＦＨ時(shí)，右端口的信號(hào)ＩＮＴＲ將變低，右端口讀自己的信箱１ＦＦＦＨ時(shí)，信號(hào)ＩＮＴＲ將重新為高?？梢詫⑿盘?hào)ＩＮＴＬ和ＩＮＴＲ作為ＣＰＵ的中斷源，通過(guò)信箱向?qū)Ψ絺鬟f自己使用存儲(chǔ)單元的狀態(tài)來(lái)達(dá)到防止沖突之目的。

２．４ 三種防沖突方式的比較

在上述三種方式中，插入等待狀態(tài)的方式對(duì)于高速接口來(lái)說(shuō)會(huì)影響數(shù)據(jù)的傳送速率，而且要求ＣＰＵ具有插入等待狀態(tài)的功能，而有些ＣＰＵ（如８０３１）不具備該功能。信號(hào)燈方式主要用在兩個(gè)ＣＰＵ共享內(nèi)存空間時(shí)，如果雙口ＲＡＭ主要用于兩個(gè)ＣＰＵ之間交換數(shù)據(jù)，則交換的實(shí)時(shí)性很難用軟件來(lái)保證，而中斷方式則正好解決了這個(gè)問(wèn)題。

３、在自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用方案

在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，保護(hù)、測(cè)量、控制一體化的設(shè)計(jì)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，一般來(lái)說(shuō)，保護(hù)測(cè)控裝置的功能在設(shè)計(jì)之后不會(huì)有太大的變化，但數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)受性能、價(jià)格、硬件、軟件、用戶(hù)策略等諸多因素的影響，目前在選擇何種“接口網(wǎng)絡(luò)”上有許多不同的需求，很難達(dá)成一致的選擇。因此在通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，筆者采用了雙ＣＰＵ系統(tǒng)，其中一個(gè)ＣＰＵ完成保護(hù)測(cè)控功能，一個(gè)ＣＰＵ完成網(wǎng)絡(luò)通信功能，兩個(gè)ＣＰＵ之間用雙口ＲＡＭ交換信息。網(wǎng)絡(luò)通信ＣＰＵ以插件的形式和保護(hù)測(cè)控ＣＰＵ按照統(tǒng)一的接口連接，網(wǎng)絡(luò)通信介質(zhì)接口也以插件的形式進(jìn)行選擇。這樣設(shè)計(jì)的最大好處是可以根據(jù)系統(tǒng)性能和用戶(hù)要求來(lái)選擇不同的通信ＣＰＵ插件以滿(mǎn)足自動(dòng)化系統(tǒng)的組網(wǎng)需要，并可在通信插件上實(shí)現(xiàn)不同的通信協(xié)議，而保護(hù)測(cè)控功能部分不用進(jìn)行任何修改；通信介質(zhì)接口插件主要分為雙絞線(xiàn)方式和光信號(hào)方式兩種，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需要進(jìn)行選擇。

系統(tǒng)ＣＰＵ的組成如圖３所示，將通信ＣＰＵ插件和通信介質(zhì)接口插件組合起來(lái)可滿(mǎn)足實(shí)際工程和不同用戶(hù)的需求。對(duì)保護(hù)測(cè)控ＣＰＵ而言，雙口ＲＡＭ被劃分為兩個(gè)區(qū)域，其中數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)是通信ＣＰＵ插件向其發(fā)送命令和數(shù)據(jù)的區(qū)域；數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)是它向通信ＣＰＵ插件發(fā)送數(shù)據(jù)的區(qū)域。為了保證數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)性和有效性，可采用雙口ＲＡＭ的中斷方式通知對(duì)方，信號(hào)ＩＮＴＬ和ＩＮＴＲ可作為ＣＰＵ的一個(gè)中斷輸入。數(shù)據(jù)交換時(shí)，先將數(shù)據(jù)放入對(duì)應(yīng)的雙口ＲＡＭ存儲(chǔ)區(qū)，然后寫(xiě)入對(duì)方信箱，以通知對(duì)方有數(shù)據(jù)發(fā)送；接收方在相應(yīng)的中斷中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)讀自己的信箱以清除中斷信號(hào)，然后再寫(xiě)入對(duì)方信箱以告知其數(shù)據(jù)已處理完畢。

