多功能总线控制器

多功能总线控制器（精选12篇）

多功能总线控制器 篇1

引言

目前市面上广泛流行的U盘,以其传输速度快、容量大、方便携带等优点,深受消费者青睐。然而这种便携式存储设备,很多时候却悄悄地成为电脑病毒的寄生场所。对于一些涉密部门而言,其计算机对USB接口往往极其敏感,有些甚至干脆直接锁住USB接口,以防止插入U盘窃取计算机中的资料。与U盘相比,他们往往更愿意采用简单可靠的只读光盘来交换数据,如图1。但普通光盘难以做到重复利用,且需要事前刻录,使用起来不及U盘便捷。

笔者论述了一种基于CPLD的USB总线读写控制器设计,该设计能够从硬件上杜绝这种“通过U盘窃取数据”的可能,从而使人们在享受U盘传递数据快捷便利的同时,不必再有数据被窃取的担忧,也省去了以往刻录光盘的繁琐,使用模式如图2所示。

1 硬件架构

本设计基于EPM3512AQC208芯片,采用两片TI公司1106芯片作为USB总线转发芯片,其接口电路参见文献[5]。系统时钟采用12MHz无源晶振,时钟信号经ICS512时钟管理芯片倍频成96MHz后提供给CPLD作为基准时钟。考虑到USB2.0的最大供电电流只有500mA,此处控制板采用单独外接+5 V直流电源供电。另外,使用LDO电源管理芯片将+5V电源转换成+3.3V后供CPLD工作,芯片型号为LM1084-3.3V;使用TPS3307-33芯片进行电路复位管理。

2 CPLD软件实现

2.1 软件实现方案

要实现数据从U盘到PC的单向流动,即禁止数据输出到U盘,有两种实现方式。

2.1.1 CPLD实时监测USB总线上的数据，当检测到Write(10)命令(其SCSI指令代码为0x2a)或Write(12)命令(其SCSI指令代码为0xaa)时，自动将两根USB差分总线中的一条拉低，从而造成数据差分输出

2.1.2 CPLD实时监测USB总线上的数据,当检测到Mode sense命令(其SCSI指令代码为0x1a)时,预示着接下来U盘将向主机传输相应存储介质参数了。在传送的数据串中,有一位标示着该存储设备是否可以被写入。以普通带写保护功能的U盘为例,开启写保护时,检测到的输入参数数据流为23 00 80 00……,关掉写保护后,检测到的输入参数数据流为23 00 0000……,以上数据为小端模式,故第三个字节的最高位为写保护信息位,图3是利用Bus Hound工具抓取的两种U盘在实际应用中的Mode sense命令返回参数。若利用USB总线控制器将此位修改为1,则该U盘即不能被写入,但不影响其正常读取,从而实现了我们所需的功能。

以上两种方式均在硬件平台上成功实现。比较可知,方案一采取简单的破坏数据输出的方式,实现起来相对容易,但输出失败的数据势必会在下次自动重新试传,这样弹出错误窗口会有时间延迟,且对配置稍低的PC机而言,这种延时比较明显;方案二采取修改Mode sense返回参数的方式,直接将U盘设定为禁止写入的设备,这样在后续的数据传输时反应较快。考虑到实际使用效果,本设计选取第二种方案,本文也主要介绍基于该方案的实现。

2.2 传输过程分析

USB总线采用差分传输方式,USB2.0共有4条线,分别是VBUS、D-、D+和GND。当D+、D-为不同电平时,有J、K两种状态;当D+、D-都为低电平时,称之为SE0状态。数据在总线上传输之前,会先进行NRZI编码。因此,在检测总线数据之前,也需进行NRZI解码。

2.2.1 包和事务

USB2.0协议规定了四种传输类型,分别是控制传输、同步传输、批量传输和中断传输。数据在USB总线上传输的基本单位是包。不论何种包,都以同步域开始,紧跟着一个8位包标识符PID,最终以包结束符EOP结束。以数据包为例如图4,它由一个同步域开始,紧跟着是PID,后面跟着n个字节的数据,然后是16位CRC校验码,最后是EOP。

一个事务通常由两个或者三个包组成:令牌包、数据包和握手包。令牌包用来启动一个事务,总是由主机发送;数据包用于在主机和设备之间传输数据,传输方向由令牌包来指定;当接收方正确接收数据后,发送握手包。控制传输包括三个过程:建立过程、数据过程和状态过程,其中建立过程和状态过程分别是一个事务,数据过程则可能包含多个事务。

2.2.2 仅批量传输

在仅批量传输协议中,规定了数据传输的结构和过程,共分成三个阶段:命令阶段、数据阶段和状态阶段。命令阶段由主机通过批量端点发送一个CBW(命令块封包)的结构,在CBW中定义了要操作的命令以及传输数据的方向和数量。CBW的结构参见文献[4],其中dCBWSignature为CBW的标志,长度为32位,即0x55、0x53、0x42、0x43。当检测到一个包的起始序列为0x55、0x53、0x42、0x43时,即表明该包为CBW;另外,CBW中CBWCB表示需要执行的命令,若为0x1a,即表示Mode sense命令。

与CBW类似,命令状态封包CSW的结构参见文献[4],其标志dCSWSignature为0x55、0x53、0x42、0x53。

一次完整的仅批量传输过程如表1:

2.2.3 返回参数的截取及修改

对全速模式的USB2.0传输而言,每个包都由同步域开始,即连续的“00000001”二进制字符串,在数据传输中同步字符串是独特的,因此利用序列检测即可确定每个包的开始时刻。由于同步字节后即为一个字节的PID,同样利用序列检测到的PID即可确定该PID的类型,从而确定该包的作用。当确定该包为主机发送的令牌包后,则对下一个包的起始序列进行检测。若为CBW的起始序列0x55、0x53、0x42、0x43,则表明该包即为CBW。继续检测其第15字节的CBWCB,若为0x1a,即为Mode sense命令。在数据阶段的数据包开始后,从PID结束开始的第24位起将两根差分总线全部取反,直至包结束(E O P不能取反）。

2.3 Verilog HDL程序模块

利用Verilog HDL编程实现上述功能,首先按模块搭建框图。由于篇幅所限,在此仅给出程序框图,如图5所示。

3 测试

按图2所示，将一个原本可读写的普通U盘经USB总线控制器后转接到PC机USB接口上进行测试发现，对U盘中的文件均能够进行正常读取，且无法对U盘进行任何写入操作，说明该USB总线控制器很好的实现了其功能，达到了设计目的。将PC机文件数据输出的U盘涉及到的操作主要有：将PC机中文件复制到U盘中、修改U盘盘符、在U盘中创建新的文件、修改或重命名U盘中的文件、删除U盘中的文件等。

4 结语

基于CPLD的USB总线读写控制器从硬件上实现了数据从U盘向PC机的单向拷贝，同时自动阻止PC机中的文件以任何方式输出到U盘。对涉密单位而言，采用此设备，与传统的依靠光盘传递数据相比，不仅省去了刻盘的麻烦，也节约了成本。

摘要：以CPLD作为主控芯片,设计了一种针对USB总线的数据读写控制器。U盘通过该控制器转接到PC机的USB接口,利用控制器对USB总线上的数据进行实时监测分析,自动禁止PC机上的文件数据输出到U盘,同时不影响PC机对U盘中文件的正常读取。

关键词：USB,读写控制,CPLD

参考文献

[1]刘荣.圈圈教你玩USB[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.239～248

[2]王志梁.基于CPLD的位同步时钟提取电路设计[J].电子元器件应用,2006(9),54～60

[3]廖坚,于海勋.USB中的CRC校验原理及其Verilog HDL语言实现.计算机工程与设计,2005.11

[4]夏宇闻.复杂数字电路与系统的Verilog H D L设计技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002

[5]TEXAS INSTRUMENTS;TUSB1106ADVANCED UNIVERSAL SERIAL BUS TRANSCEIVERS;May 2006

多功能总线控制器 篇2

班级：电技131 姓名：杨秋

学号：20*** 现场总线控制系统学习心得

六个星期的现场总线控制系统课程已经结束，通过这段时间的学习和老师的耐心讲解，我初步了解到了这门课程的基本内容。

目前，在连续型流程生产工业过程控制中，有三大控制系统，即PLC、DCS和FCS。我们已经在以往的学习中了解到了PLC和DCS这两大系统的基本知识，而FCS就是我们这段时间学习的现场总线控制系统。老师分别从以下几个方面详细地向我们讲解了这门课程。

1现场总线和现场总线控制系统的概念

根据国际电工委员会IEC61158标准的定义，现场总线是指应用在制造过程区域现场装置和控制室内自动控制装置之间的包括数字式、多点、串行通信的数据总线，即工业数据总线。是开放式、数字化、多点通信的底层通信网络。以现场总线为技术核心的工业控制系统，称为现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System），它是自20世纪80年代末发展起来的新型网络集成式全分布控制系统。

其中，现场总线系统一般被称为第五代控制系统。第一代控制系统为50年代前的气动信号控制系统PCS，第二代为4~20mA等电动模拟信号控制系统，第三代为数字计算机集中式控制系统，第四代为70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS。现场总线技术现场总线技术将专用的微处理器置入了传统的测量控制仪表，使其各自都具有了多多少少的数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点。它们通过普通双绞线、光纤、同轴电缆等多种途径进行信息传输，这样就能够形成以多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成的网络系统。该网络系统按照规范和公开的通信协议，在位于生产现场的多个微机化自控设备之间，以及现场仪表与用作管理、监控的远程计算机之间，实现数据传输与信息共享，进一步构成了各种适应实际需要的自动控制系统 现场总线的分类

老师重点讲述了现场总线的几种类别，典型的现场总线技术包括了基金会现场总线FF（Foudation Fieldbus），LonWork现场总线，Profibu现场总线，CAN现场总线以及HART现场总线。其中FF总线尤为重要，按照基金会总线组织的定义，FF总线是一种全数字、串行、双向传输的通信系统，是一种能连接现场各种现场仪表的信号传输系统，其最根本的特点是专门针对工业过程自动化而开发的，在满足要求苛刻的使用环境、本质安全、总线供电等方面都有完善的措施。为此，有人称FF总线为专门为过程控制设计的现场总线。现场总线技术的特点

现场总线技术具有系统的开放性，互可操作性与互用性，现场设备的智能化与功能自治性，系统结构的高度分散性以及对现场环境的适应性等。除此之外，现场总线技术还具备以下优点：节省硬件数量与投资，节省安装费用，节省维护开销，用户具有高度的系统集成主动权以及提高了系统的准确性与可靠性。

