專利名稱：一種基于vme總線的實時多任務(wù)分布式控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及實時多任務(wù)分布式控制系統(tǒng)，特別涉及基于VME總線的實時多任務(wù)分布式控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在大型電力牽引及傳動控制領(lǐng)域中，對控制的實時性，控制功能的多樣性及復雜性均有較高要求，其控制系統(tǒng)的構(gòu)成必須滿足上述要求。從國內(nèi)外研究和產(chǎn)品的情況來看，實時控制系統(tǒng)CPU早期是以八位機為主，典型的芯片如Intel8085、Z80等，由于八位機計算精度低，速度慢，由它組成的數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)的性能不太理想。八十年代中后期，開始采用16位微處理機，如Intel 8086，Motorola 68000，80C196等，16位微處理機的全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)無論從控制精度到動態(tài)響應(yīng)性能都達到并超過了模擬控制系統(tǒng)的水平，控制系統(tǒng)性能大大提高。近些年來，電機控制專用DSP控制器得出現(xiàn)使得控制系統(tǒng)硬件小型化、簡單化，使得整個裝置體積更小，可靠性更高，因而成為目前國外各大公司產(chǎn)品的研發(fā)熱點。但是對于大型成套系統(tǒng)，由于系統(tǒng)復雜，功能增多，同時具有分布性，單靠一個或兩個微處理器顯然不能勝任控制系統(tǒng)的要求。在高速磁懸浮列車的牽引控制、電力機車牽引控制、大型軋鋼過程控制等大型的具有分布性，實時性且控制性能要求高的牽引及傳動控制場合，為了使牽引及傳動調(diào)速系統(tǒng)適用于所有傳動對象，歐洲一些電氣公司開始推出“系統(tǒng)型”牽引、調(diào)速裝置。典型的產(chǎn)品如德國西門子公司的基于Simadyn D的實時數(shù)字控制系統(tǒng)?；赟imadyn D的實時數(shù)字控制系統(tǒng)采用的是西門子公司獨有的數(shù)據(jù)通訊總線，控制系統(tǒng)中所有控制板卡均是基于Simadyn D獨特的總線通訊交換數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)上也較有力于系統(tǒng)的擴充，但是該系統(tǒng)也存在以下不足之處，即總線接口協(xié)議不具有開放性和通用性，CPU主板的主頻不夠高、運行速度偏低。由于總線接口協(xié)議不開放、通用性較差，用戶不容易在其基礎(chǔ)上二次開發(fā)自己的應(yīng)用控制板卡，因而受到了較大的限制。從當前的發(fā)展趨勢和需要來看大型多任務(wù)復雜實時控制系統(tǒng)特別是用于高速磁懸浮列車的牽引控制、電力機車牽引控制、大型軋鋼過程控制等大型的具有分布性，實時性且控制性能要求高的牽引及傳動控制必須采用系統(tǒng)型調(diào)速裝置的結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)該采用通用的計算機硬件，16位、32位或64位微處理機，多CPU結(jié)構(gòu)。軟件模塊化，根據(jù)不同的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把系統(tǒng)所需的模塊組接起來，構(gòu)成一個專用的傳動控制系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品系統(tǒng)開放性差，通用性不好，CPU運行速度偏低的缺陷，為了滿足大型牽引及傳動系統(tǒng)的實時性，功能復雜性，系統(tǒng)分布性等需求，提出一種基于VME總線構(gòu)建的控制系統(tǒng)。
VME總線是系統(tǒng)級總線，支持多CPU，每個CPU可以作為主CPU控制訪問其他板卡，經(jīng)由VME總線通信，支持多處理配置。直接支持存儲器共享的多處理結(jié)構(gòu)。VME規(guī)范允許最多可容納21塊插件。支持面向多主設(shè)備，即多CPU板的并行處理，每個CPU可以有自己的從設(shè)備，易于實現(xiàn)復雜的控制功能。具有優(yōu)良的中斷處理機構(gòu)，具備高速的實時響應(yīng)能力。系統(tǒng)控制板卡采用IEC297歐卡標準，機械性能可靠和穩(wěn)定，并具有可靠的接插件，帶電熱插拔。
