基于雙口RAM實現鐵路牽引變電所自動化系統(tǒng)的設計

１、引言

在現代工業(yè)測控系統(tǒng)中，由于對系統(tǒng)的功能和性能要求越來越高，一般都采用高性能的ＣＰＵ（如ＤＳＰ）或嵌入式系統(tǒng)（如３８６ＥＸ等？來實現測控功能，并將這些智能設備聯(lián)網組成自動化系統(tǒng)。在早期的應用中，設備聯(lián)網普遍采用ＲＳ２３２／ＲＳ４２２／ＲＳ４８５方式。隨著計算機技術的發(fā)展，現場總線技術在自動化系統(tǒng)中的應用逐漸普遍，而采用工業(yè)以太網技術則是今后技術發(fā)展的一個趨勢。

測控設備的設計可以采用單ＣＰＵ系統(tǒng)完成整個測控功能和系統(tǒng)聯(lián)網功能，這樣做的缺點是使整個系統(tǒng)的軟件設計復雜，系統(tǒng)適應性差，ＣＰＵ負擔較重，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ＣＰＵ完成測控功能，另一個ＣＰＵ完成系統(tǒng)聯(lián)網和接口通信功能。由于雙ＣＰＵ系統(tǒng)可按功能分開設計，因此可簡化系統(tǒng)軟件設計，使系統(tǒng)具有良好的擴展性，以便更好地應對不同的組網要求，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，但它們共同的缺點是操作復雜、速度慢。因此，隨著價格的不斷下降，采用雙口ＲＡＭ方式在兩個ＣＰＵ系統(tǒng)間交換數據是一個不錯的選擇。但雙口ＲＡＭ有時會發(fā)生共享沖突問題。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都提供了兩個完全獨立的端口，每個端口都有自己的控制線、地址線和數據線，ＣＰＵ對雙口ＲＡＭ端口的操作等效于對它的外部ＲＡＭ進行操作。雙口ＲＡＭ在使用上要注意的問題是如何避免兩端ＣＰＵ對同一ＲＡＭ單元的爭用，一般來說，雙口ＲＡＭ可提供三種防沖突方式，下面結合ＣＹＰＲＥＳＳ公司的ＣＹ７Ｃ１４４進行說明。ＣＹ７Ｃ１４４是采用低功耗ＣＭＯＳ工藝生產的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聯(lián)來擴展字寬，其內部原理框圖如圖１所示。

基于雙口RAM實現鐵路牽引變電所自動化系統(tǒng)的設計

２．１插入等待狀態(tài)的防沖突方式

當左右端口同時對同一地址的ＲＡＭ存儲單元進行存取時，ＣＹ７Ｃ１４４芯片內部的仲裁單元將會給出ＢＵＳＹ信號。具體來說，ＢＵＳＹＬ、ＢＵＳＹＲ信號的正常狀態(tài)為高電平，當左端口對一存儲單元進行存取時，若右端口也對該存儲單元進行操作，則芯片內部的仲裁單元會使信號ＢＵＳＹＲ為低，直到左端口操作完成后再將ＢＵＳＹＲ恢復為高電平。設計中可以利用ＢＵＳＹ信號作為ＣＰＵ的等待狀態(tài)輸入，并利用該信號使ＣＰＵ在操作過程中插入等待狀態(tài)，避免兩端同時對雙口ＲＡＭ進行操作。

２．２信號燈防沖突方式

雙口ＲＡＭ通過申請和釋放端口的信號燈（也稱為令牌）來操作存儲單元可以避免發(fā)生沖突。一個信號燈對應相應數量的存儲單元。雙口ＲＡＭ的兩端均可對信號燈進行存取。當左端口向信號燈寫入“０”再回讀信號燈時，若信號燈也為“０”表示左端口擁有對存儲單元的控制權，否則表示右端口擁有對存儲單元的控制權。不管是否取得對存儲單元的控制權，操作完成后都應向信號燈寫入“１”以釋放信號，從而避免資源的死鎖。

ＣＹ７Ｃ１４４芯片提供８個信號燈，每個信號燈的存儲單元為８２ｋ位。對信號燈進行操作時，片選信號（ＣＥＬ、ＣＥＲ）應為高電平，信號燈使能信號（ＳＥＭＬ、ＳＥＭＲ）為低電平。Ａ０～Ａ２表示信號燈地址，數據線最低位Ｉ／Ｏ０代表信號燈的值。對存儲單元存取的一般過程如圖２所示。

２．３中斷防沖突方式

雙口ＲＡＭ中最高地址的兩個存儲單元可以作為信箱使用，左右兩端可以同時對它進行操作。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。右端口寫入左端口信箱１ＦＦＥＨ時，左端口的信號ＩＮＴＬ將變?yōu)榈停蠖丝谧x自己的信箱１ＦＦＥＨ時，信號ＩＮＴＬ將重新為高；同理，左端口寫入右端口信箱１ＦＦＦＨ時，右端口的信號ＩＮＴＲ將變低，右端口讀自己的信箱１ＦＦＦＨ時，信號ＩＮＴＲ將重新為高?？梢詫⑿盘枺桑危裕毯停桑危裕易鳛椋茫校盏闹袛嘣?，通過信箱向對方傳遞自己使用存儲單元的狀態(tài)來達到防止沖突之目的。