5现场总线技术的发展

现场总线技术的发展体现在两个方面，一个是高速现场总线技术的发展，另外一个是低速现场总线领域的继续完善和发展。就现在而言，现场总线产品主要针对的是低速总线产品，用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不高。而高速现场总线主要应用于互联控制网、连接控制计算机、处理速度快的设备以及实现低速现场总线网间的连接，是充分实现系统的全分散控制结构所必须的。但是目前高速现场总线这一环节还相对薄弱。总体来说，自动化系统与设备将向现场总线体系的结构改变，并且向着趋于开放统一的方向发展。同时，在单独的现场总线体系下不可能只容纳单一的标准，加上商业利益的驱使，各种现场总线技术都在十分激烈的市场竞争环境中求得发展。所以有理由认为，在将来的不久，集中总线标准的设备通过路由网关互联并且会实现信息共享的局面。

除此之外，老师还向我们介绍了现场总线控制系统与以前学到的DCS系统的关系。通过现场总线系统的网络结构可以发现，它可以由现场智能设备和人机接口构成两层的网络结构，同时把常规的PID在智能变送器中实现。但这种总线控制系统的局限性限制了现场总线控制系统的功能，使之不能实现复杂的协调控制功能，为了实现这个功能，其结构中需要包含控制站，即需要三层的网络结构。这样，三层网络结构的现场总线系统网络就与DCS相似了，但是其中控制站所承担的功能却与DCS有很大差别。在传统的DCS系统中，控制站可以用来实现包括控制回路的PID运算和控制回路之间的协调控制等功能。但在FCS中，底层的PID等基本控制功能却完全由现场设备来完成，控制站只完成控制回路之间信息的交流和控制协调功能。这样的话，就大大减轻了控制器的负荷率，分散了系统的风险性，加快了数据处理速度。通过现场总线系统的网络结构可以发现，它可以由现场智能设备和人机接口构成两层的网络结构，同时把常规的PID在智能变送器中实现。但这种总线控制系统的局限性限制了现场总线控制系统的功能，使之不能实现复杂的协调控制功能，为了实现这个功能，其结构中需要包含控制站，即需要三层的网络结构。这样，三层网络结构的现场总线系统网络就与DCS相似了，但是其中控制站所承担的功能却与DCS有很大差别。在传统的DCS系统中，控制站可以用来实现包括控制回路的PID运算和控制回路之间的协调控制等功能。但在FCS中，底层的PID等基本控制功能却完全由现场设备来完成，控制站只完成控制回路之间信息的交流和控制协调功能。这样的话，就大大减轻了控制器的负荷率，分散了系统的风险性，加快了数据处理速度。

现场总线技术自推广以来，已经在世界范围内应用于工业控制的各个领域。现场总线的技术推广有了三、四年的时间，已经或正在应用于冶金、汽车制造、烟草机械、环境保护、石油化工、电力能源、纺织机械等各个行业。应用的总线协议主要包括PROFIBUS、DeviceNet、Foundation、Fieldbus、Interbus_S 等。在汽车行业，现场总线控制技术应用的非常普遍，近两年国内新的汽车生产线和旧的生产线的改造，大部分都采用了现场总线的控制技术。国外设计的现场总线控制系统已应用很广泛，从单机设备到整个生产线的输送系统，全部采用现场总线的控制方法。而国内的应用仍大多集中中生产线的输送系统、随着技术的不断发展和观念的更新必然会逐步扩展其应用领域。

建筑电气的控制总线系统与应用 篇3

【关键词】建筑电气；建筑智能化；控制总线；现场总线

近年来，我国的建筑行业处在一个高速发展的阶段，楼宇的智能化程度也在不断提高，其中出现了许多新型的控制技术，控制技术中的总线控制系统实现对设备运行状态的监控，远程操控，信息反馈等功能，特别需要提出的是，建筑电气的控制总线系统还可以对楼宇中的设备进行信息集中管理和通信，可以实现信息共享。控制系统经过多年来的发展，经历了从早期的仪表控制系统到计算机集中式控制系统（CCS）再到计算机分布式控制系统(DCS)，现在已经进入网络控制现场总线控制系统(FCS)。下面就论述一下现场总线控制系统及其在建筑智能楼宇中的应用。

1.现场控制总线系统的特点

计算机分布式控制系统（DCS）其实只做到了半分布式控制。现场控制总线系统（FCS）采用智能仪表将计算机分布式控制系统中的现场模拟量信息转化为数字信息进行现场和后台控制器的双向通讯传输。现场控制总线系统具有以下几个特点：

（1）器件信号全部数字化。在建筑电气的现场总线控制系统中不在有传统的模拟量信号，取而代之的是全部的传感器、控制器、执行器数字信号。

（2）控制系统完全开放。现阶段采用的建筑电气控制总线系统是开放型的结构，所采用的通信协议符合统一标准，这就可以使各种设备实现交互操作，方便了系统的集成优化。

（3）现场总线系统的总线把现场的设备和仪表与通信网络互连起来，构成了现场设备或仪表互连的现场通信网络。

（4）现场控制总线系统采用各功能测量的分散模块，然后再通过先进的控制软件集中管理，最终可实现综合自动化。

现场控制总线系统（FCS）的这些特点使得它实现了全数字化、容错能力强、具有很高的可靠性，在通信方面变现为通信速度快，信息传递时节点多，方式灵活，且具有很强的抗干扰能力。

2.几种常见的现场总线控制技术

现场总线技术自产生到现在已经开发出了几种生命力较强的现场总线，并且已经取得了不错的应用效果，下面就介绍一下常用的现场总线技术：

2.1基金会现场总线(Fieldbus Foundation)

基金会现场总线，简称FF，它是一个非商业的国际现场总线标准，由两大集团合力开发。基金会现场总线最大通信速率为2.5MPbps，最大通信距离为1.9km，传输媒介可以是双绞线、同轴电缆和光纤四种之中的任意一种。

2.2过程现场总线（Profibus）

Profibus现场总线是由西门子公司为主的多家德国公司开发推出的。这种现场总线Profibus是作为德国国家标准和欧洲国家标准的现场总线标准。该总线网络模型有物理层、数据链路层和应用层，采用主从式的网络操作系统结构。该总线的最大传输速率可达12Mbps，最多可挂接127个站点且成本较低。

2.3 LonWorks现场总线

LonWorks是由美国Echelon公司推出的。它的特点是具有特理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层七层网络模型结构，传输距离可达2700m，具有可靠性高，实时性好，成本低的特点，在楼字自动化和工业控制方面得到了很好的应用。

3.以太网控制总线技术及其在楼宇自动化中的应用

随着楼宇智能化程度的增大和通信技术的快速发展，上述的一下现场控制总线技术已经不能满足建设的需求。上述的现场控制总线技术不能满足用户的需求表现在数据传输速率低，互联性较差，后台控制软件的维护费用高等方面。现阶段，采用以太网通信技术进入控制总线已经可以实现，并且获得了很好的使用效果。

3.1以太网控制总线的突出特点

（1）以太网控制总线在数据传输和发送控制信号时具有传输安全性高，可靠性强的优点。

（2）网络存取技术完善，网络互联性好。

（3）以太网的CAN总线网络拓扑结构为总线型，拓扑方便灵活。

（4）CAN总线的传输介质可以选择光纤，同轴电缆或双绞线。

（5）以太网的控制总线系统具有很强的网络扩展性。

（6）成本低、性能高、技术开发潜力大。

（7）通信过程中采用世界通用标准TCP／IP协议，具有接口功能齐全特点。

3.2 CAN总线控制系统在建筑电气智能监控系统的应用

下图为基于CAN总线的建筑电气智能监控系统的整体结构框图：

该系统主要由两部分组成，上位机的监控系统由计算机和组态软件构成，然后通过CAN适配卡接入CAN总线。上位机监控系统设在物业管理中心，工作人员可以通过PC机实现对现场设备的监视，接收楼宇节点发来的数据，并可以发送指令对现场楼宇内部的设备进行控制。

现场的智能节点的组成核心是微处理器，微处理器接收传感器传来的现场信息，然后通过CAN总线控制器，再经过CAN收发器传入上位机监控系统，实现通信功能。工作人员可根据需要发送命令给微处理器，微控制器再发送信号给控制器实现对现场照明、空调、给排水、电梯、消防、安全等设备的控制。

4.结束语

建筑电气的控制系统智能化是科技高速发展与建筑需求结合的一种必然产物。建筑电气的控制总线技术解决了现代楼宇中电气设备多，设备布局分散，需要测控的数据多等难题，且具有集成度高，可靠性强，可以进行互联操作的特点，方便了物业中心对小区的管理，符合时代的发展规律。随着控制总线系统的不断发展和应用，相信它将会在智能化楼宇建设中发挥更大的作用。

【参考文献】

［１］王锦标．现场总线和现场总线控制系统,1997(02)．

［２］张荣跃，刘琳章．几种典型的现场总线及特点太原科技[J].2001(3)：14-16.

多功能总线控制器 篇4

关键词：总线,电力仪表,组网技术

目前, 组网技术已经初步应用于电气系统的控制管理, 并取得一定的效果。因此, 文章对组网技术进行研究, 结合电气系统的运行特点, 将组网系统的网络结构、间隔层以及管理层相隔部分的组网形式、接口和规约以及系统软件作为切入点, 从结构特点以及运行效果两方面阐述组网技术的可行性, 并通过模拟试验, 对组网系统的遥测入库功能以及报警功能等使用性能进行检测, 进一步探讨组网技术的应用前景。

1 系统结构

组网系统主要由电力仪表、保护测控设备、主控单元、工程师站、交换机以及系统软件等设备组成。

2 组网技术研究

2.1 网络结构

在组网技术的运用中, 通常依照典型的分布式结构, 将组网系统分为三部分, 分别为间隔层、站控层以及管理层。其中, 间隔层主要由智能设备以及多功能仪表所构成。间隔层的主要作用是保护电气装置, 并且对电气装置进行实时测量以及控制。此外, 间隔层主要依靠窜口以及总线等通信设备与管理层进行连接;管理层是组网系统的关键部位, 具有承上启下的作用。管理层的主要作用是将站控层的实时信息和间隔层的实时信息进行互换, 使组网系统能够与其他系统进行数据交换;站控层是组网系统的管理中心, 能够对组网系统进行监视、信息处理以及数据收集, 实现对多功能仪表以及智能设备的控制。

在组网系统中, 间隔层、站控层以及管理层的分布形式是由上至下。因此, 电力仪表以及保护测控设备主要安装在间隔层;主控单元主要安装在管理层;数据服务器以及工程师站均安装在站控层。此外, 管理层设备以及间隔层设备均选用分散配置的形式, 便于设备保养以及系统拓展。

2.2 接口和规约

就主控单位而言, 通常选用以太网以及窜口和间隔层进行组网, 并接入多功能仪表以及相关电气设备。结合组网系统的特点, 在选择站控层网络时, 通常选用以太网;再选择间隔层网络时, 通常选用RS总线。此外, 将间隔层与主控单元进行连接, 将间隔层的通信规约进行转换, 以统一的规约形式输出。

