伍巧鳳　李昱　孫詩炎　王明星　賀理

【摘 要】數(shù)字化儀控平臺由控制器和多個(gè)智能IO功能單元組成，控制器與智能IO功能單元通過背板AT96總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以滿足不同的功能需求。系統(tǒng)提出一種基于AT96總線的沖突仲裁機(jī)制，以防止控制器與多個(gè)功能單元數(shù)據(jù)交互時(shí)發(fā)生沖突，以及發(fā)生沖突后應(yīng)采取的對策。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化儀控平臺;AT96總線;數(shù)據(jù)交互;沖突仲裁

中圖分類號： TP 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）16-0035-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.015

Conflict Arbitration Mechanism in Date Interaction Design Based on AT96 Bus

WU Qiao-feng LI Yu SUN Shi-yan WANG Ming-xing HE Li

（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory， Chengdu Sichuan 610213， China）

【Abstract】Digital instrumentation and control platform is including controller and intelligent IO functional unit. The data are exchanged through AT96 bus to meet different functional requirements. A conflict arbitration mechanism based on AT96 bus is proposed to prevent conflicts between controller and multiple functional units in data interaction， as well as measures to be taken after conflicts occur.

【Key words】Digital instrumentation and control platform; AT96 bus; Data interaction; Conflict Arbitration

0 引言

數(shù)字化儀控平臺中控制器單元通過背板AT96總線與多個(gè)智能IO功能單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[1-2]。AT96總線是工控機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)，采用ISA總線的兼容協(xié)議及PC的Wintel架構(gòu)，具有抗沖擊力強(qiáng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)合理、易于維護(hù)等特點(diǎn)。因控制器需與多個(gè)功能單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，可能發(fā)生沖突，由此根據(jù)數(shù)字化儀控平臺的特點(diǎn)，在其控制器與多功能單元數(shù)據(jù)交互設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了一種防沖突的仲裁機(jī)制，用以防止沖突，以及沖突后應(yīng)采取的對策。

1 基于AT96總線的數(shù)據(jù)交互構(gòu)架

由圖1可知，數(shù)字化儀控平臺由主控制器、AT96總線、多個(gè)智能IO功能單元組成，智能IO單元包括模擬量輸入單元、模擬量輸出單元、開關(guān)量輸入單元、開關(guān)量輸出單元、以太網(wǎng)通信單元、CAN通信單元等。

智能IO功能單元為智能化設(shè)計(jì)，各功能單元自帶微處理器，獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，通過AT96總線與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)字化儀控平臺中的控制器基本上只能提供一個(gè)64KB的頁面給智能IO功能單元交互數(shù)據(jù)使用，但平臺中板卡數(shù)量眾多，因此采用頁面擴(kuò)展技術(shù)，將64KB的頁面擴(kuò)充成64個(gè)頁面，用以實(shí)現(xiàn)控制器與多個(gè)智能IO功能單元的數(shù)據(jù)交互。頁面擴(kuò)展技術(shù)由一個(gè)CPLD、編碼來實(shí)現(xiàn)，CPLD負(fù)責(zé)根據(jù)智能IO功能單元上的編碼進(jìn)行地址譯碼和命令解析，同時(shí)輸出控制信號，使得不同的智能IO功能單元能正確分配控制器對應(yīng)內(nèi)存頁面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互[3]?？刂破髋c多個(gè)職能IO功能單元數(shù)據(jù)交互的沖突仲裁設(shè)計(jì)，在原有AT96總線基礎(chǔ)上，新增了一根沖突仲裁信號線，該沖突仲裁線路能夠分別指示三種狀態(tài)：空閑、正常占用、沖突，以實(shí)現(xiàn)沖突仲裁處理。