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)的方式對于高速接口來說會影響數據的傳送速率，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。信號燈方式主要用在兩個ＣＰＵ共享內存空間時，如果雙口ＲＡＭ主要用于兩個ＣＰＵ之間交換數據，則交換的實時性很難用軟件來保證，而中斷方式則正好解決了這個問題。

３、在自動化系統(tǒng)中的應用方案

在變電站自動化系統(tǒng)中，保護、測量、控制一體化的設計應用越來越廣泛，一般來說，保護測控裝置的功能在設計之后不會有太大的變化，但數據通信網絡受性能、價格、硬件、軟件、用戶策略等諸多因素的影響，目前在選擇何種“接口網絡”上有許多不同的需求，很難達成一致的選擇。因此在通信網絡的設計中，筆者采用了雙ＣＰＵ系統(tǒng)，其中一個ＣＰＵ完成保護測控功能，一個ＣＰＵ完成網絡通信功能，兩個ＣＰＵ之間用雙口ＲＡＭ交換信息。網絡通信ＣＰＵ以插件的形式和保護測控ＣＰＵ按照統(tǒng)一的接口連接，網絡通信介質接口也以插件的形式進行選擇。這樣設計的最大好處是可以根據系統(tǒng)性能和用戶要求來選擇不同的通信ＣＰＵ插件以滿足自動化系統(tǒng)的組網需要，并可在通信插件上實現不同的通信協(xié)議，而保護測控功能部分不用進行任何修改；通信介質接口插件主要分為雙絞線方式和光信號方式兩種，可以根據現場應用需要進行選擇。

系統(tǒng)ＣＰＵ的組成如圖３所示，將通信ＣＰＵ插件和通信介質接口插件組合起來可滿足實際工程和不同用戶的需求。對保護測控ＣＰＵ而言，雙口ＲＡＭ被劃分為兩個區(qū)域，其中數據接收緩沖區(qū)是通信ＣＰＵ插件向其發(fā)送命令和數據的區(qū)域；數據發(fā)送緩沖區(qū)是它向通信ＣＰＵ插件發(fā)送數據的區(qū)域。為了保證數據交換的實時性和有效性，可采用雙口ＲＡＭ的中斷方式通知對方，信號ＩＮＴＬ和ＩＮＴＲ可作為ＣＰＵ的一個中斷輸入。數據交換時，先將數據放入對應的雙口ＲＡＭ存儲區(qū)，然后寫入對方信箱，以通知對方有數據發(fā)送；接收方在相應的中斷中對數據進行處理，同時讀自己的信箱以清除中斷信號，然后再寫入對方信箱以告知其數據已處理完畢。

４、接口示例

根據上述設計思想，選擇ＡＤ公司的ＡＤ-ＳＰ－２１０６５作為測控ＣＰＵ系統(tǒng)的主處理器。下面以ＣＡＮ總線和以太網接口為例來介紹與雙口ＲＡＭ的連接方法。

４．１ＣＡＮ總線通信插件

近年來，現場總線標準及其應用技術日益成為國際自動控制領域關注的一個焦點。ＣＡＮ總線是德國Ｂｏｓｃｈ公司為解決汽車中眾多數據交換問題而開發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議，是目前公認的幾種最有前途的現場總線之一。它的通信介質可以是雙絞線、同軸電纜和光纖，其通信速率可達１Ｍｂｐｓ。通信ＣＰＵ選擇Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的Ｐ８０ｃ５９２，它的內核為８０Ｃ５１單片機，并內帶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。

設計時，可將ＡＤＳＰ－２１０６５的ＭＳ３作為讀寫雙口ＲＡＭ的片選信號，對應地址為０ｘ０３００００００－０ｘ０３００１ｆｆｆ。若將Ｐ８０ｃ５９２外部存儲器尋址空間的高端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以太網接口通信插件

變電站通信體系結構ＩＥＣ６１８５０協(xié)議推薦使用的傳輸網絡是以太網，因此，以太網接口的設計具有非常重要的現實意義。由臺灣Ｒｅａｌｔｅｋ公司生產的ＲＴＬ８０１９ＡＳ以太網控制器以其優(yōu)良的性能、低廉的價格，而在市場上１０Ｍｂｐｓ網卡中占有相當的比例，設計時筆者就選擇了該以太網控制器，并選用８９Ｃ５２單片機來控制ＲＴＬ８０１９ＡＳ實現以太網接口，其系統(tǒng)組成原理圖如圖５所示。

圖５只給出了通信ＣＰＵ與以太網接口芯片的連接，它和雙口ＲＡＭ的連接與ＣＡＮ總線組成原理圖基本相同，不同之處在于片選信號的譯碼。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作為以太網接口使用，中斷１用于雙口ＲＡＭ的中斷輸入。