2.3 间隔层以及管理层相隔部分的组网形式

就间隔层以及管理层相隔部分的组网形式而言, 通常分为两种:第一、面向电气。这种组网形式主要依照主接线进行分段, 并遵循就近原则, 对仪表进行组网;第二, 面向过程。这种组网形式主要依照发电流程, 将电动机的开关监控装置以及保护监控装置组成一组, 再将其他设备的相应装置组成另一组, 并与管理机进行连接。

2.4 系统软件

就组网系统而言, 通常选用组态软件对组网系统进行开发。在站控层中, 组态软件可以提供灵活的组态形式, 为系统构建最优的开发界面。同时, 组态软件预设的软件模块能够便于实现站控层的多种功能。因此, 组态软件具有以下功能:第一、用图形的形式展示组网系统的结构。第二、收集电气量的实时数据, 通过多种形式将电气量数据呈现给统计人员, 其中包括历史曲线、画面监视以及实时曲线等方式, 并能自动将电气量数据进行储存, 便于统计人员进行查询以及打印。第三、自动统计设备的用电量, 并自动制作电度日报表。第四、对前置数据进行分析, 并设置合理的偏移量以及数据系数。第五、当组网系统的接口、电源、系统时钟以及网络通信出现故障时, 组态软件能够实时报警。第六、组态软件能够将服务器的数据与工程师站的数据进行同步。

3 试验测试

3.1 试验装置

本次试验对主控单位以及多电力仪表所组成的组网系统进行检测, 并且在实验室进行模拟测试。在实验中, 将交流电源作为供电电源, 为电力仪表持续供电。

3.2 试验结果

本次试验重点对组网系统的遥测入库功能以及报警功能等使用性能进行检测, 测试结果有以下几点:第一、间隔层的电压入库、功率入库、电能入库以及电流入库均处于正常状态;第二、组态软件能够在系统出现故障时及时报警;第三、组网系统各通道的报文完全正确, 并且库时标能够及时刷新;第四、组网系统的遥测误差较小, 并且遥测量的传送速率较快。 (图1、图2)

4 组网技术的应用前景

目前, 多功能仪表已经得到各大厂矿企业的广泛应用。这种多功能仪表具有一表多用以及同时测量的功能, 为电气系统的控制管理提供有效支持。通常来讲, 多功能仪表的出厂日期以及生产型号较为繁多, 并且这些电力仪表的接口以及规格都不相同, 这就需要利用组网技术将各种仪表进行组合, 才能发挥电力仪表的最大效果。因此, 随着组网技术的不断完善, 组网技术必将在电气市场占据重要位置。

5 结束语

综上所述, 组网技术在电气系统的控制管理过程中具有重要作用。在组网技术的运用中, 依照典型的分布式结构, 将组网系统分为间隔层、站控层以及管理层三部分, 实现对电气系统的控制及管理;选用组态软件对组网系统进行开发, 为系统构建最优的开发界面, 实现站控层的多种功能;以太网以及窜口和间隔层进行组网, 并接入多功能仪表以及相关电气设备, 实现规约形式的统一输出。总而言之, 在组网技术的不断发展下, 通过组网技术构建完善的数据处理系统, 能够对电气系统进行实时准确的监控, 为厂矿企业的科学决策以及节能理念提供有效的技术支持。

参考文献

[1]李春荣.基于网络电力仪表的智能配电系统解决方案[J].电子制作, 2014 (6) :221.

[2]张雯, 王长瑞.基于总线的多功能电力仪表组网技术研究[J].电测与仪表, 2014 (9) :21-24.

[3]刘展未.多功能谐波电力仪表的设计与实现[D].湖南大学, 2012.

[4]高飞.论多功能电力仪表在建筑工程中的应用[J].科技与创新, 2014 (19) :7-9.

多功能总线控制器 篇5

（1）SCC：Supervisory Computer Control 计算机监督控制（2）DDC: Direct Digital Control 直接数字控制（3）DCS：Distributed Control System 集散控制系统

（4）CIMS：Computer Integrated Manufactured System 计算机集成制造系统（5）FCS：Fieldbus Control System 现场总线控制系统

（6）CIPS：Computer Integrated Process System 计算机集成过程系统（7）PLC：Programmable Logic Controller 可编程逻辑控制器

关于DCS: 集散型控制系统，又称分布式控制系统。是计算机技术（Computer），通信技术（Communication），图形显示技术（CRT）,控制技术（Control）的发展产物。主要特点：可靠性高，灵活的扩展性，完善的自主控制性，完善的通信网络。设计思想：危险分散，控制功能分散，操作和管理集中。

DDZ_II DDZ_III:电动单元组合仪表

II特点：

（1）采用0-10mA的直流电流为统一的联络信号（信号制式），只有电流输出。

方便各单元联系

（2）将整套仪表分为若干能单独完成某项功能的典型单元

（3）信号下限从0开始，便于模拟量的加减乘除开方等数学运算，并能使用通

用刻度的指示、记录仪表。

III特点：

（1）采用国际上统一使用的4-20mA的直流电流或者1-5V的直流电压作为联络

信号（信号制式），信号电流与电压转换成电阻250欧姆。现场与控制室之 间的信号传输采用电流传输方式，控制室内的仪表之间使用电压传输方式。（2）信号下限不是从0开始，使仪表的电气零点和机械零点得以分开，便于检验信号传输线是否断线以及仪表是否断电，并为现场送变器实现两线制（既是电源线又是信号线）提供可能性。（3）集中统一供电，采用线性集成电路

SCC结构

计算机定时采集生产过程参数，按指定的控制算法求出输出关系和控制量，并通过一定方式提供现场信息。可以不经过人员的参与而直接对生产过程施加影响。闭环结构

DDC结构

计算机对被控参数进行检测，再根据设定值和控制算法经过运算输出到执行机构，是参数稳定在给定值上。

DCS主流网络协议： OSI：七层

TCP/IP：TCP（传输控制协议）和IP（网际协议）FF:Fieldbus Foundation现场总线基金会 FCS主流协议：

CAN: Controller Area Network 一种有效支持分布式控制系统的串行通信网络 性能高，可靠性高，传输速率高。采用一种称作广播式的传输工作方式，其特点是废除了传统的以节点地址为中心的编码方式，而代之以基于数据块的编码方式 LonWorks：Local Operation Networks 特色是智能节点，可以脱离上层的管理工具自行完成数据采集和处理，并能与其他节点共享数据。节点内部可以编程 ProfiBus： 应用最广泛，包括12M的高速总线DP和用于过程控制的低速总线PA，完美结合使其在结构和性能上优越于其他总线 FF：

DeviceNet：CAN总线的基础上建立起来的，开放，低成本，高效率，高可靠性

AI采集温度信号

现场PLC电源电源rCRRRRrBRTDRTADrRrRr 1-5V转化为4-20mA

这个电路叫郝兰德电路，是典型的电压电流转换电路。其特点是负载电阻有一端接地(恒流源通常有这个要求)，而取样电阻两端均不接地。之所以能够实现这个要求，关键就是上面一个运放和电阻的匹配。上面一个运放显然是跟随器，其输入阻抗很高，可以看成开路，其输出阻抗很低，可以看成电压源，而电位与Rs右端相同。这样就避免了R2中电流对输出的影响(R2不从输出端取用电流)。利用运放的虚短和虚断可以退出加在RL两端的电压是 V*RL*R2/R1/RS,因此流过RL的电流IL为V/RS*R2/R1,与负载无关。由运放虚短概念可知，V2=V1,V5=V4 V3=V2+(V2/R3)*R4 ―> V3=V2*(1+R4/R3)=V1*(1+R4/R3)V1=R1*(V5-V)/(R1+R2)+ V －> V5=V1*(1+R2/R1)–V*(R2/R1)

= V3

–V*(R2/R1)= V4 采样电阻RS两端的电压为：V4-V3= V*(R2/R1)流过RS的电流为：(V*(R2/R1))/RS，其大小与负载电阻RL无关，受输入电压V

控制。电流源

4-20mA转化为0-5V

看门狗电路原理

看门狗芯片和单片机的一个I/O引脚相连,该I/O引脚通过程序控制它定时地往看门狗的这个引脚上送入高电平(或低电平),这一程序语句是分散地放在单片机其他控制语句中间的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段不进入死循环状态时,写看门狗引脚的程序便不能被执行,这个时候,看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号,便在它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号,使单片机发生复位,即程序从程序存储器的起始位臵开始执行,这样便实现了单片机的自动复位.RTOS 当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理，处理的结果又能在规定的时间内来控制生产过程或度对处理系统做出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行。特点：

 实时：每个可执行的任务都能及时响应，都可享用“时间片”。 多任务：多个程序并行执行。

 响应异步实体：能够接受来自外部的中断

 能够保证任务切换时间：必须有定时系统和实时时钟

 必须有尽快的中断响应时间：即对最高优先级中断的快速响应  可以实现多任务调度功能：循环、优先级  必须可以实现同步和互斥功能：资源共享

CSMA/CD 优点：原理比较简单，技术上易实现，网络中各工作站处于平等状态，不需要集中控制，不提供优先级控制

缺点：网络负载增大时，发送时间增加，发送效率急剧下降。

原理：发送数据前先侦听信道是否空闲。如果空闲，则立即发送数据。如果忙碌，则等待一段时间至信道中的信息传输结束后再发送数据。若在上一段信息发送结束后有两个或以上的节点都提出发送请求，则判定为冲突。冲突的话就立即停止发送数据，等待一段时间后再重新尝试。先听先发，边发变听，冲突停发，随机延迟后重发。Token Bus/Token Ring 令牌总线（Token Bus）是一种在总线拓扑结构中利用令牌（Token）作为控制节点访问公共传输介质的控制方法。在令牌总线网络中，任何一个节点只有在拿到令牌后才能在共享总线上发送数据。若节点不需发送数据，则将令牌交给下一个节点。

CSMA/CD与Token Bus都是针对总线拓扑的局域网设计的，而Token Ring 是针对环型拓扑的局域网设计的。如果从介质访问控制方法的角度看，CSMA/CD属于随机型介质访问控制方法，而Token Bus 和Token Ring属于确定型介质访问控制方法。Token Bus适用于实时性要求较高的场合。OSI的七层：

 物理层:数据单位为比特。为数据端设备提供传送数据的通路  数据链路层：数据单位为帧。为网络层提供数据传送服务

 网络层：数据单位为数据包。选择合适的网间路由和交换节点，确保数据及时传送。主要设备是路由器  传输层：数据单位为数据段。

 会话层：以后单位均为报文。不参与具体的传输，提供包括访问验证和会话管理在内的建立和维护应用之间通信的机制。如用户登录验证。

 表示层：主要解决用户信息的语法表示问题。将某一用户使用的抽象语法转化为OSI系统内部使用的传送语法。如数据的压缩和解压缩，加密和解密。 应用层：为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。TCP/IP：