2 沖突仲裁機(jī)制

2.1 沖突仲裁

圖2為沖突仲裁電路，如圖可知，與原來的AT96總線相比，新增了一根沖突仲裁信號線，以實(shí)現(xiàn)沖突仲裁處理。沖突仲裁信號線是一根物理線路，所有板卡共享該線路，該線路能夠分別指示三種狀態(tài)：空閑、正常占用、沖突。為考慮到?jīng)_突仲裁的可靠性和速度要求，以及對內(nèi)存訪問速度的影響，采用了硬件仲裁線的實(shí)現(xiàn)方式。在電路中，一根所有插槽共享的硬件仲裁線，連接一個(gè)5KΩ的下拉電阻，構(gòu)成了硬件仲裁的基礎(chǔ)通訊線。對每個(gè)擴(kuò)展板卡來說，通過一個(gè)I/O管腳串聯(lián)電阻驅(qū)動(dòng)，構(gòu)成了內(nèi)存占用通告發(fā)布功能，為了實(shí)現(xiàn)所有功能單元共享一根線的設(shè)計(jì)，每個(gè)板卡的I/O驅(qū)動(dòng)串聯(lián)了一個(gè)肖特基二極管，以防止電流反向放電影響。該硬件線的電壓將反映出硬件內(nèi)存頁面的占用、沖突情況，還單獨(dú)設(shè)計(jì)了一個(gè)占用/沖突檢測電路負(fù)責(zé)檢測內(nèi)存頁面切換情況，如圖4所示。該檢測電路由兩個(gè)比較器組成，輸出2bit信號：

當(dāng)系統(tǒng)開機(jī)后，內(nèi)存頁面處于空閑狀態(tài)，所有功能單元均不占用該內(nèi)存頁面，驅(qū)動(dòng)管腳輸出低電平，由于二極管的反向截止功能，該沖突仲裁信號線實(shí)際電壓為0V（5K電阻下拉），此時(shí)，占用/沖突檢測電路由于輸入電壓為0V，因此輸出數(shù)據(jù)為01，表示空閑。

當(dāng)控制器通過共享命令區(qū)間發(fā)送內(nèi)存頁面切換地址后，功能單元CPLD檢測命令合法性和地址匹配一致后，執(zhí)行內(nèi)存頁面切換，同時(shí)驅(qū)動(dòng)管腳輸出高電平，電平為3.3V，由于二極管的正向壓降，實(shí)際驅(qū)動(dòng)電壓為3V，通過串聯(lián)電阻和沖突仲裁線的5K下拉電阻匹配后，該沖突仲裁信號線實(shí)際電壓為1.0V，此時(shí)，占用/沖突檢測電路由于輸入電壓為1.0V，因此輸出數(shù)據(jù)為00，表示正常占用。

當(dāng)由于硬件故障、錯(cuò)誤配置或其他問題導(dǎo)致2個(gè)或2個(gè)以上的功能單元啟動(dòng)內(nèi)存頁面切換，輸出了2個(gè)和2個(gè)以上的高電平，由于驅(qū)動(dòng)電流的匯合作用，沖突仲裁信號線電壓將上升，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)時(shí)電壓為1.5V，超過2個(gè)則電壓更高。此時(shí)，占用/沖突檢測電路由于輸入電壓為1.5V以上，因此輸出數(shù)據(jù)為10，表示沖突。

每個(gè)功能單元在內(nèi)存切換執(zhí)行后，如果檢測到仲裁信號錯(cuò)誤，則依然不會(huì)響應(yīng)切換后的內(nèi)存讀命令，以防止AT96總線訪問沖突。

3 沖突情況及對策

3.1 功能單元錯(cuò)誤編碼

由于人為錯(cuò)誤或功能單元的編碼開關(guān)故障，可能導(dǎo)致2個(gè)或2個(gè)以上的擴(kuò)展板卡，其內(nèi)存地址編寫一樣，此時(shí)，當(dāng)控制器發(fā)送內(nèi)存頁面切換命令時(shí)，多個(gè)功能單元同時(shí)占用總線。

此時(shí)，對于控制器來說，可以通過沖突仲裁信號線的狀態(tài)，判讀出內(nèi)存頁面已經(jīng)沖突，控制器將不會(huì)發(fā)送內(nèi)存讀命令，可以防止后面的內(nèi)存讀沖突操作。

