第26卷  第4期2019年4月仪器仪表用户INSTRUMENTATION
Vol.26
2019  No.4
数字化仪控平台中基于AT96总线的数据交互设计
伍巧凤，贺 理，李 昱，孙诗炎，王明星
（核反应堆系统设计技术重点实验室，成都 610213）
摘    要：数字化仪控平台包含控制器和智能IO功能单元：模拟量输入单元、模拟量输出单元、开关量输入单元、开关量输出单元、转速测量单元、通信单元等。控制器是仪控平台的核心，执行信号采集、数据处理、信号输出等功能，其通过背板AT96总线与各功能单元进行数据交互，以实现不同的功能需求。基于AT96总线的数据交互设计，在控制器内存不足的情况下，通过内存分配、页面扩展实现内存扩充，通过180°跟随机制防止控制器访问与功能单元准备数据的冲突。基于以上方法，实现数字化仪控平台内控制器内存管理，以及控制器与其他智能IO功能单元的数据交互。
关键词：数字化仪控平台；AT96总线；数据交互
中图分类号：TP              文献标志码：A
Data Interaction Design Based on AT96 Bus in Digital
Instrumentation and Control Platform
Wu Qiaofeng ，He Li ，Li Yu ，Sun Shiyan ，Wang Mingxing
（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory,Chengdu,610213,China）
Abstract：Digital instrumentation and control platform is including controller and intelligent IO functional unit. Intelligent IO functional unit is including analog input unit, analog output unit、switching input unit, switching output unit, communication unit ,etc. The controller is the core of the instrumentation and control platform. It performs the functions of signal acquisition, data processing and signal output. It interacts with each functional unit trough AT96 bus to achieve different functional requirements. Based on AT96 bus data interaction design, memory expansion is realized by memory allocation and page expansion, and the conflict between controller access and functional unit preparation data is prevented by 180°follow-up random system. Based on the above methods, the me
mory management of the controller and interaction between the controller and Intelligent IO functional unit are realized.
Key words：digital instrumentation and control platform；AT96 bus；data interaction
DOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2019.04.020
文章编号：1671-1041(2019)04-0068-03
0  引言
数字化仪控平台
[1,2]
中控制器单元通过背板AT96总线与
各功能单元进行数据交互，以实现了不同功能需求[3]。AT96总线是由德国西门子公司发起制定的工控机总线标准，其作为ISA总线的兼容协议，采用PC的Wintel架构，具有抗冲击力强、机械结构合理、适合工业现场使用，易于维护等
收稿日期：2019-01-08
作者简介：伍巧凤（1988-），女，四川乐山人，硕士，研究方向：仪表与控制系统设计。
特点。AT96总线内存使用机制与PC计算机完全一致。控制
器单元的内存只能有640K～1M内存区间，并且这里面的大多数内存已经被显卡等设备占用，因而可以使用的空间很小，基本上只能提供一个几十KB的页面给功能单元使用，但若功能单元数量众多，显然无法满足系统设计要求，所以需要通过一种机制来扩展内存。因此，采用内存分段和页面扩充技术，将一个内存空间扩充为多个页面，来实现
伍巧凤·数字化仪控平台中基于AT96总线的数据交互设计
第4期69
控制器单元与多个功能单元的信息交互，并且在系统中通过180°跟随机制来防止控制器对功能单元的访问冲突。
1  数字化仪控平台构架
数字化仪控平台由主控制器、AT96总线、智能IO功能单元（模拟量输入单元、模拟量输出单元、开关量输入单元、开关量输出单元、以太网通信单元、CAN通信单元等）组成，其构架见图1。
IO功能单元为智能设计，各功能单元自带微处理器，独立进行数据采集和处理，数据存放于各功能单元的双口RAM。控制器通过AT96总线与功能单元双口RAM进行数据交换。
2  数据交互设计
2.1  内存分配
一般控制器的内存只能在640K～1M内存区间，并且这里面的大多数内存已经被显卡等设备占用。因此，可以使用的空间很小，平台中的控制器基本上只能提供一个64KB 的页面给IO功能单元使用，但平台中板卡数量众多，显然无法满足系统设计要求，需要通过一种机制来扩展内存。
图2是内存地址分配图。在图2中，将内存分为16个内存段，每个内存段4KB，标识为0～F。例如，第1段内存为0xD0000～0xD0FFF，第2段内存为0xD1000～0xD1FFF……以此类推。标识为0～E的60KB为用户内存空间，一旦切换以后，为该功能单元独占使用。标识为F的4KB为共享区间，为所有功能单元共用。在共享区间中，其低端的256Bytes区间为抢旗帜区间，其地址为0XDF000～0XDF0FF；其次为页面选择区间，占用256Bytes区间，其地址为0XDF100～0XDF1FF；依次往上的256Bytes区间为段地址选择区间，其地址为0XDF200～0XDF2FF，剩余的区间为保留区间，暂不使用。