 网络接口层：定义物理介质的各种特性。

 网络层：负责相邻计算机之间的通信。Ip协议是网络层的核心

 传输层：提供应用程序之间的通信；格式化信息流，提供可靠传输。接收端必须发回确认，并且假如分组丢失，必须重新发送  应用层：提供常用的应用程序

PID：

U(t)Kc[e(t)1Tit0e(t)dtTdde(t)]dt

U(k)U(k)U(k1)Kc{[e(k)e(k1)]TTe(k)d[e(k)2e(k1)e(k2)]}TiT

PID整定方法：

（1）临界比例度法/闭环震荡法

通过试验得到临界比例度PB和临界周期Tk，然后根据经验公式求出控制器各参考值。被控系统稳定后，首先将积分时间放大最大，微分时间放到0，相当于只使用比例作用。然后观察其阶跃响应，从大到小逐步把控制器的比例度减小，看测量值震荡的变化情况，当产生恒定幅度和周期的震荡波形时，记下PB，Tk。然后根据经验公式求得PID参数。

特点：不需要求得控制对象的特性，而可以直接在闭合的系统中进行整定，适用于一般的系统。对于临界比例度比较小的系统不适用，而且有的系统是不容许震荡的。

（2）衰减曲线法

跟1差不多，只是不是等幅振荡，而是衰减4:1或者10:1的时候记下衰减比例度Ps和衰减周期Ts，然后根据经验公式求得

特点：简单实用，适用于一般的控制系统。但是对于干扰频繁，记录曲线不规则，不断有小摆动时，难以获取有效参数，不适合用。（3）经验凑试法

选取一个合适的P，Ti作为起始值；改变参数观察曲线变化形状，不断改变参数满足需求。然后在此基础上加入微分作用，选取微分参数后试着减小P，Ti凑试，得到最佳结果为止。Pid各参数的作用：

Kp越大，被控曲线越平稳。但是会产生余差，需要引入积分作用。Ti：消除余差

Td：超前控制，在偏差大之前调整

IEC标准编程语言： 1 梯形图：适合于逻辑控制 功能块图：合适于典型固定复杂算法控制如PID调节 3 顺序功能图：适合于多进程时序混合型复杂控制 4 指令表：适合于简单文本自编专用程序 结构化文本：适合于复杂自编专用程序，如特殊的模型算法 未来组态的发展：

组态就是利用工控软件中提供的工具和方法来完成工程中某一具体任务的过程，这个软件就叫做组态软件。

组态软件作为一种工业信息化的管理工具，其发展方向必然是不断降低工程开发工作量，提高工作效率。易用性是提高效率永恒的主题，但是提高易用性对于提高开发效率是有限的，亚控科技则率先提出通过复用来提高效率，创造性地开发出模型技术，并将这一技术集成到KingView7.0中。这一技术能将客户的工程开发周期缩短到原来的30%或更低，将组态软件为客户创造价值的能力提高到了一个新的境界，代表了组态软件的未来。

组态软件的发展必将沿着更好的人机交互、更加逼真的画面、能满足客户个性化需求、具备行业特征和区域特征、具有很好的开放性、信息唾手可得和更高的可靠性以及大型SCADA的方向发展。

FCS：

减少接线和安装的原因：由于现场总线系统设备前端的智能设备能执行多种功能，可以减少变送器的数量，也不需要信号的调理转换、隔离技术等，节省了一大笔硬件投资。

现场总线的接线非常简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可以挂接多个设备，所以电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增加新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，这样可以节省大量的电缆。特点：

适应工业应用环境，要求实时性强，可靠性高，安全性好。多为短帧传送，通信的传输速率相对较低。

结构：全分布、网络集成式控制系统。企业的底层网络

FCS区别于DCS的特点

 系统的开放性、互用性  摆脱了传统常规模拟仪表的束缚  在各个层次上都采用了数字通信技术  系统结构的高度分散

 数字仪表在生产现场构成虚拟控制站(Virtual control station)

CAN总线： 特点：

 CAN不采用节点地址编码，而是对报文编码，节点通过报文滤波决定是否与其有关，即接受或发送相应的报文。

 CAN采用多主工作方式，节点不分主从。

 CAN总线节点报文分成不同的优先级，满足不同的实时需求。 CAN总线采用总线仲裁技术，保证优先级高的节点实时传输报文。

工业以太网与商业以太网的区别：

商用以太网具有价格低、通信速率和带宽高、兼容性好、软件资源丰富、广泛的技术支持基础和强大的发展潜力等优点。但是以太网采用了载波侦听多路访问/碰撞（冲突）检测（CSMA/CD）的传输规范，这无法满足工业控制中的实时性、确定性、可重复性等方面的要求；此外，现有的高层协议也无法满足工业控制要求。工业以太网需要应对更为恶劣的环境需求。工业以太网的优势

 可满足控制系统各个层次的要求，利于管控一体化。 设备成本下降。

 用户拥有成本下降。（维护） 易与Internet集成。 广泛的开发技术支持。 大量的现有软件资源。以太网的优势：

工业以太网面临的问题

 通信实时性

 环境适应性与可靠性（结构、连接器） 总线供电（5类线中的空闲线，10-36V） 本质安全（防爆安全栅）

本质安全是指通过设计等手段使生产设备或生产系统本身具有安全性，即使在误操作或发生故障的情况下也不会造成事故的功能。具体包括失误—安全（误操作不会导致事故发生或自动阻止误操作）、故障—安全功能（设备、工艺发生故障时还能暂时正常工作或自动转变安全状态）。

本质安全防爆方法是利用安全栅技术将提供给现场仪表的电能量限制在既不能产生足以引爆的火花，又不能产生足以引爆的仪表表面温升的安全范围内，从而消除引爆源的防爆方法。

现场总线的发展趋势： 1.注重系统的开放性

2.注重应用系统设备间的互操作性 3.注重控制网络与公用数据网络的结合 4.注重使测控设备具备网络浏览功能 5.以太网已直接进入控制网络

6.多种通信方式下的数据传输与数据集成，管控一体化目标下的数据综合利用

PLC 优点：

1.编程方法简单易学 2.功能强，性能价格比高

3.硬件配套齐全．用户使用方便。适应性强 4.可靠性高。抗干扰能力强

5.系统的设计、安装、调试工作量少

6.维修工作量小，维修方便 7.体积小，能耗低

多功能总线控制器 篇6

1.与系统总线有关的几条控制线

系统总线的各种配制是依赖MCS-96的有关几条控制线（输入或输出脚）与芯片配置寄存器CCR的有关设置共同来实现的。它们是：

（1）地址总线分离控制线 ALE / ADV 地址片的锁存信号，高电平有效的 ALE，或低电平有效的ADV。

（2）读控制线 RD 从片外读取指令或数据时，RD低电平有效，而且总是按“字”进行。

（3）写控制线 WRL 和 WRH 或 WR、BHE、A0 向片外数据存储器写入数据时，有写高位字节、写低位字节、同时写高位和低位字节（一个字）三种写入方式。根据总线配置的方式的不同，会出现不同的控制信号。

（4）总线宽度选择线 BUSWIDTH 为0时选择八位；为1时选择十六位。但它还须与芯片配置寄存器CCR的D1位联合进行控制。

（5）取指信号线 INST 80C196KB还输出一根取指信号线，平时该线输出低电平，只有在向片外取指时变为高电平（在地址有效期内）。利用这一特性可以将片外的程序存储空间和数据存储空间分开（类似51系列的PSEN信号线），使总的存储空间比原来的多出一倍。

（6）准备就绪信号线READY 80C196为了适应片外慢速存储器或外设的时序要求，在正常执行的状态周期中插入等待周期，是否等待或等待多久由CCR寄存器的D5、D4位确定。

为了使单片机能实现多种总线配置方案，满足存储器的接口要求和就绪控制，所有可供灵活选择的信息都集中在芯片配置寄存器CCR中。有关该寄存器内各位功能请见前期的“准十六位单片机8098及80C198”一文中的表2。

外部数据总线的宽度不光与CCR 的D1位有关，还与控制线BUSWIDTH 的状态有关，两者的关系，如表 1所示。只有当D1=1，BUSWIDTH=1 时，数据总线宽度才为十六位。显见，当D1=1时，由BUSWIDTH的状态就可以单独决定总线的宽度，这可以通过地址线译码或程序运行来设定，使总线宽度随着功能的需求而进行动态的改变。

2.MCS-96外部数据总线的四种控制方式

（1）标准总线方式 当CCR D2=1，CCR D3=1 时，80C196提供写信号WR、BHE 和地址锁存信号ALE。当总线宽度为十六位时（BUSWIDTH=1），须由WR、BHE和地址线A0通过译码电路获得WR HIGH、WR LOW信号，用来分别写偶单元字节（低位字节）和奇单元字节（高位字节）。当总线宽度为八位时（BUSWIDTH=0），只须用WR信号就可。地址线送出时，ALE变高，其下降沿作为外部地址的锁存信号。

（2）写选通方式 当CCR D1=1，且总线宽为十六位时（ BUSWIDTH=1），WR、BHE 被WRL、WRH替代，分别向偶单元和奇单元写入一个字节。当总线宽度为八位时（BUSWIDTH=0），只使用WRL便可。地址锁存信号仍为ALE。写选通方式比标准方式的外部接口要简单，不需要译码电路，便可直接输出写信号。

此外还有地址有效选通方式，地址有效写选通方式以1、2两种较为常用。单片机还会因片内是否有程序存储器而使外部的系统总线有所区别。当内部有程序存储器时（ROM、EPROM等），其外部总线只涉及数据存储器（RAM），结构显然要简单。

外部程序存储器和数据存储器的数据总线并不要求使用相同的宽度，可以分别使用八位和十六位，这两者又会出现四种搭配方式：①八位总线程序存储器 + 八位总线数据存储器；②十六位总线程序存储器 + 八位总线数据存储器；③十六位总线程序存储器 + 十六位总线数据存储器；④八位总线程序存储器 + 十六位总线数据存储器。其中第四种通常不用。限于篇幅，下面仅以③为例进行说明。

十六位总线程序存储器 + 十六位总线数据存储器 其电原理图见图1，这是一种全十六位机，我们采用了最常见的80C196KB。它的封装采用68脚的PLCC结构。本电路的总线方式为写选通方式，芯片配制寄存器CCR的内容为：11111011B（FBH），其意是：无保密，不等待，地址信号线ALE，写选通信号WRL和WRH，数据总线宽度十六位，BUSWIDTH=1。

采用写选通方式，写信号线由标准方式的WR、BHE 自动转换为WRL、WRH，并直接对存储器进行写控制。它的取指及数据的读、写都是十六位的字操作（写数据时还可以单独由WRL或WRH分别对IC6或IC7进行字节操作）。故运行速度是最快的。