本發(fā)明是一個基于VME總線的實時多任務(wù)分布式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由多個功能模塊電路單元組成，支持多CPU并行運行，能滿足多功能復雜的控制要求。各CPU模塊之間通過背板總線交換數(shù)據(jù)。采用多種不同的通訊模式，用于復雜系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及數(shù)據(jù)交換。其中特有的反射內(nèi)存通訊接口能實現(xiàn)多個控制系統(tǒng)之間的遠程通訊及實時控制，任意控制系統(tǒng)的CPU板通過讀寫本地的反射內(nèi)存就和讀寫遠程反射內(nèi)存一樣，數(shù)據(jù)傳輸延時性很小基本可以忽略。反射內(nèi)存卡采用光纖傳輸可以實現(xiàn)遠至10公里的控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊，這是大型高性能分布式牽引機傳動控制最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。本發(fā)明控制系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)功能關(guān)系清晰，易于功能擴展，適用于快速、復雜的控制任務(wù)。各單元模塊集中放置在一個標準的帶屏蔽的標準6U控制機箱內(nèi)，用戶可根據(jù)實時控制需要選擇標準的控制板卡的型號及數(shù)量，當需要擴充系統(tǒng)功能時只需在控制柜內(nèi)的擴展槽上插上需要的功能模塊。
對于分布式實時復雜控制系統(tǒng)而言，其控制對象多，控制功能復雜，控制對象具有分布性，控制過程實時性要求強。如高速磁懸浮列車的牽引控制系統(tǒng)，其設(shè)備沿線分布，相互之間相隔幾公里甚至幾十公里，為了保證列車高速平穩(wěn)運行，不但需要系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)復雜的控制算法，而且要求系統(tǒng)具有實時性。另外大型鋼廠的軋鋼控制系統(tǒng)也有類似的情況，具有熱軋、冷軋、風機、輔助傳動設(shè)備等諸多控制對象，同樣具有分布性、復雜性和實時性。本發(fā)明針對一切具有分布性、復雜性、實時性的控制對象，考慮到系統(tǒng)的方便設(shè)計及擴充，采用一種模塊化的設(shè)計思路，方便系統(tǒng)的構(gòu)建、擴充及重建。模塊化功能的實現(xiàn)是建立在一種總線結(jié)構(gòu)硬件平臺的基礎(chǔ)上。本發(fā)明在綜合比較目前工業(yè)中常用的幾種總線技術(shù)如PCI總線，CPCI總線及VME總線的基礎(chǔ)上，選擇了VME總線技術(shù)平臺。這主要是因為VME總線具有更短的中斷時間，能夠?qū)崿F(xiàn)多個CPU分別帶有各自的從設(shè)備的功能，這些特質(zhì)使得系統(tǒng)功能擴充及實時控制變得簡單。而PCI總線及CPCI總線雖然CPU運行速度可以很高，但不能實現(xiàn)同一機箱槽架上的多個CPU分別帶有各自從設(shè)備的功能，且最小中斷周期比VME總線的大，中斷時間具有不確定性，因而在實時性要求高，系統(tǒng)較復雜時不太適宜，一般多用于實時性要求不是很高的監(jiān)控，測量系統(tǒng)中。
本發(fā)明在選擇基于VME總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，考慮到復雜系統(tǒng)任務(wù)的多樣性。實際被控系統(tǒng)中，有實時性要求高的被控制對象，也有實時性要求不高的被控對象。為了優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明采用多種通訊技術(shù)的綜合。對于實時性要求高的被控對象采用反射內(nèi)存通訊模式，不僅具有快速性，而且能實現(xiàn)遠程通訊，完美地解決了系統(tǒng)分布性和實時控制難以同時兼容的控制難點。對于實時性要求較低的被控對象，如一些現(xiàn)場開關(guān)或輔助傳動設(shè)備的控制，則采用PROFIBUS的通訊模式。為了滿足控制復雜度，根據(jù)控制功能及控制算法的復雜度，在一個機箱內(nèi)可設(shè)置一個或多個CPU，同一機箱內(nèi)最多可同時設(shè)置8個CPU，完全能滿足復雜控制的要求。
本發(fā)明主要包括VME總線機箱，CPU主板、以太網(wǎng)通訊接口板、反射內(nèi)存通訊接口板、PROFIBUS通訊接口板、數(shù)字信號接口板、模擬信號接口板及電機控制板等部分，所有板卡均安插在VME總線機箱內(nèi)的背板上，同一機箱背板上的板卡可通過VME總線進行通訊。上述板卡內(nèi)均含有VME總線控制器，總線控制器起著信息交換及控制的橋梁作用，通過VME總線控制器實現(xiàn)對板卡的選通、總線仲裁、中斷響應(yīng)控制、數(shù)據(jù)讀寫等。每一個板卡均有各自不同的尋址地址，被選通的板卡可以通過VME總線與CPU板交換數(shù)據(jù)，同一背板總線上的CPU板之間通過共享內(nèi)存交換數(shù)據(jù)。
本發(fā)明基于VME總線的實時多任務(wù)分布式控制系統(tǒng)是采用以上幾種類型的控制板卡組合構(gòu)成的。根據(jù)控制系統(tǒng)的實際需要，可以選擇相應(yīng)的控制板卡并將其相應(yīng)安裝在上述6U高度的VME機箱內(nèi)，每個機箱及其控制板卡構(gòu)成一個基本控制單元。對于分布式復雜控制系統(tǒng)，可以采用多個基本控制單元構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)，各個基本控制單元的控制板卡種類可以不同，數(shù)量也可以不同，具體配置及規(guī)模視實際情況而定，既能滿足實時復雜控制系統(tǒng)要求，又易于系統(tǒng)構(gòu)建及擴充，能大大減少開發(fā)周期，提高系統(tǒng)可靠性，具有良好的應(yīng)用前景。