即使控制器沒有處理這個(gè)沖突信號，發(fā)送了內(nèi)存讀操作，實(shí)際上也不會(huì)導(dǎo)致硬件沖突，因?yàn)槊總€(gè)功能單元自己也會(huì)檢查沖突仲裁信號線，當(dāng)沖突發(fā)生時(shí)，其數(shù)據(jù)端口的驅(qū)動(dòng)IC（SN74HCT245）的DIR和OE管腳均受到仲裁結(jié)果信號控制，當(dāng)總線已經(jīng)產(chǎn)生沖突的情況下，讀操作將實(shí)際上無效，控制器讀到的是0xFF數(shù)據(jù)。

3.2 內(nèi)存頁面切換時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤

當(dāng)一個(gè)功能單元已經(jīng)占用內(nèi)存空間時(shí)，再切換到另外一張卡時(shí)，發(fā)生錯(cuò)誤，導(dǎo)致原來的功能單元沒有釋放內(nèi)存區(qū)間，從而導(dǎo)致內(nèi)存沖突。這種情況多是由于AT96總線受到干擾發(fā)生的，或者功能單元出現(xiàn)了故障，接收到了內(nèi)存切換命令，但沒有執(zhí)行。

此時(shí)的情況處理跟上面的情況很類似，功能單元會(huì)自動(dòng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，防止沖突發(fā)生，控制器也能通過沖突仲裁信號線判斷出沖突的發(fā)生。

控制器可以通過兩步切換操作來防止此種情況出現(xiàn)，即控制器首先發(fā)送內(nèi)存釋放命令，并檢測沖突仲裁信號線，讓所有功能單元均釋放內(nèi)存空間后，再發(fā)送第二個(gè)切換命令到實(shí)際的頁面上。

3.3 硬件IO故障導(dǎo)致沖突

如果IO功能單元管腳本身發(fā)生故障，外部二極管、電阻故障，以及占用/沖突檢測電路的故障，均可能導(dǎo)致硬件沖突的發(fā)生，并且由于此故障發(fā)生，干擾了沖突仲裁線的工作狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的硬件沖突發(fā)生。

針對此種問題的解決辦法是進(jìn)行電路自檢，在系統(tǒng)上電或系統(tǒng)指定自檢的時(shí)候，由控制器發(fā)送命令，對各個(gè)功能單元進(jìn)行檢測，檢測的內(nèi)容包括：

（1）依次指定每個(gè)功能單元的地址，檢測其是否能夠可靠實(shí)現(xiàn)內(nèi)存切換，并且輸出正確的占用信號，檢測由控制器和功能單元微處理器配合共同完成。

（2）輸出特殊的地址，強(qiáng)制2個(gè)功能單元執(zhí)行內(nèi)存切換，并實(shí)現(xiàn)內(nèi)存沖突現(xiàn)象的模擬，檢測各個(gè)板卡的占用/沖突檢測電路工作是否正常。

4 結(jié)論

系統(tǒng)根據(jù)數(shù)字化儀控平臺的特點(diǎn)，在基于AT96總線的數(shù)據(jù)交互設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上提出了一種用于控制器與多個(gè)智能IO功能單元數(shù)據(jù)交互的沖突仲裁機(jī)制。在AT96總線的基礎(chǔ)上增加一根沖突仲裁信號線的方法可實(shí)現(xiàn)控制器與多個(gè)智能IO功能單元沖突仲裁，并針對功能單元錯(cuò)誤編碼、內(nèi)存頁面切除錯(cuò)誤、硬件IO故障設(shè)置相應(yīng)的應(yīng)對措施實(shí)現(xiàn)故障處理。

【參考文獻(xiàn)】

[1]反應(yīng)堆數(shù)字化儀控系統(tǒng)安全級硬件平臺設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].核動(dòng)力工程，2013，3（1）.

[2]反應(yīng)堆數(shù)字化儀控系統(tǒng)安全級硬件平臺（MICON系統(tǒng)）設(shè)計(jì)及應(yīng)用[C].中國核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報(bào)告（第二卷），2011.

[3]數(shù)字化儀控平臺中基于AT96總線的數(shù)據(jù)交互設(shè)計(jì)[J].儀器儀表用戶，2019，26（04）.