雙口RAM在自動(dòng)化系統中的應用
加入技術(shù)交流群
摘要：對雙口RAM操作中共享沖突的幾種方式進(jìn)行了討論和分析。給出了防止這些共享沖突的基本方法，同時(shí)結合其在自動(dòng)化系統中的應用給出了雙口RAM和現場(chǎng)總線(xiàn)、工業(yè)以太網(wǎng)的接口應用方案。
關(guān)鍵詞：雙口RAM；現場(chǎng)總線(xiàn)；工業(yè)以太網(wǎng)；CAN；DSP
１ 引言
在現代工業(yè)測控系統中，由于對系統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（如３８６ＥＸ等?來(lái)實(shí)現測控功能，并將這些智能設備聯(lián)網(wǎng)組成自動(dòng)化系統。在早期的應用中，設備聯(lián)網(wǎng)普遍采用ＲＳ２３２／ＲＳ４２２／ＲＳ４８５方式。隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在自動(dòng)化系統中的應用逐漸普遍，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。
測控設備的設計可以采用單ＣＰＵ系統完成整個(gè)測控功能和系統聯(lián)網(wǎng)功能，這樣做的缺點(diǎn)是使整個(gè)系統的軟件設計復雜，系統適應性差，ＣＰＵ負擔較重，影響系統的整體性能。另外一種做法是采用雙ＣＰＵ系統，即用一個(gè)ＣＰＵ完成測控功能，另一個(gè)ＣＰＵ完成系統聯(lián)網(wǎng)和接口通信功能。由于雙ＣＰＵ系統可按功能分開(kāi)設計，因此可簡(jiǎn)化系統軟件設計，使系統具有良好的擴展性，以便更好地應對不同的組網(wǎng)要求，提高系統的整體性能。
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)是操作復雜、速度慢。因此，隨著(zhù)價(jià)格的不斷下降，采用雙口ＲＡＭ方式在兩個(gè)ＣＰＵ系統間交換數據是一個(gè)不錯的選擇。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)完全獨立的端口，每個(gè)端口都有自己的控制線(xiàn)、地址線(xiàn)和數據線(xiàn)，ＣＰＵ對雙口ＲＡＭ端口的操作等效于對它的外部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對同一ＲＡＭ單元的爭用，一般來(lái)說(shuō)，雙口ＲＡＭ可提供三種防沖突方式，下面結合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聯(lián)來(lái)擴展字寬，其內部原理框圖如圖１所示。
２．１ 插入等待狀態(tài)的防沖突方式
當左右端口同時(shí)對同一地址的ＲＡＭ存儲單元進(jìn)行存取時(shí)，ＣＹ７Ｃ１４４芯片內部的仲裁單元將會(huì )給出ＢＵＳＹ信號。具體來(lái)說(shuō)，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(jìn)行存取時(shí)，若右端口也對該存儲單元進(jìn)行操作，則芯片內部的仲裁單元會(huì )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(guò)程中插入等待狀態(tài)，避免兩端同時(shí)對雙口ＲＡＭ進(jìn)行操作。
２．２ 信號燈防沖突方式
雙口ＲＡＭ通過(guò)申請和釋放端口的信號燈（也稱(chēng)為令牌）來(lái)操作存儲單元可以避免發(fā)生沖突。一個(gè)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(jìn)行存取。當左端口向信號燈寫(xiě)入“０”再回讀信號燈時(shí)，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(xiě)入“１”以釋放信號，從而避免資源的死鎖。
ＣＹ７Ｃ１４４芯片提供８個(gè)信號燈，每個(gè)信號燈的存儲單元為８２ｋ位。對信號燈進(jìn)行操作時(shí)，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(xiàn)最低位Ｉ／Ｏ０代表信號燈的值。對存儲單元存取的一般過(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)存儲單元可以作為信箱使用，左右兩端可以同時(shí)對它進(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ＩＮＴＬ將變?yōu)榈?，左端口讀自己的信箱１ＦＦＥＨ時(shí)，信號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ＩＮＴＲ將變低，右端口讀自己的信箱１ＦＦＦＨ時(shí)，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(guò)信箱向對方傳遞自己使用存儲單元的狀態(tài)來(lái)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(lái)說(shuō)會(huì )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(gè)ＣＰＵ共享內存空間時(shí)，如果雙口ＲＡＭ主要用于兩個(gè)ＣＰＵ之間交換數據，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)化系統中的應用方案
在變電站自動(dòng)化系統中，保護、測量、控制一體化的設計應用越來(lái)越廣泛，一般來(lái)說(shuō)，保護測控裝置的功能在設計之后不會(huì )有太大的變化，但數據通信網(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，很難達成一致的選擇。因此在通信網(wǎng)絡(luò )的設計中，筆者采用了雙ＣＰＵ系統，其中一個(gè)ＣＰＵ完成保護測控功能，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測控ＣＰＵ按照統一的接口連接，網(wǎng)絡(luò )通信介質(zhì)接口也以插件的形式進(jìn)行選擇。這樣設計的最大好處是可以根據系統性能和用戶(hù)要求來(lái)選擇不同的通信ＣＰＵ插件以滿(mǎn)足自動(dòng)化系統的組網(wǎng)需要，并可在通信插件上實(shí)現不同的通信協(xié)議，而保護測控功能部分不用進(jìn)行任何修改；通信介質(zhì)接口插件主要分為雙絞線(xiàn)方式和光信號方式兩種，可以根據現場(chǎng)應用需要進(jìn)行選擇。
系統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。對保護測控ＣＰＵ而言，雙口ＲＡＭ被劃分為兩個(gè)區域，其中數據接收緩沖區是通信ＣＰＵ插件向其發(fā)送命令和數據的區域；數據發(fā)送緩沖區是它向通信ＣＰＵ插件發(fā)送數據的區域。為了保證數據交換的實(shí)時(shí)性和有效性，可采用雙口ＲＡＭ的中斷方式通知對方，信號ＩＮＴＬ和ＩＮＴＲ可作為ＣＰＵ的一個(gè)中斷輸入。數據交換時(shí)，先將數據放入對應的雙口ＲＡＭ存儲區，然后寫(xiě)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(jìn)行處理，同時(shí)讀自己的信箱以清除中斷信號，然后再寫(xiě)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，筆者選擇ＡＤ公司的ＡＤ-ＳＰ－２１０６５作為測控ＣＰＵ系統的主處理器。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)，現場(chǎng)總線(xiàn)標準及其應用技術(shù)日益成為國際自動(dòng)控制領(lǐng)域關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。ＣＡＮ總線(xiàn)是德國Ｂｏｓｃｈ公司為解決汽車(chē)中眾多數據交換問(wèn)題而開(kāi)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(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。其系統組成原理圖如圖４所示。
４．２ 以太網(wǎng)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(wǎng)絡(luò )是以太網(wǎng)，因此，以太網(wǎng)接口的設計具有非常重要的現實(shí)意義。由臺灣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)卡中占有相當的比例，設計時(shí)筆者就選擇了該以太網(wǎng)控制器，并選用８９Ｃ５２單片機來(lái)控制ＲＴＬ８０１９ＡＳ實(shí)現以太網(wǎng)接口，其系統組成原理圖如圖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
利用雙口ＲＡＭ在ＣＰＵ之間傳送數據具有傳送速率高、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)構成自動(dòng)化系統的通信網(wǎng)絡(luò )使系統具有良好的適應性和擴展性，能夠很好地滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。筆者按照這種思路設計的鐵路牽引變電所自動(dòng)化系統就充分利用了該特點(diǎn)。
評論