本發(fā)明適用于大型牽引及傳動等實時性要求高，控制功能復雜，系統(tǒng)具有分布性，需要遠程實時監(jiān)控，工作環(huán)境較惡劣的場合，如高速磁懸浮列車的牽引控制、電力機車牽引控制、大型軋鋼過程控制，具有較好的實用價值。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進一步說明。
圖1是本發(fā)明的控制單元結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2是本發(fā)明具體實施例1原理圖。
具體實施例方式
本發(fā)明主要包括VME總線機箱，CPU主板、以太網(wǎng)通訊接口板、反射內(nèi)存通訊接口板、PROFIBUS通訊接口板、數(shù)字信號接口板、模擬信號接口板及電機控制板。以下結(jié)合本發(fā)明的具體實施方式
，對本發(fā)明各單元模塊的構(gòu)成及主要功能說明如下1、VME總線機箱包括含6U高度機箱，總線底座，一套控制電源。底板上配置了5V和±12V電源，為槽架內(nèi)的板卡供電。
2、CPU主板CPU主板主要由微處理芯片，動態(tài)RAM，F(xiàn)LASH ROM，VME總線控制器以及集成的以太網(wǎng)通訊接口等構(gòu)成。動態(tài)RAM用于裝載調(diào)試程序，方便調(diào)試修改。當用戶程序調(diào)試完成后將程序下載至FLASH ROM中，程序?qū)袒贑PU板卡內(nèi)。CPU與動態(tài)RAM及FLASH ROM之間通過32位地址總線和數(shù)據(jù)總線通訊交換數(shù)據(jù)。CPU主板主要完成各種復雜矢量控制算法、電機磁場定向控制、參數(shù)辨識及其他相關(guān)智能控制算法，與雙端口RAM進行通訊傳輸指令，系統(tǒng)工作狀態(tài)跟蹤顯示，系統(tǒng)信息紀錄、數(shù)據(jù)分析功能以及友好人機界面設(shè)計的功能。以太網(wǎng)通訊接口板主要用于多個子系統(tǒng)之間的遠程監(jiān)控及程序調(diào)試，易于開發(fā)相應(yīng)的人機監(jiān)控界面，以便監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)。
3、反射內(nèi)存通訊接口板反射內(nèi)存接口板主要由輸入輸出光纖信號接口電路、接收發(fā)送器、輸入輸出數(shù)據(jù)緩存器、VME總線接口邏輯及控制電路構(gòu)成。VME總線接口邏輯及控制電路主要完成反射內(nèi)存與VME總線的數(shù)據(jù)交換，反射內(nèi)存RAM芯片的32位數(shù)據(jù)線經(jīng)VME數(shù)據(jù)緩存后直接與VME總線的32位數(shù)據(jù)線相接，通過背板總線反射內(nèi)存中的數(shù)據(jù)內(nèi)傳遞至背板總線上的其他CPU中。數(shù)據(jù)存儲在反射內(nèi)存板的RAM中，RAM通過地址線和數(shù)據(jù)線與輸入及輸出數(shù)據(jù)緩沖寄存器相連。緩沖寄存器與接收、發(fā)送器相連。發(fā)送器將緩沖寄存器傳輸?shù)牟⑿袛?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，經(jīng)輸出接口光電轉(zhuǎn)換電路將電信號變成光信號發(fā)送出去，而最后與輸入輸出接口光電轉(zhuǎn)換電路相接，實現(xiàn)遠程接收及發(fā)送數(shù)據(jù)。遠端傳遞的光信號經(jīng)輸入光電轉(zhuǎn)換接口電路后，將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，該電信號經(jīng)接收器后將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成并行數(shù)據(jù)與輸入緩沖器相連，最后接至反射內(nèi)存。輸入輸出光纖連接到同一個光纖hub，使所有配備了反射內(nèi)存接口板的設(shè)備能實時遠程通訊。工作時CPU主板首先經(jīng)過VME總線發(fā)送讀寫指令到反射內(nèi)存，反射內(nèi)存經(jīng)總線接口邏輯判斷指令，讀指令時，控制電路讀相應(yīng)內(nèi)存空間，獲取數(shù)據(jù)經(jīng)總線接口電路傳給CPU主板。寫指令時，控制電路將操作數(shù)寫到相應(yīng)內(nèi)存空間，并將該數(shù)據(jù)放到輸出數(shù)據(jù)緩存器，輸出數(shù)據(jù)緩存器的數(shù)據(jù)經(jīng)過光纖通訊立即傳到所有其他反射內(nèi)存中輸入數(shù)據(jù)緩存器，其他反射內(nèi)存通過控制電路，將本身輸入數(shù)據(jù)緩存器中的數(shù)據(jù)寫到相應(yīng)的內(nèi)存空間，于是完成本次反射內(nèi)存接口板之間的通訊。所有反射內(nèi)存接口板物理架構(gòu)相同，通過跳線設(shè)置不同的節(jié)點號作為區(qū)別。任意系統(tǒng)的CPU板通過讀寫本地的反射內(nèi)存就等同于讀寫遠程反射內(nèi)存。
