數字化儀控平臺中基于AT96總線的數據交互設計

伍巧鳳，賀 理，李 昱，孫詩炎，王明星

（核反應堆系統設計技術重點實驗室，成都 610213）

0 引言

數字化儀控平臺[1,2]中控制器單元通過背板AT96總線與各功能單元進行數據交互，以實現了不同功能需求[3]。AT96總線是由德國西門子公司發起制定的工控機總線標準，其作為ISA總線的兼容協議，采用PC的Wintel架構，具有抗沖擊力強、機械結構合理、適合工業現場使用，易于維護等特點。AT96總線內存使用機制與PC計算機完全一致。控制器單元的內存只能有640K～1M內存區間，并且這里面的大多數內存已經被顯卡等設備占用，因而可以使用的空間很小，基本上只能提供一個幾十KB的頁面給功能單元使用，但若功能單元數量眾多，顯然無法滿足系統設計要求，所以需要通過一種機制來擴展內存。因此，采用內存分段和頁面擴充技術，將一個內存空間擴充為多個頁面，來實現控制器單元與多個功能單元的信息交互，并且在系統中通過180°跟隨機制來防止控制器對功能單元的訪問沖突。

圖1 數字化儀控平臺構架Fig.1 Digital instrument control platform architecture

圖2 內存地址分配圖Fig.2 Memory address assignment diagram

1 數字化儀控平臺構架

數字化儀控平臺由主控制器、AT96總線、智能IO功能單元（模擬量輸入單元、模擬量輸出單元、開關量輸入單元、開關量輸出單元、以太網通信單元、CAN通信單元等）組成，其構架見圖1。

IO功能單元為智能設計，各功能單元自帶微處理器，獨立進行數據采集和處理，數據存放于各功能單元的雙口RAM。控制器通過AT96總線與功能單元雙口RAM進行數據交換。

2 數據交互設計

2.1 內存分配

一般控制器的內存只能在640K～1M內存區間，并且這里面的大多數內存已經被顯卡等設備占用。因此，可以使用的空間很小，平臺中的控制器基本上只能提供一個64KB的頁面給IO功能單元使用，但平臺中板卡數量眾多，顯然無法滿足系統設計要求，需要通過一種機制來擴展內存。

圖2是內存地址分配圖。在圖2中，將內存分為16個內存段，每個內存段4KB，標識為0～F。例如，第1段內存為0xD0000～0xD0FFF，第2段內存為0xD1000～0xD1FFF……以此類推。標識為0～E的60KB為用戶內存空間，一旦切換以后，為該功能單元獨占使用。標識為F的4KB為共享區間，為所有功能單元共用。在共享區間中，其低端的256Bytes區間為搶旗幟區間，其地址為0XDF000～0XDF0FF；其次為頁面選擇區間，占用256Bytes區間，其地址為0XDF100～0XDF1FF；依次往上的256Bytes區間為段地址選擇區間，其地址為0XDF200～0XDF2FF，剩余的區間為保留區間，暫不使用。

2.2 頁面擴展

基于2.1節內存分配技術進行頁面擴展，本系統將64KB頁面擴充成64個頁面，每個頁面64KB，以4KB為段單位，包含16個內存段，前15個內存段（編號0～E）為用戶內存空間，用以存儲交互數據，每個功能單元可以根據實際需求占用1～15個內存段，第16個內存段（編號F）作為共享區間，用于命令發送等控制使用。

本系統各個頁面分配如下：

頁面0：為I/O類型功能單元使用區間，每個板卡占用一個4KB內存段，最大同時支持15個板卡，板卡的內存段通過4bit撥碼開關選擇。

頁面1～8：為隔離CAN通信單元使用區間，每個CAN通信單元占用2個內存段，內存段通過6bit撥碼開關選擇，其中3bit為頁面選擇，3bit為內存段地址選擇。

頁面9～16：為隔離RS485通信單元使用區間，每個RS485通信單元占用2個內存段，內存段通過6bit撥碼開關選擇，其中3bit為頁面選擇，3bit為內存段地址選擇。

頁面17～24：為隔離以太網通信單元使用區間，每個以太網通信單元占用2個內存段，內存段通過6bit撥碼開關選擇，其中3bit為頁面選擇，3bit為內存段地址選擇。

圖3 內存頁面擴展Fig.3 Memory page extensions

圖4 180°跟隨機制示意圖Fig.4 Diagram of 180°following mechanism

頁面25～63：系統保留，可擴展。

系統內存擴展由一個CPLD和雙口RAM來實現，CPLD負責進行地址譯碼和命令解析，同時輸出控制信號，以及對沖突進行檢測。

2.3 180°跟隨機制

因功能單元為智能設計，各功能單元自帶微處理器，所以可在智能單元工作循環中準備數據的時刻，與控制器訪問數據的時刻錯開180°。即根據控制器的訪問周期，功能單元自行測算出控制器每兩次訪問周期的中間時刻，在這個中間時刻智能單元準備數據。這樣，即使控制器出現突發情況，造成訪問功能單元的時間點提前或者延后，但由于這個中間時刻的存在，可以盡最大可能避免控制器訪問功能單元時出現沖突或者無效。

圖5 時間片同步示意圖Fig.5 Time slice synchronization diagram

圖6 時間片同步調整示意圖Fig.6 Time slice synchronous adjustment diagram

在實際工作中，功能單元微處理器在空閑時刻時，一直監視硬件雙口RAM標志的訪問變化，并根據該變化確定控制器的訪問時刻，每經過一段時間，微處理器都會評估自己和控制器之間時刻的同步性，然后根據評估結果，調整自己對雙口RAM的訪問時刻，以實現與控制器的同步跟隨功能。在這種跟隨機制下，功能單元會隨時測量控制器的訪問周期，隨時保持與控制器訪問周期錯開180°的間隔。

圖5為正常情況下控制器對功能單元的訪問示意圖，功能單元準備好數據，控制器稍后就可以訪問，二者和諧共處，不會因此發生沖突。

當運行一段時間后，可能出現圖6所示情況。

在圖6中，控制器和功能單元循環周期沒有改變，改變是控制器對功能單元的訪問時刻，導致控制器每次訪問功能單元時，均與功能單元數據準備相沖突，從而只能放棄當前時間片。功能單元微處理器記錄每次控制器的訪問時間點，當其探測這種沖突情況后，功能單元會自動避開控制器的訪問時間點，前移自己的數據準備周期，從而有效處理沖突的情況。功能單元在前移時，可以計算好時間，使得數據準備時間正好與控制器訪問時間錯開180°。這樣聯動處理后，一是解決了控制器對功能單元數據訪問的及時性，二是提高了帶寬的利用率。

3 結論

數字化儀控平臺通過AT96總線實現控制器與智能IO功能單元的數據交互，在控制器內存不足的情況下，通過內存分段和頁面擴展技術實現控制器內存擴展，從而實現控制器與眾多智能IO功能單元的數據交互。因IO單元的智能化設計，在IO功能單元微處理器中設置180°跟隨機制，實現功能單元準備數據和控制器訪問數據的180°延時，在有效處理沖突的同時，提高了帶寬的利用率。