CPCI总线下的控制计算机设计方案研究

摘 要 本文讨论的主旨是就是CPCI总线下控制计算机的冗长设计，首先介绍的是CPCI总线下控制计算机的原理，接着是冗长方案的设计和实现，最后探讨的是选择数据共享的方式。

【关键词】CPCI总线 控制计算机 冗长设计

控制计算机作为整个系统的核心组合部分，可以实现控制信号的发送，以及采集和判断控制信号，并且还能够对外部通路的电阻进行测量，除此之外还可以捕获外部设备网络的地址，还可以对相应的IP地址进行动态的分配和管理。上面提到的是控制计算机在系统中的典型应用，除此之外还有其他的应用没有被写出，但是这也并不影响控制计算机作为核心部件的重大作用，下面我们就来具体的讨论CPCI总线下的控制计算机的设计方案研究问题。

1 CPCI总线下控制计算机的原理

CPCI总线下的控制计算机的优势来源就是冗余设计，冗余设计非常精巧并且可以采用的方式有很多，根据不同的分类方式，冗余会有不同的设计方式，比如按照在系统中位置的不同，冗余有原件级、系统级、部件级之分；还可以根据冗余的程度将冗余分为1：n的冗余，其中n可以取非零的正整数；除此之外冗余还有工作方式的区别，按照工作方式的不同，冗余还可以被分为冷备份的冗余和热备份的冗余，由此可见，冗余设计可以采用的方式非常丰富，这也是为什么冗余设计可以满足各种各样工作的需要。目前使用最广泛的是1：1系统级冷备份的冗余方式，这是根据CPCI总线下的控制计算机的特点，尤其是模块化的特点来考虑的，此外这种冗余设计对整个系统有很好的适应性，并且还可以简化装置，这些特点是其他冗余设计所没有的，和其他冗余设计相比较，1：1系统级冷备份的冗余方式的成本也比较低，所以使用的范围很广泛，下面本文就依据此系统来介绍CPCI总线下的控制计算机的工作原理。

CPCI总线下冗余设计控制的计算机系统总共有两个独立的互不干扰的计算机构成，并且这两台计算机都有自己的I/O信号，这样如果其中一台停止工作，就可以切换控制电路完成的信号，然后转接到另一台计算机的I/O信号接口上，使得可以工作的计算机信号接口对外进行连接，由于两台计算机的软硬件配套都完全相同，所以可以进行任意自由的连接，来保证整个系统可以正常工作。其中计算机系统中的扩展板装置，在CPU板的CPCI总线控制下，可以根据系统工作的需要，来设计控制的接口，整个系统设计的时候共有4个扩展板的槽位，但是在实际工作中可以根据需要，还可以再增加三个扩展板的槽位，为了保证系统的稳定运行，设计的有两个储存器，CPCI总线下的控制计算机的原理可以用图1来表示。

2 CPCI总线下的控制计算机的设计方案

2.1 双电源互锁的设计

互锁技术设计的主要目的是为了防止两个部件在同一时间段都进行工作，这样会产生很大的影响造成系统运行的障碍，互锁装置的设计就能够很好的保证只有一个部件处于工作的状态，只有在其中一个设备出现故障的情況下，另一个部件才会进行工作，互锁设计是整个系统稳定运行的保障，所以系统的两个计算机系统都有互锁设计的应用，下面我们根据具体的设计图来进行详细的介绍。

如图2所示，互锁设计采用的双电源，每个电源都可以有不同规格的电压输出，一般情况下有+5v和3.3v两种，本文介绍的系统是以+5v规格的电压输出为例子的。每个电源都有相同的输出端口，具体包括的有EN使能端、DC28v输入端、互锁控制信号的输出端、+5v输出端，其中的EN使能端能够控制电源的转换模式，只有DC-DC的模块进行转换之后，电源才会启动，EN使能端还有一个作用是和另一个计算机电源上的互锁输出信号端口进行互联。EN使能端的运行受到其他情况的限制，当处于低电平或者外部的输出电压为28v的时候，电源是不能够输出+5v的电压的，也就是说整个系统是不能进行工作的。但是当EN使能端处于低电平，输出+5v的电压的电压，系统处于工作状态的时候，互锁控制的信号输出端是处于低电平的。总结上述说法，双电源互锁设计的工作方式是，当电源1处于不工作状态的时候，如果外部的接入电压为28v，电源2就会输出+5v的电压，这个时候处于工作状态的还有DC-DC的控制电源的转换模块，并且互锁控制信号处于高电平的状态。

2.2 切换控制的设计

切换装置指的主要是两台计算机之间I/O信号之间的相互切换，不管是那一台计算机进行工作，切换装置都处于工作的状态，我们根据具体的工作原理图来对切换控制的设计即兴介绍，切换控制的工作原理图如图3所示。