由于采用光纖傳導介質(zhì)能夠滿足實時遠程數(shù)據(jù)交換及控制，反射內(nèi)存是實時控制系統(tǒng)最為關(guān)鍵的通訊接口，實現(xiàn)實時性要求高的系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。本發(fā)明通過系統(tǒng)的反射內(nèi)存通訊接口實現(xiàn)了多個分布遠程設(shè)備之間的高速實時通訊，從而使高性能實時控制成為可能。
4、PROFIBUS通訊接口板PROFIBUS通訊接口板主要包括VME總線接口邏輯及控制電路，RISC微處理器，雙端口RAM，F(xiàn)LASH ROM以及LAN處理芯片及標準D型9針串行接口。VME總線接口邏輯及控制電路主要完成PROFIBUS與VME總線的數(shù)據(jù)交換的邏輯控制，用戶程序裝載在FLASH ROM中，數(shù)據(jù)通過雙端口RAM與VME總線相接實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)傳輸物理層采用的是RS485。PROFIBUS通訊接口板主要用于有PROFIBUS的底層設(shè)備的通訊及控制，其通訊傳輸速度較反射內(nèi)存通訊方式慢，可用于實時性要求不是很高的通訊及控制場合，如底層PLC設(shè)備的控制，傳感器的接口，開關(guān)開合控制等。通過帶DP接頭的雙絞線電纜將PROFIBUS板卡連接在一起，可以采用星型，樹型，總線型，環(huán)型連接方式。工作時，CPU主板首先通過VME總線發(fā)送初始化指令，PROFIBUS接口板通過總線接口邏輯和控制電路接收指令給RISC處理器，處理器將FLASH中的固化配置載入，也可以通過串口從計算機載入新的配置。通常將主系統(tǒng)的PROFIBUS板配置成主站，其他系統(tǒng)的PROFIBUS板配置為從站。根據(jù)通訊要求和距離長短配置相應(yīng)的通訊速率。初始化完成后，CPU主板首先通過VME總線發(fā)送運行指令，PROFIBUS板通過總線接口邏輯和控制電路接收指令給RISC處理器，處理器按照配置文件的PROFIBUS通訊協(xié)議控制主站和從站之間的通訊。
本發(fā)明通過Profibus通訊接口可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)與多個帶有Profibus接口的子設(shè)備之間的通訊，也可以實現(xiàn)多個帶Profibus接口的分布遠程子設(shè)備之間的通訊。
5、數(shù)字信號接口板數(shù)字信號接口板包括數(shù)字輸入信號接口及數(shù)字輸出信號接口兩部分。數(shù)字信號接口板主要含有與VME總線接口邏輯及控制電路，數(shù)據(jù)緩存寄存器及輸入輸出光耦隔離電路。數(shù)字信號接口板帶有兩個PHOENIX接口，分別接32路信號的輸入和32路輸出。根據(jù)輸入信號的電壓幅值大小配置相應(yīng)的電阻。工作時，輸入信號經(jīng)過隔離電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，存貯在數(shù)據(jù)緩存寄存器。CPU主板經(jīng)過VME總線發(fā)送讀寫指令到數(shù)字信號接口板，數(shù)字信號接口板通過總線接口邏輯和控制電路接收指令，讀指令時從數(shù)據(jù)緩存寄存器讀出指定輸入通路的信號，發(fā)送給CPU主板，寫指令時將操作數(shù)寫到數(shù)據(jù)緩存寄存器指定輸出通路的地址，輸出信號經(jīng)過隔離電路轉(zhuǎn)換成電壓信號從PHOENIX接口下傳給其他設(shè)備。
輸入輸出數(shù)字信號接口主要用來收集現(xiàn)場底層設(shè)備的數(shù)字信號、開關(guān)狀態(tài)信息并傳遞給CPU主控板，同時也能夠通過數(shù)字信號輸出，將控制系統(tǒng)的狀態(tài)及控制命令下傳給子設(shè)備，實現(xiàn)與子設(shè)備的信息交換及監(jiān)控，尤其適合于有開關(guān)狀態(tài)的子設(shè)備，每個控制單元可以控制不同數(shù)量的子設(shè)備。
6、模擬信號接口板模擬信號接口板包括模擬輸入信號接口及模擬輸出信號接口兩部分。模擬輸入信號接口主要包括有差分模擬信號輸入電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，數(shù)據(jù)緩存寄存器，數(shù)字信號處理器及VME總線接口邏輯及控制電路；模擬輸出信號接口主要包括VME總線接口邏輯及控制電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，數(shù)據(jù)緩存寄存器及輸出隔離電路。模擬信號接口主要用來將從現(xiàn)場的模擬調(diào)試給定信號及來自于控制對象的電壓、電流傳感器等輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。模擬信號輸出接口主要將控制系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵變量由數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號并輸出，以便于實際調(diào)試或監(jiān)控，可直觀觀測信號的變化趨勢。
