基于CAN總線的模塊化冗余PLC結構設計

賈甜

摘 要：為了滿足惡劣環境下計算機系統的高可靠性需求，將冗余技術結合到CAN總線模塊的硬件設計與軟件開發中，介紹其總體方案、硬件設計方法，給出了部分實現細節及設計流程。測試結果表明，此設計可成功實現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

冗余可編程工業控制器是一種新型的可編程工業控制器，在通用性，可靠性等方面比傳統可編程工業控制器更有優勢。在總結可編程工業控制器的基本結構，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的可編程工業控制器的設計方案。

1 ?CAN總線的發展及前景

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據交換而開發的串行數據通信協議。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過程監控設備的互連方面得到廣泛的應用。本測控系統采用 CAN總線作為分布式控制系統的網絡通信部分，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結構

模塊化結構的可編程工業控制器將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。模塊化結構的可編程工業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都已經采用了這種結構。模塊化的可編程工業控制器的結構框圖如圖1所示：

圖1 ?系統總體框架

3 ?冗余PLC測控系統架構

硬件冗余的可編程工業控制器是通過系統硬件實現冗余所需的數據同步以及主備設備的切換。系統由主/備兩套PLC系統組成。在系統啟動階段，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模塊與現場的儀表通過FAT模塊進行數據通信。雙PLC冗余測控系統架構如圖2所示：

圖2 ?雙PLC冗余測控系統架構

4 ?模塊化冗余PLC的架構

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，系統架構如圖3所示。

整套冗余系統啟動后，CPU模塊首先進行冗余功能軟件初始化。主/備CPU相互發出握手信號后，反饋給冗余模塊，主CPU處于工作狀態，備用CPU處于熱備狀態。主CPU將工作中的通信數據實時的備份給備用CPU。同時備用CPU不斷檢測主CPU的工作狀態，一旦主CPU發生故障，主CPU就會發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接替主CPU的繼續工作，同時發出一個備用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執行讀取輸入數據、輸出數據、拷貝冗余數據、分析狀態等操作;備用CPU接受主CPU熱備的冗余數據，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結構

4.1 ?CPU模塊結構設計

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

圖4 ?CPU模塊硬件結構

4.2 ?雙CAN總線I/O模塊結構

I/O模塊采用基于Microchip的dsPIC30F6014單片機開發設計。該單片機采用精簡指令集（RISC），哈佛總線結構，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點。它內含12位A/D轉換器（200 kS/s）、內部E2PROM存儲器、比較輸出、I2C和SPI接口、異步串行通信（USART）接口等，具有強大的數字信號處理能力。模塊如圖5所示。

圖5 ?I/O模塊結構圖

5 ?結 ?語

本文在內核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控制器已經基本達到了預期的效果，運行結果表明該可編程工業控制器在技術上有一定的可靠性。

參考文獻

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