雙口RAM在自動化系統(tǒng)中的應用

    摘要：對雙口RAM操作中共享沖突的幾種方式進行了討論和分析。給出了防止這些共享沖突的基本方法，同時結(jié)合其在自動化系統(tǒng)中的應用給出了雙口RAM和現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)的接口應用方案。

    關鍵詞：雙口RAM；現(xiàn)場總線；工業(yè)以太網(wǎng)；CAN；DSP

１　引言

在現(xiàn)代工業(yè)測控系統(tǒng)中，由于對系統(tǒng)的功能和性能要求越來越高，一般都采用高性能的ＣＰＵ（如ＤＳＰ）或嵌入式系統(tǒng)（如３８６ＥＸ等?來實現(xiàn)測控功能，并將這些智能設備聯(lián)網(wǎng)組成自動化系統(tǒng)。在早期的應用中，設備聯(lián)網(wǎng)普遍采用ＲＳ２３２／ＲＳ４２２／ＲＳ４８５方式。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)在自動化系統(tǒng)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)展的一個趨勢。

測控設備的設計可以采用單ＣＰＵ系統(tǒng)完成整個測控功能和系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)功能，這樣做的缺點是使整個系統(tǒng)的軟件設計復雜，系統(tǒng)適應性差，ＣＰＵ負擔較重，影響系統(tǒng)的整體性能。另外一種做法是采用雙ＣＰＵ系統(tǒng)，即用一個ＣＰＵ完成測控功能，另一個ＣＰＵ完成系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)和接口通信功能。由于雙ＣＰＵ系統(tǒng)可按功能分開設計，因此可簡化系統(tǒng)軟件設計，使系統(tǒng)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(tǒng)的整體性能。

    ＣＰＵ間的通信可以采用串口、并口等方式，但它們共同的缺點是操作復雜、速度慢。因此，隨著價格的不斷下降，采用雙口ＲＡＭ方式在兩個ＣＰＵ系統(tǒng)間交換數(shù)據(jù)是一個不錯的選擇。但雙口ＲＡＭ有時會發(fā)生共享沖突問題。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都提供了兩個完全獨立的端口，每個端口都有自己的控制線、地址線和數(shù)據(jù)線，ＣＰＵ對雙口ＲＡＭ端口的操作等效于對它的外部ＲＡＭ進行操作。雙口ＲＡＭ在使用上要注意的問題是如何避免兩端ＣＰＵ對同一ＲＡＭ單元的爭用，一般來說，雙口ＲＡＭ可提供三種防沖突方式，下面結(jié)合ＣＹＰＲＥＳＳ公司的ＣＹ７Ｃ１４４進行說明。ＣＹ７Ｃ１４４是采用低功耗ＣＭＯＳ工藝生產(chǎn)的８×８ｋ位容量、高速存取（２０ｎｓ）的雙端口靜態(tài)ＲＡＭ，它還可以用多芯片級聯(lián)來擴展字寬，其內(nèi)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

當左右端口同時對同一地址的ＲＡＭ存儲單元進行存取時，ＣＹ７Ｃ１４４芯片內(nèi)部的仲裁單元將會給出ＢＵＳＹ信號。具體來說，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行存取時，若右端口也對該存儲單元進行操作，則芯片內(nèi)部的仲裁單元會使信號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在操作過程中插入等待狀態(tài)，避免兩端同時對雙口ＲＡＭ進行操作。

２．２ 信號燈防沖突方式

雙口ＲＡＭ通過申請和釋放端口的信號燈（也稱為令牌）來操作存儲單元可以避免發(fā)生沖突。一個信號燈對應相應數(shù)量的存儲單元。雙口ＲＡＭ的兩端均可對信號燈進行存取。當左端口向信號燈寫入“０”再回讀信號燈時，若信號燈也為“０”表示左端口擁有對存儲單元的控制權(quán)，否則表示右端口擁有對存儲單元的控制權(quán)。不管是否取得對存儲單元的控制權(quán)，操作完成后都應向信號燈寫入“１”以釋放信號，從而避免資源的死鎖。

ＣＹ７Ｃ１４４芯片提供８個信號燈，每個信號燈的存儲單元為８×２ｋ位。對信號燈進行操作時，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(shù)據(jù)線最低位Ｉ／Ｏ０代表信號燈的值。對存儲單元存取的一般過程如圖２所示。

２．３ 中斷防沖突方式

雙口ＲＡＭ中最高地址的兩個存儲單元可以作為信箱使用，左右兩端可以同時對它進行操作。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。右端口寫入左端口信箱１ＦＦＥＨ時，左端口的信號ＩＮＴＬ將變?yōu)榈?，左端口讀自己的信箱１ＦＦＥＨ時，信號ＩＮＴＬ將重新為高；同理，左端口寫入右端口信箱１ＦＦＦＨ時，右端口的信號ＩＮＴＲ將變低，右端口讀自己的信箱１ＦＦＦＨ時，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矗ㄟ^信箱向?qū)Ψ絺鬟f自己使用存儲單元的狀態(tài)來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說會影響數(shù)據(jù)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ＣＰＵ共享內(nèi)存空間時，如果雙口ＲＡＭ主要用于兩個ＣＰＵ之間交換數(shù)據(jù)，則交換的實時性很難用軟件來保證，而中斷方式則正好解決了這個問題。

