CPCI總線下的控制計算機設計方案研究

摘 要 本文討論的主旨是就是CPCI總線下控制計算機的冗長設計，首先介紹的是CPCI總線下控制計算機的原理，接著是冗長方案的設計和實現，最后探討的是選擇數據共享的方式。

【關鍵詞】CPCI總線 控制計算機 冗長設計

控制計算機作為整個系統的核心組合部分，可以實現控制信號的發送，以及采集和判斷控制信號，并且還能夠對外部通路的電阻進行測量，除此之外還可以捕獲外部設備網絡的地址，還可以對相應的IP地址進行動態的分配和管理。上面提到的是控制計算機在系統中的典型應用，除此之外還有其他的應用沒有被寫出，但是這也并不影響控制計算機作為核心部件的重大作用，下面我們就來具體的討論CPCI總線下的控制計算機的設計方案研究問題。

1 CPCI總線下控制計算機的原理

CPCI總線下的控制計算機的優勢來源就是冗余設計，冗余設計非常精巧并且可以采用的方式有很多，根據不同的分類方式，冗余會有不同的設計方式，比如按照在系統中位置的不同，冗余有原件級、系統級、部件級之分；還可以根據冗余的程度將冗余分為1：n的冗余，其中n可以取非零的正整數；除此之外冗余還有工作方式的區別，按照工作方式的不同，冗余還可以被分為冷備份的冗余和熱備份的冗余，由此可見，冗余設計可以采用的方式非常豐富，這也是為什么冗余設計可以滿足各種各樣工作的需要。目前使用最廣泛的是1：1系統級冷備份的冗余方式，這是根據CPCI總線下的控制計算機的特點，尤其是模塊化的特點來考慮的，此外這種冗余設計對整個系統有很好的適應性，并且還可以簡化裝置，這些特點是其他冗余設計所沒有的，和其他冗余設計相比較，1：1系統級冷備份的冗余方式的成本也比較低，所以使用的范圍很廣泛，下面本文就依據此系統來介紹CPCI總線下的控制計算機的工作原理。

CPCI總線下冗余設計控制的計算機系統總共有兩個獨立的互不干擾的計算機構成，并且這兩臺計算機都有自己的I/O信號，這樣如果其中一臺停止工作，就可以切換控制電路完成的信號，然后轉接到另一臺計算機的I/O信號接口上，使得可以工作的計算機信號接口對外進行連接，由于兩臺計算機的軟硬件配套都完全相同，所以可以進行任意自由的連接，來保證整個系統可以正常工作。其中計算機系統中的擴展板裝置，在CPU板的CPCI總線控制下，可以根據系統工作的需要，來設計控制的接口，整個系統設計的時候共有4個擴展板的槽位，但是在實際工作中可以根據需要，還可以再增加三個擴展板的槽位，為了保證系統的穩定運行，設計的有兩個儲存器，CPCI總線下的控制計算機的原理可以用圖1來表示。

2 CPCI總線下的控制計算機的設計方案

2.1 雙電源互鎖的設計

互鎖技術設計的主要目的是為了防止兩個部件在同一時間段都進行工作，這樣會產生很大的影響造成系統運行的障礙，互鎖裝置的設計就能夠很好的保證只有一個部件處于工作的狀態，只有在其中一個設備出現故障的情況下，另一個部件才會進行工作，互鎖設計是整個系統穩定運行的保障，所以系統的兩個計算機系統都有互鎖設計的應用，下面我們根據具體的設計圖來進行詳細的介紹。

如圖2所示，互鎖設計采用的雙電源，每個電源都可以有不同規格的電壓輸出，一般情況下有+5v和3.3v兩種，本文介紹的系統是以+5v規格的電壓輸出為例子的。每個電源都有相同的輸出端口，具體包括的有EN使能端、DC28v輸入端、互鎖控制信號的輸出端、+5v輸出端，其中的EN使能端能夠控制電源的轉換模式，只有DC-DC的模塊進行轉換之后，電源才會啟動，EN使能端還有一個作用是和另一個計算機電源上的互鎖輸出信號端口進行互聯。EN使能端的運行受到其他情況的限制，當處于低電平或者外部的輸出電壓為28v的時候，電源是不能夠輸出+5v的電壓的，也就是說整個系統是不能進行工作的。但是當EN使能端處于低電平，輸出+5v的電壓的電壓，系統處于工作狀態的時候，互鎖控制的信號輸出端是處于低電平的。總結上述說法，雙電源互鎖設計的工作方式是，當電源1處于不工作狀態的時候，如果外部的接入電壓為28v，電源2就會輸出+5v的電壓，這個時候處于工作狀態的還有DC-DC的控制電源的轉換模塊，并且互鎖控制信號處于高電平的狀態。