模擬信號接口板實現(xiàn)與子設(shè)備的模擬信號控制及顯示和監(jiān)控，尤其適合于帶有模擬信號的傳感器子設(shè)備及控制系統(tǒng)控制變量的實時顯示監(jiān)控。
7、電機控制板該控制板為CPU主板與電機功率開關(guān)驅(qū)動的接口。電機控制板通過VME總線與上層CPU主板交換數(shù)據(jù)，同時又與底層功率開關(guān)驅(qū)動有光纖接口，實現(xiàn)電機的PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制、保護及邏輯控制，包括PWM脈沖控制及脈沖產(chǎn)生及發(fā)送，功率開關(guān)器件控制的互鎖邏輯及保護邏輯實現(xiàn)等。包含有數(shù)字信號處理器DSP芯片，可編程邏輯門電路FPGA芯片，與VME接口的雙端口RAM存儲器芯片，以及光電轉(zhuǎn)換模塊等。雙端口RAM是CPU主板與DSP通信的橋梁，工作時CPU主板將電機控制計算的信息通過VME總線寫入到雙端口RAM中，DSP定時讀取該雙端口RAM的信息后進行計算，產(chǎn)生PWM脈沖，輸出到FPGA中；DSP也可將反饋信息寫入雙端口RAM中，傳給CPU主板。FPGA與DSP的PWM輸出管腳和故障輸入管腳相連，起到三個作用由于功率開關(guān)模塊所需的脈沖數(shù)經(jīng)常多于DSP的PWM輸出路數(shù)，所以，F(xiàn)PGA起到對PWM譯碼的作用；另外FPGA對PWM加入死區(qū)和進行死區(qū)補償；功率模塊反饋信號連接到FPGA，當功率模塊出現(xiàn)故障時，F(xiàn)PGA可以對PWM進行封鎖，并將故障信號傳給DSP，實現(xiàn)保護邏輯。光電轉(zhuǎn)換電路將FPGA輸出的PWM信號轉(zhuǎn)換成光信號，由光纖發(fā)送給功率開關(guān)模塊，起到了隔離電磁干擾的作用；又可將功率模塊的光反饋信號轉(zhuǎn)化成電信號傳給FPGA。
由于接口采用光纖媒介，本發(fā)明在實現(xiàn)弱電對強電有效控制的基礎(chǔ)上保證控制系統(tǒng)不受強電的干擾，具有良好的可靠性。
圖1為本發(fā)明的單個控制機箱的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中的控制系統(tǒng)包含一個6U標準機箱、VME總線及電源背板、兩塊CPU主板，以太網(wǎng)通訊接口、反射內(nèi)存通訊板、PROFIBUS通訊板、數(shù)字I/O接口板、模擬I/O接口板以及電機PWM控制應(yīng)用板，同一機箱背板上的所有板卡均可通過VME總線進行通訊。各功能控制板均安插在背板插槽總線上，總線中含有32位數(shù)據(jù)線和32位地址線。各控制板之間的數(shù)據(jù)交換是通過背板總線實現(xiàn)的，同一控制箱內(nèi)的兩個CPU通過共享內(nèi)存的方式通訊交換數(shù)據(jù)。同一控制機箱可采用一個或多個CPU，但最多不能超過8個。該控制單元基本結(jié)構(gòu)中的控制板卡可根據(jù)實際控制系統(tǒng)的規(guī)模和需要選擇。每個CPU只能帶一個同類型的板卡，需要多塊控制板卡時應(yīng)加配相應(yīng)的CPU板卡。在構(gòu)建分布式、復雜控制系統(tǒng)時可以由多個類似圖1的控制單元構(gòu)成，每個控制箱內(nèi)的CPU板及其他應(yīng)用板卡可根據(jù)實際要求選配，每個控制箱的控制板卡數(shù)量及種類均可不同，控制單元的控制板卡可根據(jù)被控對象及控制任務(wù)的復雜度方便地組合，具有很好的靈活性。每個控制單元可以控制不同數(shù)量的子設(shè)備。
在圖2所示實施例中，基本控制單元1由兩塊CPU板卡，一塊反射內(nèi)存卡、一塊PROFIBUS卡、一塊電機控制卡、一塊數(shù)字IO板、一塊模擬IO板、一塊反射內(nèi)存HUB和一塊以太網(wǎng)HUB?；究刂茊卧?由兩塊CPU板卡，一塊反射內(nèi)存卡、一塊PROFIBUS卡、一塊電機控制卡、兩塊數(shù)字IO板和一塊模擬IO板構(gòu)成?；究刂茊卧?、子設(shè)備1、子設(shè)備2與基本控制單元2、子設(shè)備3、子系統(tǒng)4構(gòu)成了一個簡單的可以實現(xiàn)高性能實時遠程監(jiān)控的系統(tǒng)。