３ 在自動化系統(tǒng)中的應用方案

在變電站自動化系統(tǒng)中，保護、測量、控制一體化的設計應用越來越廣泛，一般來說，保護測控裝置的功能在設計之后不會有太大的變化，但數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡受性能、價格、硬件、軟件、用戶策略等諸多因素的影響，目前在選擇何種“接口網(wǎng)絡”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)絡的設計中，筆者采用了雙ＣＰＵ系統(tǒng)，其中一個ＣＰＵ完成保護測控功能，一個ＣＰＵ完成網(wǎng)絡通信功能，兩個ＣＰＵ之間用雙口ＲＡＭ交換信息。網(wǎng)絡通信ＣＰＵ以插件的形式和保護測控ＣＰＵ按照統(tǒng)一的接口連接，網(wǎng)絡通信介質(zhì)接口也以插件的形式進行選擇。這樣設計的最大好處是可以根據(jù)系統(tǒng)性能和用戶要求來選擇不同的通信ＣＰＵ插件以滿足自動化系統(tǒng)的組網(wǎng)需要，并可在通信插件上實現(xiàn)不同的通信協(xié)議，而保護測控功能部分不用進行任何修改；通信介質(zhì)接口插件主要分為雙絞線方式和光信號方式兩種，可以根據(jù)現(xiàn)場應用需要進行選擇。

系統(tǒng)ＣＰＵ的組成如圖３所示，將通信ＣＰＵ插件和通信介質(zhì)接口插件組合起來可滿足實際工程和不同用戶的需求。對保護測控ＣＰＵ而言，雙口ＲＡＭ被劃分為兩個區(qū)域，其中數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)是通信ＣＰＵ插件向其發(fā)送命令和數(shù)據(jù)的區(qū)域；數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)是它向通信ＣＰＵ插件發(fā)送數(shù)據(jù)的區(qū)域。為了保證數(shù)據(jù)交換的實時性和有效性，可采用雙口ＲＡＭ的中斷方式通知對方，信號ＩＮＴＬ和ＩＮＴＲ可作為ＣＰＵ的一個中斷輸入。數(shù)據(jù)交換時，先將數(shù)據(jù)放入對應的雙口ＲＡＭ存儲區(qū)，然后寫入對方信箱，以通知對方有數(shù)據(jù)發(fā)送；接收方在相應的中斷中對數(shù)據(jù)進行處理，同時讀自己的信箱以清除中斷信號，然后再寫入對方信箱以告知其數(shù)據(jù)已處理完畢。

４ 接口示例

根據(jù)上述設計思想，筆者選擇ＡＤ公司的ＡＤ-ＳＰ－２１０６５作為測控ＣＰＵ系統(tǒng)的主處理器。下面以ＣＡＮ總線和以太網(wǎng)接口為例來介紹與雙口ＲＡＭ的連接方法。

４．１ ＣＡＮ總線通信插件

近年來，現(xiàn)場總線標準及其應用技術(shù)日益成為國際自動控制領域關注的一個焦點。ＣＡＮ總線是德國Ｂｏｓｃｈ公司為解決汽車中眾多數(shù)據(jù)交換問題而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，是目前公認的幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。它的通信介質(zhì)可以是雙絞線、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(nèi)核為８０Ｃ５１單片機，并內(nèi)帶ＣＡＮ控制器，可支持ＣＡＮ２．０Ｂ協(xié)議。其系統(tǒng)組成原理圖如圖４所示。

    設計時，可將ＡＤＳＰ－２１０６５的ＭＳ３作為讀寫雙口ＲＡＭ的片選信號，對應地址為０ｘ０３００００００－０ｘ０３００１ｆｆｆ。若將Ｐ８０ｃ５９２外部存儲器尋址空間的高端３２ｋＢ作為雙口ＲＡＭ的地址，則雙口ＲＡＭ的尋址范圍為０ｘ８０００－０ｘ９ｆｆｆ，它的外部中斷１可用于雙口ＲＡＭ的中斷輸入。

４．２ 以太網(wǎng)接口通信插件

變電站通信體系結(jié)構(gòu)ＩＥＣ６１８５０協(xié)議推薦使用的傳輸網(wǎng)絡是以太網(wǎng)，因此，以太網(wǎng)接口的設計具有非常重要的現(xiàn)實意義。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、低廉的價格，而在市場上１０Ｍｂｐｓ網(wǎng)卡中占有相當?shù)谋壤?，設計時筆者就選擇了該以太網(wǎng)控制器，并選用８９Ｃ５２單片機來控制ＲＴＬ８０１９ＡＳ實現(xiàn)以太網(wǎng)接口，其系統(tǒng)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(jié)

利用雙口ＲＡＭ在ＣＰＵ之間傳送數(shù)據(jù)具有傳送速率高、實時性好、可靠性高、電路簡單等優(yōu)點，而采用插件形式來構(gòu)成自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡使系統(tǒng)具有良好的適應性和擴展性，能夠很好地滿足用戶的需求。筆者按照這種思路設計的鐵路牽引變電所自動化系統(tǒng)就充分利用了該特點。