在器件的选用上，由于很难找到十六位的地址锁存器，这里用两片八位的地址锁存器IC2、IC3串级使用，分别用于低八位、高八位的地址锁存，这是一种价廉物美的方式，使用上也方便。同样的原因，十六位的程序存储器也采用了这种方式，用两片八位的EPROM芯片IC4、IC5串级使用，分别用于低八位（偶单元）的程序存储和高八位（奇单元）的程序存储。由于程序存储空间为16K×16位，存储芯片只能用两片27128。地址区间为0000～7FFFH。

对于数据存储器，也是用两片八位的RAM芯片IC6、IC7串级使用，IC6、IC7应用62128型号，该型号难找，此处用62256代替，将该片的地址脚A14接地即可。地址区间为8000～FFFFH。

必须说明的是：经IC2、IC3锁存器输出的地址线A0～A15中，A0必须空出，而将A1～A14依次接到IC4、IC5的地址脚A0～A13上。原因是取指时每次读一个字（IC4、IC5各读一个字节，且两片的地址相同），给出的地址必须能包含IC4低位字节（偶单元）和IC5高位字节（奇单元）。采用上述接法可以选中一个字中对应的低位字节和高位字节，并通过AD0～AD7和AD8～AD15读入到单片机内。

对于数据存储器，地址线A0也空出不用，A1～A14依次分别接到数据存储器IC6、IC7的A0～A13脚。不过，写数据存储器时，有三种写法：①可以写一个字（WRL、WRH同时变低），写低八位字节（WRL变低），写高八位字节（WRH变低）。

它的地址译码由地址线A15控制，为低时选通程序存储器IC4、IC5；为高时通过反相器D选通数据存储器IC6、IC7。图2给出了相应的时序图。

因IC4、IC5分别为偶单元和奇单元的存储芯片，应将目标代码文件依序分成0、2、4、6……2N（偶单元文件）和1、3、5、7……2N+1（奇单元文件）两个文件，并分别固化到IC4、IC5中。

CCR芯片配置寄存器参数写入法 CCR是一个特殊的专用寄存器，无法通过对内部RAM的访问来改变CCR的内容，而该寄存器的内容对总线的设置又至关重要。80C196KB复位后不是从0000H开始运行，而是从2080H开始运行，而程序固化的起始地址却是从2000H开始。在2000～2079H单元中，除少数被定义外，大部分被保留下来用于未来的产品开发。其中有一个特殊的单元2018H称之为芯片配置字节（CCB），这个单元属于程序存储区的范围，应事先对其内容进行设置编程。当系统复位且只有复位时，CCB的内容才被自动装载到芯片配置寄存器CCR中，由此可见，CCR的内容是通过CCB的间接方式写入的。

2018H（CCB）单元的编程方法虽有几种，但最方便的莫过于使用编辑器来进行。因为编辑器一般都有CCB的设置界面，操作者只须依总线的需要进行设置，再将它与已编制好的源程序一起进行汇编，获得目标程序，再进行固化就可以了。而编辑器的种类很多，功能也不尽相同，工作的平台也不相同，但我们总可以在集成调试软件界面的主菜单—子菜单中，找到一个有关的设置界面，其中有五项是对CCB参数的设置。从1～5依次是总线宽度设置、写控制线设置、地址选通设置、等待周期设置、保密设置。它们依次对应于CCR中的D1、D2、D3、D4、D5、D6D7。下述的具体设置对应于图1总线的写选通方式。

设置完毕后，再将欲汇编的源程序调入窗口进行汇编，通过后，则刚才设置的内容已写入到2018H中。我们可以通过反汇编窗口进行查看，将程序区向前移至2018H单元，可以看到其内容是11111011（FBH）。

奇、偶单元固化文件的获取 当程序存储器采用十六位数据总线时，如前面所述，必须将原来的固化文件一分为二，构成对应的偶（低八位）固化文件和奇（高八位）固化文件，并分别固化到偶（低八位）程序存储器IC4和奇（高八位）程序存储器IC5中。注意：这里所说的固化文件是指能用于程序存储器固化的可执行的二进制文件，而不是其它的文本文件。这类文件的后缀是 . ROM或 . BIN。 后缀为 .OBJ文件属格式机器码，这里不能使用。

采用编辑器可以很方便地获得固化文件，但要将固化文件(暂取名为：FILE.ROM)一分为二获得对应的偶文件(暂取名为：FILE（0）.ROM)和奇文件（暂取名为：FILE（1）.ROM），几乎所有的编辑器都无能为力。这需要我们自己动手编制软件才能完成。

首先，我们应先由FILE.ASM文件获取二进制固化文件FILE.ROM。获取该文件有多种方法，也可以采用编辑器。我们将文件的名称定为：FILE.ROM，记住文件的长度（字节数），将该文件放在某个子目录下（如C:A96FILE.ROM）。

下面，我们用C语言和BASIC语言各编制出一个程序（程序见本刊网站），用于将固化文件一分为二获得对应的奇、偶文件，这两个程序的效果是相同的，读者可以根据自己熟悉的语言选用一种。以C语言程序为例说明其使用方法，将上面的二进制文件FILE.ROM的长度填入程序的第8行（a=XX）*[1]，再将文件名及路径填入第10、16、17、18、25、32行*[2]。然后运行该程序。运行通过后，退出菜单界面，便可显示原二进制固化文件FILE.ROM及偶文件FILE（0）.ROM和奇文件FILE（1）.ROM的内容（以十六进制方式显示，便于查看）。读者可将三个文件进行核对，正确与否一看便知。在子目录A96下即可获得对应的奇、偶文件。图3给出了C语言程序的简易流程图，BASIC语言程序的流程图与图3大同小异，只是某些过程顺序有些改动，该程序填入文件长度（第2行*[1]）和文件名及路径（第3、4、5行*[2]），运行后将直接显示上述三个文件的十六进制值。将偶文件和奇文件分别固化到IC4 和 IC5中，并分别插入各自的插座，不可插错。

多功能总线控制器 篇7

1 主节点发送模块的划分和发送的过程

M VB主节点发送模块总体结构主要可以划分为一下几个模块:曼彻斯特编码模块, 循环冗余码 (CRC) 编码模块, CRC的偶校验扩展模块和主控模块。总体结构图如图1所示:

2 循环冗余码编码模块的实现

CRC模块有5个信号输入端口:clk, crc_reset, crc_en, crc_datain, rst, 分别代表时钟脉冲信号, 主控模块复位信号, CRC模块使能信号, CRC模块数据输入和系统复位信号。该模块的输出是一个7位的寄存器组:crc_checkdata。这个寄存器组中存放计算出来的余数, 也就是CRC。模块是一个时序电路, 在时钟的上升沿工作, 当复位信号crc_reset为高的时候, 整个模块复位, 这时候输入无效;当crc_reset为低, 使能信号crc_en为高的时候, 模块开始计算输入数据crc_datain的CRC。

在列车通信网中, 还要对它进行偶校验位扩展, 然后按位取反。

3 模块的功能调试与仿真

选择Modelsim作为仿真器, 在Xilinx ISE平台上编写程序, 以0111111011000011作为输入。

CRC模块的测试文件crc_test.v:

运行后结果如下:

参考文献

[1]Mario Marchesoni, Paolo Segarichi.A Simple Approach to Flux and Speed Observation in Induction Motor Drives[J].IEEEtrans.Ind.Applica, 1997.

多功能总线控制器 篇8

随着嵌入式系统的发展,多功能IO采集卡在工业控制中得到广泛应用,实时、有效和高速地完成控制信号到嵌入式处理器处理的信号交互传递成为工业控制系统的重要环节,而IO卡驱动编写质量的好坏是其中的关键。本文以基于PENTIUM电脑在VxWorks下开发多功能IO采集卡驱动,详细介绍了基于VxWorks下多功能IO卡驱动的设计和实现过程。

2 多功能I/O卡简介

本文采用的多功能IO采集卡采用PCI总线,具有32路光隔离开关量共阴输入、32路光隔离开关量共阴输出、3路光隔离计数输入。PCI总线的桥芯片为9052芯片。PCI9052是PLX技术公司继PCI9050之后推出的低成本、低功耗、高性能总线接口芯片,通过该芯片可以使多种局部总线快速转换到PCI总线上。

3 PCI配置空间

PCI是Intel公司于1991年提出的新的总线标准。每个PCI设备有3种物理空间:配置空间、存储器空间和I/O空间。配置空间是长度256字节的一段连续空间(16个32位寄存器)其中前64个字节为头标,其余192字节为设备相关信息。在64字节的头标中,前16字节的定义是确定的,后48字节的具体含义因设备而异。配置空间头标区如图2所示。配置空间中的一个重要部分是基地址寄存器(Base Addresss Register),它的内容是PCI设备的地址空间映射到系统地址空间的起始物理地址。其中,bit0=1表示IO空间映射,bit0=0表示存储器空间映射。所有PCI设备必须实现存储器空间映射。通过向BAR写全1即可确定所需地址空间的大小[1]。

要访问某一PCI设备的配置空间需要给出总线号,设备号、功能号和寄存器号。要对PCI设备各种功能进行操作一般通过I/O空间和存储存器空间,具体和PCI设备硬件相关。获得空间的基地址后,就可根据PCI设备说明书进行功能驱动编程。

4 VxWorks的多任务支持与PCI总线支持

VxWorks是由Wind River公司开发的一种强实时性嵌入式操作系统。支持80x86、Motorola PowerPC、ARM等多种嵌入式CPU。它开放的体系结构和对工业标准的支持是得在多厂商平台上设计实时系统变得容易,而且在不同处理器之间移植代价极小。VxWorks操作系统具有高度的可裁剪的微内核结构、高效的多任务调度、灵活的任务间通讯手段、快速准确的I/O系统等优点。

4.1 Vx Works多任务支持

任务是代码运行的一个映象,VxWorks内核使任务能快速共享系统的绝大部分资源,同时有独立的上下文来控制个别线程的执行。VxWorks内核采用基于优先级的抢占式调度法作为它的缺省策略,同时也提供了轮转调度法。基于优先级的抢占式调度方法为每个任务指定不同的优先级。没有处于悬置或休眠态的最高优先级任务将一直运行下去。当更高优先级的任务由就绪态进入运行时,系统内核立即保存当前任务的上下文,切换到更高优先级的任务[2]。

4.2 VxWorks的PCI总线支持

V x W o r k s中驱动硬件的工作是由B S P来完成的。BSP中的驱动程序管理特定目标环境中的设备,对其进行控制和初始化。所谓板级支持包BSP(board support packet)通常是指针对具体的硬件平台,用户所编写的启动代码和部分设备驱动程序的集合。在VxWorks操作系统中,BSP是介于底层硬件环境和VxWorks之间的一个软件接口,它的主要功能是系统加电后初始化目标机硬件、初始化操作系统及提供部分硬件的驱动程序。PCI设备驱动是其中重要的一部分。

5 多功能IO采集卡PCI驱动设计与实现

5.1 VxWorks下多功能IO采集卡设备查找和物理空间的获取

在实际工作中首先通过多功能I O采集卡厂商I D(0x10b5),设备ID(0x5201)号,利用VxWorks内部函数pci Find Device()获得设备实例、总线编号、设备编号和功能编号;然后调用pciConfigInLong()获得多功能IO采集卡设备的配置空间、内存空间、I/O空间的地址;利用pci Config In Byte得到设备中断号;在利用sysMmuMapAdd()函数建立PCI的内存映像[3]。代码如下:

通过调用pciIntConnect()将中断服务程序与中断向量连接起来,然后打开中断,并挂接好中断服务函数使能够响应中断。注意此时中断号要利用INUM_TO_IVEC转换为中断向量才可使用[4]。中断服务函数如下:

5.2 程序流程图如图下

6 结束语

本文介绍了VxWorks下多功能IO采集卡设备驱动程序的详细编写,介绍了PCI总线下PCI9052芯片驱动的开发,只需少量改动就可应用到其它平台。通过对驱动程序的编写,作者深刻体会到了VxWorks下PCI总线设备的查找策略与方法。

参考文献

[1]张豫榕,董磊.VxWorks的PCI配置方法和应用实例[J].电脑编程技与维护,2005,(1):81-85.