基本控制單元1、子設(shè)備1、子設(shè)備2構(gòu)成一個本地實時控制系統(tǒng)1。子設(shè)備1為實時性要求不高的設(shè)備，子設(shè)備2為實時性要求高的設(shè)備?；究刂茊卧?采用兩塊CPU板卡對兩個子設(shè)備分別控制，這樣能夠完成復雜控制功能，實現(xiàn)電機實時高性能控制而不致因為CPU計算速度慢或任務(wù)過多來不及，影響控制系統(tǒng)的實時性。對實時性要求不高的子設(shè)備1，是通過PROFIBUS來控制。實際應(yīng)用中用一根兩芯雙絞屏蔽電纜，一端接至基于VME總線的PROFIBUS板卡的標準9針D型插頭上，另一端接至子設(shè)備1的9針D型插頭上。配置PROFIBUS板卡為主站，子設(shè)備1為從站，PROFIBUS板可控制子設(shè)備并與之交換數(shù)據(jù)。子設(shè)備2為實時性要求高的設(shè)備，如軋鋼機，它是由CPU板卡2來控制實現(xiàn)的。模擬IO板的AD輸入端子與設(shè)備2的傳感器模擬輸出信號直接相連，主要用于設(shè)備2內(nèi)電機電流、電壓傳感器檢測值的轉(zhuǎn)換。
基本控制單元2、子設(shè)備3、子設(shè)備4也構(gòu)成了一個本地實控制系統(tǒng)2。其連線規(guī)則與基本控制單元1的類似，其中CPU板卡1負責對子設(shè)備3的PROFIBUS接口以及數(shù)字IO板接口控制。CPU板卡2負責對與子設(shè)備4相接的電機控制板，數(shù)字及模擬IO板的信息采集及處理計算和控制。同樣采用兩個CPU板卡其目的是將系統(tǒng)控制功能模塊化，提高系統(tǒng)運算能力，以滿足復雜控制要求。
本地實時控制系統(tǒng)1與本地實時控制系統(tǒng)2可以是兩個具有分布性的系統(tǒng)，這兩個本地實時系統(tǒng)可以分別安放在相距很遠的兩個不同位置，最遠不能超過10公里。為了實現(xiàn)遠程實時控制，在兩個本地實時控制系統(tǒng)中均加裝反射內(nèi)存通訊板卡，將兩個本地實時系統(tǒng)的反射內(nèi)存板卡均通過兩根光纖電纜與一個反射內(nèi)存HUB相接。通過反射內(nèi)存網(wǎng)的建立，兩個本地實時控制系統(tǒng)之間就能夠?qū)崿F(xiàn)高速通訊，滿足實時交換信息及實時監(jiān)控的要求。本地實時控制系統(tǒng)1可以控制多個子設(shè)備，如子設(shè)備1，子設(shè)備2等。同時也可控制遠端的子設(shè)備3、子設(shè)備4。對控制系統(tǒng)2亦如此。
為了方便系統(tǒng)調(diào)試及觀測運行過程中各設(shè)備的狀態(tài)。將本地實時控制系統(tǒng)1與本地實時控制系統(tǒng)2的以太網(wǎng)RJ45接口以及調(diào)試計算機的網(wǎng)口均通過網(wǎng)線與以太網(wǎng)HUB相連。這樣系統(tǒng)調(diào)試中可通過以太網(wǎng)下載程序，觀測運行過程中各設(shè)備的狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種基于VME總線的實時多任務(wù)分布式控制系統(tǒng)，其特征在于主要由VME總線機箱，具有VME總線接口的CPU主板、反射內(nèi)存通訊接口、PROFIBUS通訊接口、數(shù)字信號接口板、模擬信號接口板及電機控制板構(gòu)成支持多CPU并行工作的控制系統(tǒng)，所有板卡均安插在VME總線機箱內(nèi)的背板上，各板卡內(nèi)均含有VME總線控制器，總線控制器起著信息交換及控制的橋梁作用，通過VME總線控制器實現(xiàn)對板卡的選通、總線仲裁、中斷響應(yīng)控制、數(shù)據(jù)讀寫；每一個板卡均有各自不同的尋址地址，被選通的板卡可以通過VME總線與CPU板交換數(shù)據(jù)，同一背板總線上的CPU板之間通過共享內(nèi)存交換數(shù)據(jù)；CPU用于實現(xiàn)復雜多任務(wù)控制功能及算法；反射內(nèi)存通訊接口實現(xiàn)多個控制系統(tǒng)之間的遠程通訊及實時控制；PROFIBUS通訊接口用于底層設(shè)備的通訊及控制；數(shù)字信號接口板主要用于具有數(shù)字輸入、輸出信號的現(xiàn)場底層設(shè)備的信號采集及控制；模擬信號接口板用于模擬信號的應(yīng)用場合，用于模擬信號的采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換及將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號；電機控制板通過VME總線與上層CPU主板交換數(shù)據(jù)，同時又與底層功率開關(guān)驅(qū)動有光纖接口，實現(xiàn)對電機的PWM控制、保護及邏輯控制。
2.按照權(quán)利要求1所述的基于VME總線的實時多任務(wù)分布式控制系統(tǒng)，其特征在于所述的CPU主板主要由微處理芯片，動態(tài)RAM，F(xiàn)LASH ROM，VME總線控制器以及集成的以太網(wǎng)通訊接口構(gòu)成；VME總線控制器用于對板卡的選通、總線仲裁、中斷響應(yīng)控制、數(shù)據(jù)讀寫；動態(tài)RAM用于裝載調(diào)試程序，當用戶程序調(diào)試完成后將程序下載至FLASH ROM中，程序被固化在控制板卡內(nèi)；CPU與動態(tài)RAM及FLASH ROM之間通過32位地址總線和數(shù)據(jù)總線通訊交換數(shù)據(jù)。CPU主板主要完成各種復雜矢量控制算法；電機磁場定向控制；參數(shù)辨識及其他相關(guān)智能控制算法；與雙端口RAM進行通訊傳輸指令；系統(tǒng)工作狀態(tài)跟蹤顯示；系統(tǒng)信息紀錄、數(shù)據(jù)分析功能以及友好人機界面設(shè)計的功能。