两个电源能够进行不间断的工作的原因是2JT5-2继电器选择器的使用，这是因为两个电源输出的+5v和3.3v的电压输出信号都可以被继电器接收，这就能保证不管哪一个电源处于工作的状态，继电器都可以输出相应的电压来保证整个装置的正常运行。切换电路中切换器件可以有以下几个选择：不同的切换信号选择是不同的转换器，如VGA显示信号选用的是MAX4885专用切换器；一般的信号采用的是MAX4761切换器件。但是以太网信号不适合采用切换器件，所以对于以太网的信号切换设计了四条切换电路，来专门用于以太网信号的转换。

2.3 测量板和控制板的设计

测量板的设计需要考虑外部通道的电阻值，这是因为控制计算机要借助电阻的功能，但是系统的设计不适合设置直接测量电阻值的接口器件，所以对于这个问题，采用的是DA转换电路，其功能是为需要测量的设备提供电流的信号，并且为了测量电阻值，还需要用到AD转换接口，其目的是为了采集被测量设备两端的电压，测得电压和电流之后，运用欧姆定律，来就算需要测量设备的电阻值。为了减缓计算机CPU的压力，还在测量板上设计了FIFO缓存电路，同时还设计出了DA输出测量的电路，输出测量电路的作用是为了将输出的电流信号转换为电压的信号，这样便于AD电路的采集，实现自动测试的目的。

控制板的作用是为了采集和判断对外控制信号的输入和输出，为了实现局部总线和CPCI总线的连接，采用的是PCI9052；为了实现寄存器的分配、地址的译码、以及始终的调频等，FPGA采用的是EPM7256。信号输入输出电路都由两种不同的电路组成，其中光电隔离电路和信号的驱动电路组成了信号的输出接口电路；信号整形电路和光电隔离电路构成了信号输入接口的电路。其中对于通道的测试是设计控制板的重要工作，设计的原理是使寄存器产生TTL高电平的信号，这种信号最终是要被传输到需要测量的通道上的，但是在那之前，信号还需要通过光电隔离电路和驱动电路。

3 数据共享问题的讨论

数据是对每一个系统的安全稳定运行都有着重要的作用，并且如果系统的复杂程度比较高，还需要提高数据的使用率。冗余设计有两套计算机系统，并且两个计算机系统是彼此的备用，所以并不会同时处于工作的状态，但是每一台计算机在投入使用的时候，都会产生一定的数据，为了保证整个设备的完整运行， 需要将两个计算机系统中的数据进行共享的设置。传统的共享方式是使用第三方储存器将一台计算机里的数据拷贝到另一台计算机中，这个方法的原理非常的简单明了，便于理解，并且需要的操作技术也很低，很容易被人们掌握。但是这个共享的方式也存在着诸多问题，比如运行的时间比较长，并且还可能影响其他零部件的使用，还有一点需要注意的是如果设备出现故障，数据不能拷贝的情况下，这个共享的方式就失去了使用的价值。

所以为了使系统中的数据能够得到更好的使用，设计出一种新对IDE信号的切换方式，这样保证了不管是哪一台计算机处在工作的状态，系统都可以访问两个储存器。这个设计的原理是，因为两个计算机系统的储存器都配有下相同的操作系统和相关的若干软件，这样就可以通过任意一个储存器来启动系统，并且当系统启动之后，另一个储存器中的數据也可以被访问，这样就获得了两个计算机系统中的全部数据，实现了数据的共享，保障了整个装置的正常稳定使用。

4 结束语

CPCI总线下控制计算机的设计方案主要指的是冗余技术的设计，这个设计保证了系统的稳定工作，也提高了系统的可靠性。虽然从一方面来说，冗余设计在系统中的使用给增加了系统的复杂程度，也会消耗更大的人力和物力资源，但是我们要从整体看问题，总的来说，冗余设计给系统的带来益处还是大于弊端的，其中最显著的还是系统可靠性的增加。所以，控制计算机系统中引入冗余设计是非常明智且有必要的。

参考文献

[1]卜颖.一种基于CPCI总线的控制计算机设计[J].工业控制计算机，2013，05（08）：68-69.

[2]黄盛.CPCI总线下的控制计算机设计方案[J].无线互联科技，2015，20（03）：92-93.

[3]郭峰，沈浩，王勇.基于CPCI总线冗余控制计算机的设计与实现[J].计算机测量与控制，2010，11（01）：2570-2572.

作者简介

张天莹（1976-），男。大学本科毕业。现供职于北京通建泰利特智能系统工程技术有限公司（高级职称）。研究方向为智能系统开发。

作者单位

北京通建泰利特智能系统工程技术有限公司 北京市 100080