基于CAN總線的模塊化冗余PLC結(jié)構(gòu)設計

賈甜

摘 要：為了滿足惡劣環(huán)境下計算機系統(tǒng)的高可靠性需求，將冗余技術結(jié)合到CAN總線模塊的硬件設計與軟件開發(fā)中，介紹其總體方案、硬件設計方法，給出了部分實現(xiàn)細節(jié)及設計流程。測試結(jié)果表明，此設計可成功實現(xiàn)CAN冗余模塊在總線故障情況下的冗余切換，提高了設備可靠性。

關鍵詞：雙冗余;CAN;模塊化;PLC

中圖分類號：TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：2095-1302（2015）01-00-02

0 ?引 ?言

冗余可編程工業(yè)控制器是一種新型的可編程工業(yè)控制器，在通用性，可靠性等方面比傳統(tǒng)可編程工業(yè)控制器更有優(yōu)勢。在總結(jié)可編程工業(yè)控制器的基本結(jié)構(gòu)，工作原理基礎上，提出了一種基于ATMEL公司的ARM9微控制器AT91SAM9M10-G45的可編程工業(yè)控制器的設計方案。

1 ?CAN總線的發(fā)展及前景

CAN總線是德國BOSCH公司為解決汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。在多年的應用過程中，CAN以它卓越的特性、極高的可靠性在工業(yè)過程監(jiān)控設備的互連方面得到廣泛的應用。本測控系統(tǒng)采用 CAN總線作為分布式控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信部分，正是利用了CAN總線的實時性和可靠性的特點。CAN 總線是一種串行通信總線，傳輸介質(zhì)可以為雙絞線、同軸電纜和光纖。通信速率最高達到1 Mb/s，可掛接設備最多可達110個，支持點對點、一點對多點和全局廣播的傳輸方式。

2 ?模塊化PLC結(jié)構(gòu)

模塊化結(jié)構(gòu)的可編程工業(yè)控制器將CPU模塊、存儲模塊、I/O模塊、電源模塊、通訊模塊的工作單元分別模塊化。各個模塊插在卡槽上用螺絲固定，各個模塊之間用通信電纜連通，通過總線進行通信。模塊化結(jié)構(gòu)的可編程工業(yè)控制器配置比較靈活，需要哪些模塊就配置哪些模塊，目前大中型PLC都已經(jīng)采用了這種結(jié)構(gòu)。模塊化的可編程工業(yè)控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

圖1 ?系統(tǒng)總體框架

3 ?冗余PLC測控系統(tǒng)架構(gòu)

硬件冗余的可編程工業(yè)控制器是通過系統(tǒng)硬件實現(xiàn)冗余所需的數(shù)據(jù)同步以及主備設備的切換。系統(tǒng)由主/備兩套PLC系統(tǒng)組成。在系統(tǒng)啟動階段，主/備兩個CPU模塊、通信接口A和B、主/備I/O模塊、主/備總線等冗余設備由手動設備其中的一個為主設備，另一個設備為備用設備。I/O模塊與現(xiàn)場的儀表通過FAT模塊進行數(shù)據(jù)通信。雙PLC冗余測控系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示：

圖2 ?雙PLC冗余測控系統(tǒng)架構(gòu)

4 ?模塊化冗余PLC的架構(gòu)

針對上述PLC整機冗余技術的特點，我們提出基于雙CAN總線模塊化冗余PLC設計，系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

整套冗余系統(tǒng)啟動后，CPU模塊首先進行冗余功能軟件初始化。主/備CPU相互發(fā)出握手信號后，反饋給冗余模塊，主CPU處于工作狀態(tài)，備用CPU處于熱備狀態(tài)。主CPU將工作中的通信數(shù)據(jù)實時的備份給備用CPU。同時備用CPU不斷檢測主CPU的工作狀態(tài)，一旦主CPU發(fā)生故障，主CPU就會發(fā)出一個錯誤的握手信號給備用CPU，備用CPU立即激活，備用CPU再瞬間無擾切換的主動狀態(tài)接替主CPU的繼續(xù)工作，同時發(fā)出一個備用CPU啟動的信號給上位機，通知設備維護人員對先前的主CPU進線維護。主CPU執(zhí)行讀取輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、拷貝冗余數(shù)據(jù)、分析狀態(tài)等操作;備用CPU接受主CPU熱備的冗余數(shù)據(jù)，只有當接替主CPU的工作時才會擁有主CPU的一切功能。

圖3 ?雙 CAN總線模塊化冗余PLC結(jié)構(gòu)

4.1 ?CPU模塊結(jié)構(gòu)設計

CPU模塊是可編程工業(yè)控制器的核心。CPU處理器主要完成數(shù)據(jù)處理、運算與外設通訊等功能。AT91SAM9M10-G45芯片內(nèi)部資源比較豐富，外圍擴展接口也比較豐富。在本文所設計的可編程工業(yè)控制器中主要是利用該芯片擴展外部存儲器、靜態(tài)存儲器、E2PROM、DDR2 SDRAM、電源控制單元、串行外設接口（SPI）、I/O控制器、定時器、以太網(wǎng)接口、USB接口、UART接口等。CPU模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 ?CPU模塊硬件結(jié)構(gòu)

4.2 ?雙CAN總線I/O模塊結(jié)構(gòu)

I/O模塊采用基于Microchip的dsPIC30F6014單片機開發(fā)設計。該單片機采用精簡指令集（RISC），哈佛總線結(jié)構(gòu)，流水線取指令方式，具有實用、低價、低功耗、功能和抗干擾能力強等優(yōu)點。它內(nèi)含12位A/D轉(zhuǎn)換器（200 kS/s）、內(nèi)部E2PROM存儲器、比較輸出、I2C和SPI接口、異步串行通信（USART）接口等，具有強大的數(shù)字信號處理能力。模塊如圖5所示。

圖5 ?I/O模塊結(jié)構(gòu)圖

5 ?結(jié) ?語

本文在內(nèi)核CPU硬件設計中核心處理器主芯片選用的是Atmel公司的AT91SAM9M10-G45的ARM9芯片，外部擴展了一片256 MB的NandFlash存儲器和4片64 MB的DDR2 SDRAM存儲器，本文研制的可編程工業(yè)控制器已經(jīng)基本達到了預期的效果，運行結(jié)果表明該可編程工業(yè)控制器在技術上有一定的可靠性。

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