2.2  页面扩展
基于2.1节内存分配技术进行页面扩展，本系统将64KB 页面扩充成64个页面，每个页面64KB，以4KB为段单位，包含16个内存段，前15个内存段（编号0～E）为用户内存空间，用以存储交互数据，每个功能单元可以根据实际需求占用1～15个内存段，第16个内存段（编号F）作为共享区间，用于命令发送等控制使用。
本系统各个页面分配如下：
页面0：为I/O类型功能单元使用区间，每个板卡占用一个4KB内存段，最大同时支持15个板卡，板卡的内存段通过4bit拨码开关选择。
页面1～8：为隔离CAN通信单元使用区间，每个CAN 通信单元占用2个内存段，内存段通过6bit拨码开关选择，其中3bit为页面选择，3bit为内存段地址选择。
reactor technology页面9～16：为隔离RS485通信单元使用区间，每个RS485通信单元占用2个内存段，内存段通过6bit拨码开关选择，其中3bit为页面选择，3bit为内存段地址选择。
页面17～24：为隔离以太网通信单元使用区间，每个以太网通信单元占用2个内存段，内存段通过6bit拨码开关
图1  数字化仪控平台构架
Fig.1  Digital instrument control platform architecture 图2  内存地址分配图
Fig.2  Memory address assignment diagram
选择，其中3bit为页面选择，3bit为内存段地址选择。
页面25～63：系统保留，可扩展。
系统内存扩展由一个CPLD和双口RAM来实现，CPLD 负责进行地址译码和命令解析，同时输出控制信号，以及对冲突进行检测。
2.3  180°跟随机制
因功能单元为智能设计，各功能单元自带微处理器，所以可在智能单元工作循环中准备数据的时刻，与控制器访问数据的时刻错开180°。即根据控制器的访问周期，功能单元自行测算出控制器每两次访问周期的中间时刻，在这个中间时刻智能单元准备数据。这样，即使控制器出现突发情况，造成访问功能单元的时间点提前或者延后，但由于这个中间时刻的存在，可以尽最大可能避免控制器访问功能单元时出现冲突或者无效。
在实际工作中，功能单元微处理器在空闲时刻时，一直监视硬件双口RAM标志的访问变化，并根据该变化确定控制器的访问时刻，每经过一段时间，微处理器都会评估自己
图3  内存页面扩展
Fig.3  Memory page extensions
图4  180°跟随机制示意图
Fig.4  Diagram of 180°following mechanism
图6  时间片同步调整示意图
Fig.6  Time slice synchronous adjustment diagram
图5  时间片同步示意图
Fig.5  Time slice synchronization diagram
和控制器之间时刻的同步性，然后根据评估结果，调整自己对双口RAM的访问时刻，以实现与控制器的同步跟随功能。在这种跟随机制下，功能单元会随时测量控制器的访问周期，随时保持与控制器访问周期错开180°的间隔。
图5为正常情况下控制器对功能单元的访问示意图，功能单元准备好数据，控制器稍后就可以访问，二者和谐共处，不会因此发生冲突。
当运行一段时间后，可能出现图6所示情况。
在图6中，控制器和功能单元循环周期没有改变，改变是控制器对功能单元的访问时刻，导致控制器每次访问功
（下转第78页）
由图7可知，22%负荷状态下，阀门的流量为244.8kg/，阀门开度为24.1%，和图4中阀门设计数据保持一致，随着功率的下降，给水流量以及阀门开度也随之平滑下降。当高给水流量信号由true变为false时，即主给水流量低于15%时，主给水由高功率控制切换成低功率控制模式，由图7可以看出阀门并无剧烈波动，继续下降，随着功率继续下降，当主给水流量低于5%时，给水路径发生变化，由主给水流量调节阀切换至启动给水流量调节阀，阀门关闭。
4  总结
本文根据主给水调节阀性能参数，基于RINSIM 1.0平台，运用流体网络知识对阀门建立数学模型，对主给水流量调节阀稳态性及变工况性能进行研究，计算及测试结果表明和设计数据保持一致，从而验证了主给水流量调节阀的性能参数，同时也验证了基于RINSIM仿真平台的数学模型的正确性。
参考文献：
某核电厂主给水系统设计说明书[Z].
张弦，王琪，等.650MW核电厂DEH一层系统仿真研究[J].电工技术,2018(6).
某核电厂主给水调节阀设计参数表[Z].
图6  100%负荷各参数曲线Fig.6  100% Load parameter curves
图7  降负荷工况各参数曲线
Fig.7  Parameter curves for load reduction conditions
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（上接第70页）
能单元时，均与功能单元数据准备相冲突，从而只能放弃当前时间片。功能单元微处理器记录每次控制器的访问时间点，当其探测这种冲突情况后，功能单元会自动避开控制器的访问时间点，前移自己的数据准备周期，从而有效处理冲突的情况。功能单元在前移时，可以计算好时间，使得数据准备时间正好与控制器访问时间错开180°。这样联动处理后，一是解决了控制器对功能单元数据访问的及时性，二是提高了带宽的利用率。
3  结论
数字化仪控平台通过AT96总线实现控制器与智能IO功能单元的数据交互，在控制器内存不足的情况下，通过内存分段和页面扩展技术实现控制器内存扩展，从而实现控制器与众多智能IO功能单元的数据交互。因IO单元的智能化设计，在IO功能单元微处理器中设置180°跟随机制，实现功能单元准备数据和控制器访问数据的180°延时，在有效处理冲突的同时，提高了带宽的利用率。
参考文献：
反应堆数字化仪控系统安全级硬件平台(MICON系统)设计及应用[C].中国核科学技术进展报告：第二卷,2011.
吴志强，高贺，曾少立.反应堆数字化仪控系统安全级硬件平台设计及应用[J].核动力工程,2013,3(1).
一种基于AT96总线的控制单元双模冗余结构设计[J].科技视界,2018.
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