[2]VxWorks Programmer’s Guide5.4[z],U.S.A:,Wind River Systems,Inc,1999.

[3]任秀丽.VxWorks操作系统中对PCI总线驱动程序的设计与实现[J].锦州师范学院学报(自然科学版),2001,(9).

多功能总线控制器 篇9

UVM是Universal Verification Methodology的缩写, 全称即通用验证方法学。

这种方法学是由Cadence、Mentor和Synopsys公司联合推出的验证方法学, 起源于OVM (Open Verification Methodology) [1]。它采用了诸多当前主流验证方法学的优点, 可以为工程师提供随机化的激励产生方式及具有可重构性的验证部件, 以此来提升验证效率。

本论文结合在研发某芯片设计中的SPI总线控制器, 应用UVM搭建仿真验证平台, 完成SPI总线控制器的验证工作, 为以后芯片研制中的SPI控制器验证提供了可重用的验证环境。

1 SPI总线控制器简介

SPI是一种高速的、全双工的同步通信总线, 使用四根通信线路, 极大的节约了芯片的管脚数目, 同时节省了PCB版上布局空间[2]。出于简单易用的特点与特性, 更多的芯片开始集成SPI总线接口。SPI通信双方为主、从关系, 在这种工作模式下, 通常有一个主设备和一个或多个从设备, 设备之间可以用4 线模式 (双向传输时) 或3 线模式 (单向传输时或单主单从工作模式) 连接。

SPI是为环形总线的结构, 主控制设备通过产生移位时钟来发起通讯。通讯时, 主设备通过发送时钟信号来控制数据的输入输出, 数据在总线上由MOSI输出, MISO输入, 数据与时钟信号的关系为用户自主克配置, 这样经过若干次时钟的改变, 完成相应位数的数据传输。

在SPI传输中, 数据是同步进行发送和接收的。数据传输的时钟基于来自主处理器的时钟脉冲而产生的总线控制器输出时钟, 摩托罗拉没有定义任何通用SPI的时钟规范。然而, 最常用的时钟设置基于时钟极性 (CPOL) 和时钟相位 (CPHA) 两个参数, CPOL定义SPI串行时钟的活动状态, 而CPHA定义相对于数据位的时钟相位。CPOL和CPHA的设置决定了数据取样的时钟沿。

2 UVM验证平台搭建

2.1 层次化验证平台

验证平台 (testbench) 通过硬件验证语言[3]搭建而成, 验证工程师在功能验证中, 在被测设计外部完成验证平台的搭建。验证通常采用向被测设计中施加不同的激励, 然后观察DUT的输出结果, 并且将这个结构和要求的期望值做比较, 从而验证DUT是否正确。所以生成各种不同的激励是一个验证平台最重要的功能。

验证工程师通过将各种验证方法集成在验证平台中来提高验证的效率。为了能够集成更多高级的验证方法, 引入了分层的验证平台的方法。这个过程中, 抽象程度随着层次的增高而增大。

1) 信号层是最底层的。DUT属于信号层, 连接DUT和验证平台的信号也属于信号层。

2) 命令层主要包含用于驱动DUT的激励同时监测从DUT中采集的输出信号。

3) 功能层负责将上层的事务接收后分解为数据包发送给命令层, 功能层的另一个作用就是预测结果, 将预测的结果和DUT的输出进行对比。

4) 场景层的作用主要就是产生激励。

验证环境是由以上几个层次相组合构成的。对于不同的DUT这个层次的划分会有所不同。虽然表面上看划分层次好像是提高了验证平台的复杂度, 但是事实上这样做划分了各个模块的功能, 提高了代码功能的清晰度, 有利于验证平台的搭建。

2.2 通用UVM验证平台逻辑结构

一个典型的UVM验证平台[4], 包括driver (驱动器) 、monito (监视器) 、sequencer (序列器) 、agent (代理器) 、scoreboard (计分板) 、reference model (参考模型) 和env (环境) 等通用验证组件 (Universal Verification Component, 简称UVC) 。

UVM预先定义好了一个类uvm_component。UVM平台中的主要部件, driver、monitor、model、scoreboard等都要从这个类来派生而来。通过类派生的形式, 把各个部件等都以树型结构组合起来, 使验证平台的层次清楚, 易于执行操作与更改。

整个UVM验证平台的各个部分就如同一棵倒置的树, 如下面图1 所示。

2.2.1 Driver

UVM验证平台中的driver派生自uvm_driver。driver是UVM验证平台的最基本的验证组件, 也是除reference_model之外最复杂的验证组件。driver会将由sequence受约束随机产生的事务级数据转变成DUT端口级别的数据, 再驱动到与DUT的相连的接口上。

2.2.2 Sequencer

UVM验证平台中的sequencer派生自uvm_sequencer, 并且在定义时会指定要产生的事务级数据类型。sequencer的作用非常简单, 就是将sequence中产生的受约束的随机事务级数据发送给driver。

2.2.3 Monitor

对于一个很大项目来说, 仅仅依靠波形来判断DUT的功能是否正确是不可靠也是不现实的。正确做法应该在验证平台中引入自对比机制, 通过log文件中有无error来确定DUT的功能是否正确, 这就要在验证平台中引入reference model、scoreboard和monitor。monitor是实现监测DUT行为的验证组件, 其派生自uvm_monitor。

2.2.4 Agent

为了提高验证组件的可移植性, UVM中通常将driver、monitor和sequencer封装在一起, 成为一个agent。因此不同的agent就代表了不同的协议。agent派生自uvm_agent。

2.2.5 Reference model

由于UVM验证平台需要自对比机制, 即需要将DUT的输入数据与DUT的输出数据进行对比, 所以需要在验证平台中引入reference model验证组件, reference model直接从uvm_component中派生出来。reference model分两种, 一种是与DUT的功能一样, 相当于用不可综合的风格写出的与DUT功能相同的算法;另一种reference model相当于DUT的逆运算。

2.2.6 Scoreboard

scoreboard派生自uvm_scoreboard, 是一个uvm_component, DUT的输入或输出数据与reference model输出的数据在scoreboard中进行自对比, 对比成功会打印一个标志, 比对失败也会打印一个标志, 这样使验证工程师不用根据波形来判断DUT功能是否正确, 减小了验证工作出错的机率。

3 基于UVM的SPI总线控制器验证平台搭建

结合UVM验证平台的逻辑结构与SPI控制器的工作模式, 搭建完整的验证平台。基于上节UVM通用验证验证平台的搭建, SPI总线控制器UVM验证平台的框图如图2 所示。平台主要包括两个SPI agent和reference model。其中, SPI sequencer用来获取SPI sequence, SPI driver将从SPI sequencer获取的事物级数据, 即总线上预想发送数据的时序要求与数据内容发送给SPI总线控制器即DUT。这些事物级数据包括了对SPI总线控制器的控制寄存器配置以及传输数据的取值。

SPI agent同时将相同的数据给SPI reference Model, 其中的数据为发送到总线上的数据。Out-agent只有Out monitor一个部件, 该部件用来监控SPI总线控制器的数据输出。Scoreboard接收SPI reference Model和Out agent传来的数据, 并进行比较, 输出结果信息。

在验证平台的搭建中, 将sequence分为两个部分。一方面为配置寄存器的cfg_sequence, 一方面为发送数据的配置。通过sequence的细化, 达到将数据与配置分离, 减小实际验证工作中的工作量的目的。

当验证平台向DUT输入信号后, DUT会对输入信号有一定的响应。这个响应需要在记分板中进行判断, 这时就需要有一个对比值, 而这个对比值就是reference model产生的。reference model向Scoreboard的输出为SPI总线控制器要发送的数据。在reference model中不需要考虑SPI总线控制器工作模式的问题, 只关注与需要发送的数据。在rx_monitor中, 通过接收DUT输出的串行数据信号与时钟信号, 判断发送数据的工作模式。在tx_monitor中, 通过接收DUT的输入配置来确定应有的发送模式, 通过对比确定DUT发送功能的正确。

4 总结

通过UVM验证平台验证SPI总线控制器, 经仿真验证, 功能覆盖率及代码覆盖率都达到了要求, 并且该验证环境可以灵活的集成到系统验证环境中, 使SPI模块可以在顶层验证中应用, 做到了可重用验证。

摘要：本文通过应用UVM高级验证方法学, 搭建适用于SPI总线控制器的验证平台和验证环境, 并实现对其不同模式下数据传输的功能验证, 提供了一种可重用的高效验证方法, 有利于提高验证效率, 缩短设计周期。

关键词：UVM,SPI总线控制器,仿真验证

参考文献

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[3]钟文枫.SystemV erilog与功能验证[M].机械工业出版社, 2010.