3.按照權(quán)利要求1所述的基于VME總線的實時多任務(wù)分布式控制系統(tǒng)，其特征在于所述的反射內(nèi)存通訊接口主要由輸入輸出光纖信號接口電路，接收發(fā)送器、輸入輸出數(shù)據(jù)緩存器，VME總線接口邏輯及控制電路構(gòu)成；VME總線接口邏輯及控制電路主要完成反射內(nèi)存與VME總線的數(shù)據(jù)交換，反射內(nèi)存RAM芯片的32位數(shù)據(jù)線經(jīng)VME數(shù)據(jù)緩存后直接與VME總線的32位數(shù)據(jù)線相接，通過背板總線反射內(nèi)存中的數(shù)據(jù)內(nèi)傳遞至背板總線上的其他CPU中；數(shù)據(jù)存儲在反射內(nèi)存板的RAM中，RAM通過地址線和數(shù)據(jù)線與輸入及輸出數(shù)據(jù)緩沖寄存器相連；緩沖寄存器與接收、發(fā)送器相連，發(fā)送器將緩沖寄存器傳輸?shù)牟⑿袛?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，經(jīng)輸出接口光電轉(zhuǎn)換電路將電信號變成光信號發(fā)送出去，最后與輸入輸出接口光電轉(zhuǎn)換電路相接，實現(xiàn)遠程接受及發(fā)送數(shù)據(jù)；遠端傳遞的光信號經(jīng)輸入光電轉(zhuǎn)換接口電路后，將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，該電信號經(jīng)接收器后將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成并行數(shù)據(jù)與輸入緩沖器相連，最后接至反射內(nèi)存；輸入輸出光纖連接到同一個光纖hub，使所有配備了反射內(nèi)存的設(shè)備能實時遠程通訊；工作時CPU主板首先經(jīng)過VME總線發(fā)送讀寫指令到反射內(nèi)存，反射內(nèi)存經(jīng)總線接口邏輯判斷指令，讀指令時，控制電路讀相應(yīng)內(nèi)存空間，獲取數(shù)據(jù)經(jīng)總線接口電路傳給CPU主板；寫指令時，控制電路將操作數(shù)寫到相應(yīng)內(nèi)存空間，并將該數(shù)據(jù)放到輸出數(shù)據(jù)緩存器，輸出數(shù)據(jù)緩存器的數(shù)據(jù)經(jīng)過光纖通訊立即傳到所有其他反射內(nèi)存中輸入數(shù)據(jù)緩存器，其他反射內(nèi)存通過控制電路，將本身輸入數(shù)據(jù)緩存器中的數(shù)據(jù)寫到相應(yīng)的內(nèi)存空間，于是完成本次反射內(nèi)存板之間的通訊；所有反射內(nèi)存板物理架構(gòu)相同，通過跳線設(shè)置不同的節(jié)點號作為區(qū)別，任意系統(tǒng)的CPU板通過讀寫本地的反射內(nèi)存就等同于讀寫遠程反射內(nèi)存。
4.按照權(quán)利要求1所述的基于VME總線的實時多任務(wù)分布式控制系統(tǒng)，其特征在于所述的PROFIBUS通訊接口板主要包括VME總線接口邏輯及控制電路、RISC微處理器、雙端口RAM、FLASH ROM以及LAN處理芯片及標準D型9針串行接口；VME總線接口邏輯及控制電路主要完成PROFIBUS與VME總線的數(shù)據(jù)交換的邏輯控制，用戶程序裝載在FLASH ROM中，數(shù)據(jù)通過雙端口RAM與VME總線相接實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；通過帶DP接頭的雙絞線電纜將PROFIBUS板連接在一起；工作時，CPU主板首先通過VME總線發(fā)送初始化指令，PROFIBUS板通過總線接口邏輯和控制電路接收指令給RISC處理器，RISC處理器將FLASH中的固化配置載入，也可以通過串口從計算機載入新的配置；通常將主系統(tǒng)的PROFIBUS板配置成主站，其他系統(tǒng)的PROFIBUS板配置為從站，根據(jù)通訊要求和距離長短配置相應(yīng)的通訊速率；初始化完成后，CPU主板首先通過VME總線發(fā)送運行指令，PROFIBUS板通過總線接口邏輯和控制電路接收指令給RISC處理器，處理器按照配置文件的PROFIBUS通訊協(xié)議控制主站和從站之間的通訊。