４、接口示例

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想，選擇ＡＤ公司的ＡＤ-ＳＰ－２１０６５作為測(cè)控ＣＰＵ系統(tǒng)的主處理器。下面以ＣＡＮ總線(xiàn)和以太網(wǎng)接口為例來(lái)介紹與雙口ＲＡＭ的連接方法。

４．１ ＣＡＮ總線(xiàn)通信插件

近年來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用技術(shù)日益成為國(guó)際自動(dòng)控制領(lǐng)域關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。ＣＡＮ總線(xiàn)是德國(guó)Ｂｏｓｃｈ公司為解決汽車(chē)中眾多數(shù)據(jù)交換問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，是目前公認(rèn)的幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一。它的通信介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、同軸電纜和光纖，其通信速率可達(dá)１Ｍｂｐｓ。通信ＣＰＵ選擇Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的Ｐ８０ｃ５９２，它的內(nèi)核為８０Ｃ５１單片機(jī)，并內(nèi)帶ＣＡＮ控制器，可支持ＣＡＮ２．０Ｂ協(xié)議。其系統(tǒng)組成原理圖如圖４所示。

設(shè)計(jì)時(shí)，可將ＡＤＳＰ－２１０６５的ＭＳ３作為讀寫(xiě)雙口ＲＡＭ的片選信號(hào)，對(duì)應(yīng)地址為０ｘ０３００００００－０ｘ０３００１ｆｆｆ。若將Ｐ８０ｃ５９２外部存儲(chǔ)器尋址空間的高端３２ｋＢ作為雙口ＲＡＭ的地址，則雙口ＲＡＭ的尋址范圍為０ｘ８０００－０ｘ９ｆｆｆ，它的外部中斷１可用于雙口ＲＡＭ的中斷輸入。

４．２ 以太網(wǎng)接口通信插件

變電站通信體系結(jié)構(gòu)ＩＥＣ６１８５０協(xié)議推薦使用的傳輸網(wǎng)絡(luò)是以太網(wǎng)，因此，以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。由臺(tái)灣Ｒｅａｌｔｅｋ公司生產(chǎn)的ＲＴＬ８０１９ＡＳ以太網(wǎng)控制器以其優(yōu)良的性能、低廉的價(jià)格，而在市場(chǎng)上１０Ｍｂｐｓ網(wǎng)卡中占有相當(dāng)?shù)谋壤?，設(shè)計(jì)時(shí)筆者就選擇了該以太網(wǎng)控制器，并選用８９Ｃ５２單片機(jī)來(lái)控制ＲＴＬ８０１９ＡＳ實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口，其系統(tǒng)組成原理圖如圖５所示。

圖５只給出了通信ＣＰＵ與以太網(wǎng)接口芯片的連接，它和雙口ＲＡＭ的連接與ＣＡＮ總線(xiàn)組成原理圖基本相同，不同之處在于片選信號(hào)的譯碼。在外存地址的分配中，高端３２ｋＢ作為雙口ＲＡＭ和ＲＴＬ８０１９ＡＳ的尋址空間，雙口ＲＡＭ的地址范圍為０ｘ２０００－０ｘ３ｆｆｆ，ＲＴＬ８０１９ＡＳ的端口地址范圍為０ｘ８０００－０ｘ８０１ｆ。８９Ｃ５２的中斷０作為以太網(wǎng)接口使用，中斷１用于雙口ＲＡＭ的中斷輸入。

５、總結(jié)

利用雙口ＲＡＭ在ＣＰＵ之間傳送數(shù)據(jù)具有傳送速率高、實(shí)時(shí)性好、可靠性高、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而采用插件形式來(lái)構(gòu)成自動(dòng)化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)使系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，能夠很好地滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。按照這種思路設(shè)計(jì)的鐵路牽引變電所自動(dòng)化系統(tǒng)就充分利用了該特點(diǎn)。

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