多功能总线控制器 篇10

在目前的自动化生产线中, 电气控制技术的发展越来越快。随着生产线自动化程度的不断提高, 伺服控制器的应用也越来越广, 其具有控制精度高, 动态响应快, 稳定性高等优点, 可以实现高精度的位置, 速度控制完成复杂的生产工艺要求。但是在产品设计中要控制较大转动惯量的机械负载还是比较困难的, 以目前市场上所提供的伺服电机功率很难用单台电机来实现控制。

本文以我公司设计的旋转热飞锯产品为依据, 采用LENZE 9300EK伺服控制器设计, 介绍了基于伺服控制器can总线的主从同步控制技术, 通过主从同步控制实现了两台伺服电机共同拖动同一负载, 进而增大了伺服电机的功率, 通过现场实际运行, 该控制方式运行稳定, 可靠, 相信随着伺服技术的不断发展该技术可以广泛应用在现代化的自动化生产线中。

2 系统组成

由于本产品机械转动惯量较大, 在设计中已经无法选择适合功率的伺服电机, 因此我们选用两台55KW伺服电机, 共同拖动同一负载来增大电机功率。伺服驱动器采用两台LENZE9300EK, 该控制器具有丰富的控制接口。本系统采用的是PROFIBUS-DP总线与上位机进行通讯, 传递生产工艺参数, 并且对设备的运行状态进行监控。两台伺服控制器之间采用CAN总线来进行主从同步控制。系统框图如图1所示。

3 LENZE 9300EK伺服控制器简介

LENZE 9300EK伺服控制器属于电子凸轮型伺服驱动器, 除了基本的伺服功能外其内部还内置了电子凸轮发生器, 可同时自由编程8条凸轮曲线。与传统机械式凸轮系统相比, 更易于实现复杂轮廓的曲线修改和工艺的快速更新, 并有效克服机械凸轮系统易磨损, 改造周期长, 成本高等缺点, 广泛应用在生产工艺复杂, 控制精度要求较高的生产线中。LENZE9300EK伺服控制器还具有如下特点:

1) 接口能力强, 其具有数字输入/输出, 模拟量输入/输出接口, CAN总线接口, 旋转变压器和增量编码器测速反馈接口等等;

2) 具有故障标号, 运行中检查的故障功能, 故障分类清楚, 故障提示信息多, 便于故障处理。主要保护有:过流、过压、过速、断电、反馈断线、堵转、电机过热、过载等等;

3) 强大的电子凸轮功能, 如凸轮曲线之间可在线切换, 且没有时滞, 内置寻零及纠偏等功能, 内置延展/压缩及x/y方向的偏置等等;

4) 可视的调试软件GDC, 利用内置的曲线编辑工具可方便的编辑各种曲线, 可在微机上调试编程诊断。而且本身具有软件保护设置, 以保证软件的安全性。

4 主从同步控制设计

伺服控制器间的主从同步控制采用CAN总线设计, CAN总线是德国BOSCH公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议, 它是一种多主总线, 通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1MBPS。CAN总线属于工业现场总线的范畴与一般的通信总线相比, CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计, CAN总线越来越受到人们的重视。

本设计中两台伺服控制器的CAN总线的同步参数设置如表1。

伺服程序设计包括主机和从机的程序设计, 下面主要对CAN总线的接口程序进行说明。因为主机需要实时向从机传递转速和转矩信号, 所以将主机的CAN总线控制字CAN-OUT2.W3和CAN-OUT2.W2设置为从机的转速和转矩信号给定。从机采用的是转矩控制方式, 将MCTRL-N/M-SWT参数设置为1时, 从机选择转矩控制方式。MCTRL-N-SET作为速度限制上限端口与MCTRL-N2-LIM端口一起构成速度的上下限幅端口来使用。从机MCTRL-M-ADD是由主机的MCTRL-M-SET2通过CAN-IN2.W2给出。从机的速度限制值是由主机MCTRL-N-SET2通过CAN-IN2.W3给到从机, 然后取绝对值乘以一定的比例系数作为上下极限值给到MCTRL-N-SET和MCTRL-N2-LIM作为速度的上下限制, 防止电机由于转矩的突然变化而造成电机失控的现象发生, 本设计采用的限制的范围值为±110%。通过实际现场应用该程序可以很好的实现主从同步功能, 满足生产工艺要求。MCTRL功能块如图2所示。

5 结论

目前采用主从同步控制技术的旋转热飞锯已经应用在实际的冶金生产线中, 通过现场应用的情况来看, 该产品运行稳定, 可靠, 客户反馈较好。可见随着伺服产品的逐渐推广, 基于CAN总线的主从同步控制技术会越来越多的应用在大型的自动化生产线设备中。

参考文献

[1]伦茨传动.Lenze伺服在无缝化钢管生产线上的应用[J].伺服控制, 2009 (10) .

[2]LENZE.SHB9300CRV EN2.0, 2007.

[3]LENZE.EDSVS9332K-EXT EN1.0, 2007.

多功能总线控制器 篇11

[摘要]本文提出了一种基于CAN总线的教室灯光智能控制系统的设计方案，结合光线传感器和人体红外传感器设计了现场智能节点。能够有效地避免高等学校的教室内灯光长期处于开灯状态。该系统不仅能够在很大程度上节约了电能，还能为学校减轻经济负担；同时也将计算机技术和自动化技术运用到实际，，该系统具有结构简单，高可靠性，自动化程度高等特点，具有广阔的应用前景。

[关键词]CAN总线教室灯光智能控制组态技术节约能源

[中图分类号]TE08 [文献标识码]A [文章编号]1672-5158（2013）06-0014-02

CAN总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，具有高可靠性、成本低、配置灵活、数据传输速度快等优点，已经成为最为广泛流行的总线技术之一。

目前大部分高校教室的灯光控制都处于无人管理的状态，从早晨第一节课开始，教室的灯光就被打开，一直开到晚上管理人员进行巡查的时候，甚至在阳光充足的晴天也会一直处于打开的状态，这无形之中就浪费了许多电能，为学校造成了经济负担。本文提出了一种将CAN总线技术应用到教室灯光智能控制系统中的新技术，结合光敏传感器和人体红外传感器，对教室灯光进行了智能控制，在光照度大于一定阈值时，灯都处于关闭状态；当光照度小于一定阈值时，根据教室人员分布情况，有人的区域灯光被打开，无人区域灯光关闭。

1、基于CAN总线的教室灯光智能控制系统的基本原理

（图1）该系统由上位机、CAN适配器、各个节点组成。每个节点之间通过CAN，总线进行通信。上位机的作用是监视和控制。由灯光控制继电器和传感器以及相关电路构成的各个现场智能节点既是整个系统的执行元件，又是检测元件。

将教室分为A、B、C、D 4个区域，每个区域都安装有由光线传感器和人体红外传感器组成的现场控制节点。当教室内某个区域内有人，并且照度值低于3001X时，则打开对应区域的灯；当教室内某区域的照度值高于3001X时，不论该区域是否有人都不打开该区域的灯；当教室内某个区域没有人时，无论该区域照度值是多少都不打开该区域的灯，即光照下限值设定在300/X。但是从成本上考虑，本系统光探测模块采用的是光敏电阻，而光敏电阻在不同照度下的阻值有一定的离散性，在设计时精确地将阈值设置在3001X有很大难度，因此本设计采取模糊设置，尽量使阈值接近3001X。当出现紧急情况时，可以选择手动模式进行控制。

2 系统硬件设计

控制节点按照功能可以分为不同的类型，但是基本结构是大体相同的。控制节点的电路结构如图2所示。主要由处理器、CAN总线控制器和收发器构成。对于每个控制节点，首先是通过做处理器读取外部设备、传感器和处理人机接口的检测与控制信号，并对该信号进行局部控制调节，执行具体的计算及信息处理等应用功能；同时通过CAN总线控制与其他控制节点或者功能模块进行通信。

（图3）SAJ1000是一个独立的CAN控制器，它在汽车和普通的工业应用上有先进的特性。它将会替代PCA82C200，特别适合于电子模块、传感器、制动器的连接和通用工业应用中。SJA1000在软件和引脚上都是与它的前一款PCA82C200独立控制器兼容的。在此基础上增加了很多新的功能。为了实现软件兼容，SJA1000有两种不同的操作模式。

1）Basic CAN模式：好PCA82C200兼容模式，与PCA82C200独立CAN控制器引脚电气均兼容。

2）Peli CAN模式：是扩展特性操作的新模式，它能够处理所有的CAN2.OB定义的帧类型，而且还能够提供一些增强功能使SJA1000能够应用于更宽的领域。

82C250是CAN控制器和物理总线之间不可或缺的接口器件，也成为总线驱动器。PCA82C250是CAN控制器和物理总线之间的接口，能够提供向总线的差动发送能力和cAN控制器的差动接收能力，与ISO/DIS11898保准完全兼容82C250的功能框图如（图4）所示：

串行接口电路采用标准RS-232接口芯片MAX202，使用该接口可以使节点在无需网络连接的情况下也可以进行节点之间互连关系的上传和下载，同时也可以当作调试的接口。8位拨码开关用于设定节点的逻辑地址，各个节点就是根据这个逻辑点知进行相互识别。

3、系统软件设计

（图5）在系统初始化之后，程序循环查询传感器接口、串口和CAN接口。当检测到传感器有信号时，程序在打开相应区域的灯光同时也通过CAN总线向其他节点发送该传感器的信息。其余的控制节点一旦受到该信息就会根据控制方案，打开与该传感器相关联的其他区域的灯光。同时上位机检测界面也会显示该区域的灯光打开。

4、监控界面的建立

本文采用了北京昆仑通态的MCGS组态软件，建立的监控界面如（图6）：

界面上显示了教室的楼号和教室号和教室内的4个区域的灯光指示灯；同时也包括了教室内的光照强度和时间显示。手动开关是为了防止出现意外情况的时候灯光不能及时打开。搭配教室现有的视频监视设备，能够及时的观察到教室灯光的使用情况。

5 结束语

本文中设计的教室灯光智能控制系统，能够有效的防止教室灯光处于长期无人管理的局面，当光照强度达到一定上限值时，各个灯光继电器不动作，灯光处于关闭状态。能够有效地较少工作人员的工作量，并且提高了自动化水平。

参考文献

[1]最有效的照明节能方法及合理设计，中国节能行业网

[2]张艳雯，教室照明的经济分析及节能措施，岳阳师范学院学报（自然科学版），2001（2）

[5]许果，基于红外技术的安防系统设计[J]仪器仪表与检测技术，2010，29（4）：85-69

多功能总线控制器 篇12

1553B总线是在20世纪70年代末由美国提出的飞机内部电子系统互联的标准,具有灵活性和高可靠性,广泛应用于三代机中[1,2]。经过多年的发展和型号应用,1553B软硬件设计技术已经相当成熟,但随着系统性能的提升,系统对1553B总线的性能要求也越来越高,应用模式也发生较大的变化,如何让1553B总线适应新的系统性能要求及新的应用模式是当前研究的热点。

BC是1553B总线消息传输的组织者和发起者,即总线上所有的消息传输都由BC通过发送1553B命令来实现,RT响应BC发送的命令并执行操作。1553B总线是双冗余的传输线,具有A、B两个互为备份的通道,增强了系统的可靠性[3,4]。但是,由于总线上只能存在一个BC,一旦BC出现故障,则整个总线将瘫痪。工程实践中通过增加BBC的方法来提升系统的可靠性,殷杰波等人提出了利用RT模式作为BBC的设计方法[1],该RT只接收一条BC的特定消息,通过查询该消息的时间标志寄存器判断在周期内是否收到了该消息,以此判断BC是否工作正常。此设计方法简单有效,一旦BC故障,BBC可以切换为BC模式,进行总线管理与维护。杨卫军等人提出了利用MT模式作为BBC的设计方法[2];以上设计中,BBC仅用于监控BC的工作状态,功能单一。新的应用需求中,BBC需要具备三个功能:监控BC的工作状态、与其他子系统通信、同步获取BC与其他子系统之间的应用数据传输,完成系统应用的同步解算,传统RT或者MT模式作为BBC的设计方法无法满足系统的要求,本文依据某1553B协议芯片,针对新的应用模式,给出了一种BBC工作于RTMT模式的设计方法。