5.按照權(quán)利要求1所述的基于VME總線的實時多任務(wù)分布式控制系統(tǒng)，其特征在于數(shù)字信號接口包括數(shù)字輸入信號接口及數(shù)字輸出信號接口兩部分，數(shù)字信號接口主要含有與VME總線接口邏輯及控制電路，數(shù)據(jù)緩存寄存器及輸入輸出光耦隔離電路；數(shù)字信號接口帶有兩個PHOENIX接口，分別接32路信號的輸入和32路輸出，根據(jù)輸入信號的電壓幅值大小配置相應(yīng)的電阻；工作時，輸入信號經(jīng)過隔離電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，存貯在數(shù)據(jù)緩存寄存器；CPU主板經(jīng)過VME總線發(fā)送讀寫指令到數(shù)字信號接口，數(shù)字信號接口通過總線接口邏輯和控制電路接收指令，讀指令時從數(shù)據(jù)緩存寄存器讀出指定輸入通路的信號，發(fā)送給CPU主板，寫指令時將操作數(shù)寫到數(shù)據(jù)緩存寄存器指定輸出通路的地址，輸出信號經(jīng)過隔離電路轉(zhuǎn)換成電壓信號從PHOENIX接口下傳給其他設(shè)備；輸入輸出數(shù)字信號接口主要用來收集現(xiàn)場底層設(shè)備的數(shù)字信號、開關(guān)狀態(tài)信息并傳遞給CPU主控板，同時也能夠通過數(shù)字信號輸出，將控制系統(tǒng)的狀態(tài)及控制命令下傳給子設(shè)備，實現(xiàn)與子設(shè)備的信息交換及監(jiān)控。
6.按照權(quán)利要求1所述的基于VME總線的實時多任務(wù)分布式控制系統(tǒng)，其特征在于模擬信號接口板包括模擬輸入信號接口及模擬輸出信號接口兩部分；模擬輸入信號接口主要包括有差分模擬信號輸入電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，數(shù)據(jù)緩存寄存器，數(shù)字信號處理器及VME總線接口邏輯及控制電路；模擬輸出信號接口主要包括VME總線接口邏輯及控制電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，數(shù)據(jù)緩存寄存器及輸出隔離電路；模擬信號接口主要用來將從現(xiàn)場的模擬調(diào)試給定信號及來自于控制對象的電壓、電流傳感器等輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；模擬信號輸出接口主要將控制系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵變量由數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號并輸出，以便于實際調(diào)試或監(jiān)控，可直觀觀測信號的變化趨勢。
7.按照權(quán)利要求1所述的基于VME總線的實時多任務(wù)分布式控制系統(tǒng)，其特征在于所述的電機控制板為CPU主板與電機功率開關(guān)驅(qū)動的接口，實現(xiàn)電機的PWM控制、保護及邏輯控制，包含有數(shù)字信號處理器DSP芯片，可編程邏輯門電路FPGA芯片，與VME接口的雙端口RAM存儲器芯片，以及光電轉(zhuǎn)換模塊；雙端口RAM是CPU主板與DSP通信的橋梁，工作時CPU主板將電機控制計算的信息通過VME總線寫入到雙端口RAM中，DSP定時讀取該雙端口RAM的信息后進行計算，產(chǎn)生PWM脈沖，輸出到FPGA中；DSP也可將反饋信息寫入雙端口RAM中，傳給CPU主板；FPGA與DSP的PWM輸出管腳和故障輸入管腳相連，F(xiàn)PGA對PWM譯碼，并對PWM加入死區(qū)和進行死區(qū)補償；功率模塊反饋信號連接到FPGA，當功率模塊出現(xiàn)故障時，F(xiàn)PGA可以對PWM進行封鎖，并將故障信號傳給DSP，實現(xiàn)保護邏輯；光電轉(zhuǎn)換電路將FPGA輸出的PWM信號轉(zhuǎn)換成光信號，由光纖發(fā)送給功率開關(guān)模塊，隔離電磁干擾，并可將功率模塊的光反饋信號轉(zhuǎn)化成電信號傳給FPGA。
全文摘要
一種基于VME總線的實時多任務(wù)分布式控制系統(tǒng)，包括VME總線機箱、CPU主板、以太網(wǎng)通訊接口板、反射內(nèi)存通訊接口板、PROFIBUS通訊接口板、數(shù)字信號接口板、模擬信號接口板及電機控制板。板卡均安插在VME總線機箱內(nèi)的背板上，同一機箱背板上的板卡可通過VME總線進行通訊。上述板卡內(nèi)均含有VME總線控制器，通過VME總線控制器實現(xiàn)對板卡的選通、總線仲裁、中斷響應(yīng)控制、數(shù)據(jù)讀寫。每一板卡均有各自的尋址地址，被選通的板卡通過VME總線與CPU板交換數(shù)據(jù)，同一背板總線上的CPU板之間通過共享內(nèi)存交換數(shù)據(jù)。反射內(nèi)存通訊接口板實現(xiàn)多個控制系統(tǒng)之間的遠程通訊及實時控制。電機控制板在與上層CPU主板交換數(shù)據(jù)的同時，通過與底層功率開關(guān)驅(qū)動的光纖接口，實現(xiàn)對電機的控制。
文檔編號G05B19/418GK1987705SQ20061016989
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月30日
發(fā)明者葛瓊璇, 李耀華, 劉洪池, 王曉新, 張樹田 申請人:中國科學院電工研究所