2.2 切換控制的設計

切換裝置指的主要是兩臺計算機之間I/O信號之間的相互切換，不管是那一臺計算機進行工作，切換裝置都處于工作的狀態，我們根據具體的工作原理圖來對切換控制的設計即興介紹，切換控制的工作原理圖如圖3所示。

兩個電源能夠進行不間斷的工作的原因是2JT5-2繼電器選擇器的使用，這是因為兩個電源輸出的+5v和3.3v的電壓輸出信號都可以被繼電器接收，這就能保證不管哪一個電源處于工作的狀態，繼電器都可以輸出相應的電壓來保證整個裝置的正常運行。切換電路中切換器件可以有以下幾個選擇：不同的切換信號選擇是不同的轉換器，如VGA顯示信號選用的是MAX4885專用切換器；一般的信號采用的是MAX4761切換器件。但是以太網信號不適合采用切換器件，所以對于以太網的信號切換設計了四條切換電路，來專門用于以太網信號的轉換。

2.3 測量板和控制板的設計

測量板的設計需要考慮外部通道的電阻值，這是因為控制計算機要借助電阻的功能，但是系統的設計不適合設置直接測量電阻值的接口器件，所以對于這個問題，采用的是DA轉換電路，其功能是為需要測量的設備提供電流的信號，并且為了測量電阻值，還需要用到AD轉換接口，其目的是為了采集被測量設備兩端的電壓，測得電壓和電流之后，運用歐姆定律，來就算需要測量設備的電阻值。為了減緩計算機CPU的壓力，還在測量板上設計了FIFO緩存電路，同時還設計出了DA輸出測量的電路，輸出測量電路的作用是為了將輸出的電流信號轉換為電壓的信號，這樣便于AD電路的采集，實現自動測試的目的。

控制板的作用是為了采集和判斷對外控制信號的輸入和輸出，為了實現局部總線和CPCI總線的連接，采用的是PCI9052；為了實現寄存器的分配、地址的譯碼、以及始終的調頻等，FPGA采用的是EPM7256。信號輸入輸出電路都由兩種不同的電路組成，其中光電隔離電路和信號的驅動電路組成了信號的輸出接口電路；信號整形電路和光電隔離電路構成了信號輸入接口的電路。其中對于通道的測試是設計控制板的重要工作，設計的原理是使寄存器產生TTL高電平的信號，這種信號最終是要被傳輸到需要測量的通道上的，但是在那之前，信號還需要通過光電隔離電路和驅動電路。

3 數據共享問題的討論

數據是對每一個系統的安全穩定運行都有著重要的作用，并且如果系統的復雜程度比較高，還需要提高數據的使用率。冗余設計有兩套計算機系統，并且兩個計算機系統是彼此的備用，所以并不會同時處于工作的狀態，但是每一臺計算機在投入使用的時候，都會產生一定的數據，為了保證整個設備的完整運行， 需要將兩個計算機系統中的數據進行共享的設置。傳統的共享方式是使用第三方儲存器將一臺計算機里的數據拷貝到另一臺計算機中，這個方法的原理非常的簡單明了，便于理解，并且需要的操作技術也很低，很容易被人們掌握。但是這個共享的方式也存在著諸多問題，比如運行的時間比較長，并且還可能影響其他零部件的使用，還有一點需要注意的是如果設備出現故障，數據不能拷貝的情況下，這個共享的方式就失去了使用的價值。

所以為了使系統中的數據能夠得到更好的使用，設計出一種新對IDE信號的切換方式，這樣保證了不管是哪一臺計算機處在工作的狀態，系統都可以訪問兩個儲存器。這個設計的原理是，因為兩個計算機系統的儲存器都配有下相同的操作系統和相關的若干軟件，這樣就可以通過任意一個儲存器來啟動系統，并且當系統啟動之后，另一個儲存器中的數據也可以被訪問，這樣就獲得了兩個計算機系統中的全部數據，實現了數據的共享，保障了整個裝置的正常穩定使用。

4 結束語

CPCI總線下控制計算機的設計方案主要指的是冗余技術的設計，這個設計保證了系統的穩定工作，也提高了系統的可靠性。雖然從一方面來說，冗余設計在系統中的使用給增加了系統的復雜程度，也會消耗更大的人力和物力資源，但是我們要從整體看問題，總的來說，冗余設計給系統的帶來益處還是大于弊端的，其中最顯著的還是系統可靠性的增加。所以，控制計算機系統中引入冗余設計是非常明智且有必要的。

參考文獻

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作者簡介

張天瑩（1976-），男。大學本科畢業。現供職于北京通建泰利特智能系統工程技術有限公司（高級職稱）。研究方向為智能系統開發。

作者單位

北京通建泰利特智能系統工程技術有限公司 北京市 100080