1 1553B应用模式

1553B采用总线型拓扑结构,节点按照功能可以划分为3类[3]:BC、RT及MT,新的应用模式下,接口控制文件定义了应用相关的所有RT-BC及BC-RT的消息,如图1所示,A系统为主,B系统为备份,A系统主机通过BC负责消息的组织与发送,B系统主机作为备份具有三个功能:

(1)通过BBC监控A系统的运行状态,一旦A系统故障,B系统复位BBC并将其切换为BC,控制整个网络的正常运行;

(2)BBC要能够完成与BC及其他RT的数据通信;

(3)B系统主机需要实时获取ICD文件中定义的所有应用相关的消息,用于同步解算。例如,ICD文件中MSG1为一条RT-BC的消息,当BC组织此消息时,A系统主机通过BC获取到该消息,与此同时,B系统也要通过BBC获取到该消息。

在以往设计模式中,如果BBC工作在RT模式,要满足功能(3),必须根据原ICD文件中定义的RT-BC及BC-RT的消息增加相同数量的RT-BBC及BC-BBC的消息,会导致消息量倍增,无法保证系统的实时性,甚至超出1553B协议可承载的消息数量;如果BBC工作于MT模式,则无法满足功能(2)。针对新的应用模式,RT功能可以满足条件(1),(2),MT功能则可以满足条件(1),(3),若BBC工作于RTMT模式,某一时刻仅能工作于其中一种工作模式,即作RT时,完成RT功能,MT功能停止,作MT时,有选择的监控总线上的通信数据,RT功能停止,RTMT功能根据总线上消息的类型完成自动切换,如果总线上的消息是与BBC的RT地址相关,则工作于RT模式,如果总线上的消息和BBC的RT地址无关,则工作于MT模式,则可以在不增加消息通信量的条件下满足新的应用模式。依据备份总线控制器工作于RTMT模式的思想,本文基于1553B协议芯片给出了BBC工作于RTMT模式的设计与实现方法,其应用模式如图1所示。

2 设计与实现

1553B协议芯片内部功能强大,接口灵活、便于控制,可设置为BC、RT、MT及RTMT模式,在需要主机较小干预的情况下,基于RT地址、T/R位及子地址进行选择性消息监控。MT模式包含一个命令栈和一个数据栈,位于共享RAM的固定位置,且与BC或RT的命令栈独立,选择消息监控模式下,协议芯片接收到一个有效命令,根据“选择监控表”(RAM中固定位置)决定是否使能该消息,如果指定的BIT位在“选择监控表”内是0,命令将不被使能,忽略该消息,如果BIT位为1,命令被使能,进入监控命令栈并将数据内容存放到相应的监控数据栈中。

RTMT模式使得协议芯片除了处理和自己RT地址相关的消息外,其余时间用来有选择的监控总线上的数据,其通过一个中断状态队列实现RT模式与MT模式的判断,如图2所示。

该队列按中断产生的次序记录中断条件和中断事件。中断状态队列为64 B长度,可存储32条监控消息中断。中断状态队列的指针存储在中断向量队列指针寄存器(寄存器地址0x1F)中,该寄存器必须由主机初始化,并由主机累加,中断向量队列指针寄存器始终指向下一个中断的存储地址。每个中断事件产生,协议芯片将2 B写入中断队列,第一个字为中断向量,表明哪一类事件导致了中断。中断事件被分为2类:消息中断事件和非消息中断事件,第二个字为消息描述块指针,指向消息描述块的首地址。

基于以上1553B协议芯片的特点,RTMT功能实现主要包括两部分:相关资源初始化及中断服务处理程序的设计。

2.1 协议芯片初始化

初始化协议芯片由主机完成,主要包括协议芯片固定地址初始化及寄存器初始化,表1给出了在共享RAM为64 KB的硬件环境下,RTMT的资源分配表,其中标明“固定”的表示该地址为1553B协议芯片单独使用,且地址的值不能变更。

2.1.1 固定地址初始化

RTMT模式中需要初始化的固定地址包括:RT命令栈指针A、监控命令栈指针A、监控数据栈指针A、方式代码选择中断表、方式代码数据、RT查询表A、忙位查询表、选择监控查询表、命令非法表。固定地址初始化步骤及方法如下:双端口RAM地址0000H-00FFH初始化为0000H,作为RT命令站空间;双端口RAM地址0100H初始化为0000H,用于设置RT命令栈指针首地址为0000H;双端口RAM地址0102H初始化为0400H,用于设置MT命令栈指针A起始地址为0400H;双端口RAM地址0103H初始化为0800H,用于设置MT数据栈指针A起始地址为0800H;设置方式代码选择中断表;双端口RAM地址0110H~013FH设置为0000H,用于初始化方式代码数据值为0000H;双端口RAM地址0240H~0247H设置为0000H,清除RT的所有子地址忙位;双端口RAM地址000H~03FFH设置为FFFFH,设置命令非法表;初始化RT查找表数据指针空间,接收缓冲区地址从0x6000开始,发送缓冲区地址从0x8000开始;每个数据块长度为40 B,开始的一个字作为消息块标志字,广播接收消息与非广播接收消息共用同一个缓冲区,具体初始化流程如下:

2.1.2 寄存器初始化

通过配置1553B协议芯片的寄存器,设置协议芯片处于不同的工作模式,RTMT工作模式下的协议芯片寄存器初始化方法及步骤如下:向启动/复位寄存器写入值0001H,复位ACE协议芯片;配置寄存器3写入8000H,使ACE协议芯片工作于增强模式;中断掩码寄存器1设置为0201H,使能握手失败中断及消息结束中断;配置寄存器1设置为9B80H,使能BUSY,SSFLAG,RTFLAG RT/BM;配置寄存器2设置为8498H,使能电平中断,256 B边界禁止,RT子地址发送/接收采用单缓冲模式;配置寄存器3设置为8D5DH,使能方式命令的相关操作,设置RT命令栈为256 B,MT命令栈为1 024 B,MT数据栈为2 048 B;配置寄存器4设置为C008H,外部BIT字使能,使能RT地址软件锁存方式;将经过奇校验RT地址写入配置寄存器5,作为备份总线控制器的RT地址;配置寄存器6设置为6172H,设置时钟频率为20 MHz,使能软件配置RT地址,使能协议芯片中断队列操作;将中断向量队列指针寄存器初始化为1000H,表明中断向量队列是从1000H开始的64 B空间;将数据栈指针寄存器初始化为0800H,用于设置MT数据栈指针的起始地址为0800H;读取配置寄存器1的值或上0400H后写入配置寄存器1,用于清除RT忙位,使能协议芯片进行通信。

2.2 中断服务处理

共享RAM中固定地址及ACE协议芯片寄存器初始化完成后,协议芯片即工作于RTMT模式,当协议芯片接收到有效命令,将触发消息结束中断,中断服务程序完成对该条消息的处理[5]。首先,用全局变量Curr Queue Ptr记录尚未处理的中断队列指针,其初始值为中断队列的起始地址0x1000;中断向量队列指针寄存器始终存放的是下一次中断待写入的中断队列指针,读取中断向量队列指针寄存器(1F)内下一次待写入的中断队列指针Next Queue Ptr,并进行如下处理:

其中Rt_Do_Msg()函数主要完成RT功能下消息接收或发送后的相关处理,如新数据标志的置位与清除等,方式命令的处理等。Mt_Do_Msg()函数主要完成MT功能,将数据从较小的MT数据栈(0x800~0x9FF)根据监控过滤位,将需要监控的消息按照特定的格式重新组织并存储到较大的MT数据缓冲区(0x A000~0x F000)内,以备用户使用。

3 应用实例及分析

某项目采用1553B总线作为主干总线,总线上共有RT 13个,RT地址分别为1~13,1个BC,1个BBC,工作于RTMT模式下,RT地址为18。系统应用的消息类型及条数见表2,系统应用要求BBC应能够与BC同时获取BC-RT及RT-BC之间的应用数据通信内容,用于同步解算。根据应用要求,若采用BBC工作于RT模式,排列出的总线消息类型及消息条数见表3,根据应用需求,共有BC-RT消息24条,为了满足BBC同时获取BC-RT消息的需求,必须增加24条BC到BBC的消息,同样,共有RT-BC的消息65条,为了满足BBC同时获取RT-BC消息的需求,必须增加65条RT-BBC的消息,BBC需排列接收消息为BC-BBC及RT-BBC的消息综合,共计92条,远远大于BBC作为RT模式,仅能接收消息30条消息的限制,且总线传输存在延迟,导致BBC不能与BC同步获取BC-RT与RT-BC的消息,因此,BBC工作于RT模式无法满足应用需求。若采用BBC工作于MT模式,则无法满足BC-BBC、BBC-BC及BBC-RT之间的数据传输要求。

采用新的设计方法后,BBC工作于RTMT模式,作为RT18可以满足BBC-BC、BC-BBC、BBC-RT及RT-BBC之间的消息通信,同时作为MT可以有选择的监控BC-RT及RT-BC的消息,无需额外增加BC-BBC及RT-BBC的消息,即可让BBC与BC同步获取相应应用数据内容,在不增加消息量的前提下,满足了系统应用的需求。

4 结论

本文首先介绍了当前1553B方向BBC的最新应用模式,并基于1553B协议芯片给出了工作于RTMT模式下BBC的设计与实现方法,并结合工程实例,从实际应用需求出发,分析了RTMT模式与以往RT或MT模式下的应用差别,在RT模式或者MT模式均不能满足系统要求的前提下,采用RTMT模式很好的解决了系统对于BBC新的应用需求,且无需增加任何总线负载,具有较强的工程实践意义。

摘要：总线控制器是1553B总线的核心,总线控制器出现故障,将导致整个网络瘫痪。工程实践中通过设置备份总线控制器的方法提高总线的可靠性,给出了一种新型备份总线控制器的设计方法,其同时工作于RT模式和MT模式,设置RT地址为x,RTx功能与其他RT功能相同,MT功能可有选择的监控除RTx以外的总线上的任何消息。与RT或MT作为备份总线控制器的传统设计方法相比,RTMT模式作为备份总线控制器在不增加总线负载的情况下满足了新的应用需求,已在工程实践中得到成功应用。

关键词：1553B总线,总线控制器,备份总线控制器,远程终端,监控终端

参考文献

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