功能安全plc背板通信组件及通信方法
[0060]如图1所示，本发明由功能安全背板、背板延长器、终端匹配器组成，其中:
[0061]本实例的功能安全背板总线结构图如图1所示，包含2个电源模块，2个控制器，最多32个I/O模块，2个终端匹配器和4个无源延长器。每个I/O模块均通过功能安全背板连接，I/O模块与控制器之间通过背板多串行总线连接，背板总线采用菊花链方式连接；电源模块负责为控制器和从站模块供电，且电源模块也支持冗余，终端匹配器完成差分信号的阻抗匹配，无源背板延长器完成I/O模块扩展。
[0062]如图2所示，功能安全背板在硬件上由三部分组成，左连接器、模块插槽、右连接器。左/右连接器用于功能安全背板之间连接。模块插槽可为I?6个，本实施例为6个，用于安装电源、控制器和扩展模块，由于空间原因，图2未全部画出。
[0063]如图2所示，功能安全背板在原理上由电源通路、串行差分总线通路、RS48串行差分总线通路、高速差分总线通路、功能安全背板地址形成通路，模块可靠性插入检测电路，背板地址奇偶校验电路等几部分组成。其中:
[0064]电源通路，为本地模块供电，并为与其连接的下一个背板供电，电源通路支持冗余；
[0065]插拔可靠性检测电路，模块通过检测该标志，能够确定模块是否可靠地插入，在背板模块插槽的两端各有一个插拔可靠性标志端口，模块通过检测这两个端口能够验证模块是否可靠地插入功能安全背板；
[0066]奇偶校验电路，对背板地址进行奇偶校验，在背板插槽上有一个奇偶校验端口，背板偶地址时，该位为高电平，奇地址时，该位为低电平，进一步保证背板地址检测的可靠性；
[0067]如图3所不,背板地址工作原理,背板的每一个槽位有一个电阻，所有电阻依次串联，最后在右终端匹配器端接地。控制器输出一个恒定电流，电流经过电阻产生压降，模块根据P1-P0、P2-P0的电压差值可以计算模块的物理地址，同时P2与Pl的电压差值为固定值，其连接关系和管脚功能见如下定义和附图3。
[0068]图3背板地址形成及检测电路管脚定义如下:
[0069]PO—背板电源电缆压降检测，在右终端匹配器端接地。控制器通过检测PO电压可以计算电源电缆的实际压降。从站模块将PO作为Pl和P2两个电压输入通道公共端。
[0070]Pl—电阻左侧电压，用于计算从站模块的物理地址。同时作为控制器电流输出端。控制器冗余时，只有主控制器输出电流。
[0071]P2电阻右侧电压，用于计算从站模块的物理地址。
[0072]PO，、P1，、P2，:冗余通道，功能与 PO、P1、P2 相同。
[0073]功能安全背板上有两种串行总线，其中按照速度划分，可分为低速串行总线和高速串行总线两种，
[0074]I)低速串行总线，采用1Mbps (最高32Mbps)半双工异步通信，物理层为RS-485通信方式，具有两组低速串行差分总线，其中一组用于与I/o模块传输数据，另一组用于时钟同步，每组低速差分总线支持冗余，控制器与I/o模块采用主从查询方式通信，控制器发送读写请求给I/o模块，I/O模块根据请求返回相应的响应，通过可编程逻辑器件实现控制器与I/O模块的数据传输，提高系统的安全性和系统的通信速度；
[0075]2)高速串行总线，采用50Mbps (最高100Mbps)半双工异步通信，物理层为MLVDS方式，具有一组高速串行差分总线，差分总线支持冗余，软件上采用曼彻斯特编码方式进行通信，通信采用主从查询方式，高速串行总线有两个功能，分别为:完成控制器与总线模块之间数据的高速传输；高速串行总线的曼彻斯特编码既能够降低系统时钟频率，又能够提高数据传输的可靠性，编码中每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既做时钟信号，又做数据信号，能够防止时钟同步的丢失，具体编码格式如图4所示。
[0076]控制器与功能安全背板配合完成背板通信功能，控制器为双CPU和可编程逻辑器件相组合的架构，控制器可以是带诊断的一选一或者带诊断的一选二系统表决结构，可编程逻辑器件作为背板通信数据的缓存充当双口 RAM的功能，还可以进行底层通信通道的控制及背板数据的解析和过滤工作。控制器CPU与可编程逻辑器件之间为标准的SRAM接口通信，地址与数据总线独立，控制器CPU通过其外部存储器接口可以以较高的速度完成数据的读写，由于使用外部存储器接口，可以方便的实现16位的数据读写操作，无需进行复杂的配置工作。可编程逻辑器件与CPU之间直接连有中断信号，可编程逻辑器件产生中断请求信号后，CPU可以读取可编程逻辑器件接收到的数据，并通过中断寄存器清除中断。
[0077]I/O模块硬件结构为单CPU和可编程逻辑器件相组合的结构，I/O模块CPU不具备外部存储器接口，但是由于可编程逻辑器件的存在，通过可编程逻辑器件的逻辑设计，仍然能够像外部存储器接口那样方便的实现CPU与可编程逻辑器件之间的数据传输，首先，I/O模块本地CPU通过地址数据复用端口给出要读写数据的首地址，然后进行地址锁存，接着通过地址数据复用端口连续给出数据，在读写信号的控制下，可编程逻辑器件在完成一次读写操作后，地址自动加1，当地址锁存信号无效时，表明本次读写操作完成，通过该设计，I/o模块依然能够以较快的速度完成CPU与可编程逻辑器件的数据传输。
[0078]对可编程逻辑器件的读写操作，以控制器通过功能安全背板对从站1 模块I进行读操作为例，包含以下步骤:
[0079]如图5所示，按照功能安全背板的通信协议，控制器通过发送数据包到本地可编程逻辑器件中，然后使能发送使能寄存器，本地可编程逻辑器件通过背板RS-485低速串行总线发送数据到从站AO模块的可编程逻辑器件中，从站1 通过对接收到的数据进行解析和地址过滤后，1 模块I的中断请求端口被置位，向本地CPU请求中断，请求一次读数据操作，本地中断服务程序对读到的数据包进行解析，根据命令帧的要求上传数据到本地可编程逻辑器件中，然后本地CPU启动发送使能，可编程逻辑器件通过低速串行总线接口发送数据给控制器，CPU通过中断寄存器清除中断。
[0080]特别地，数据包格式如图5所示，包含数据包头，安全层报文，应用层报文，4个字节的CRC数据校验，数据包尾，其中，数据包头和数据包尾分别为4字节的数据包起始和结束界定标识，安全层数据报文格式如图6所示，具体为:
[0081]报文类型:
[0082]OxAF安全相关报文
[0083]OxFA---安全无关报文
[0084]目标地址:数据报文到达的目标地址，即模块插槽号
[0085]源地址:发出数据包的源标地址，即模块插槽号
[0086]如图7所示，安全层子报文头数据帧格式:
[0087]服务码:安全层协议服务类型
[0088]OxAO—控制器探测1 模块是否在线请求
[0089]0xC2—控制器离线配置服务请求
[0090]OxDO—控制器过程请求交互数据服务
[0091]从站逻辑地址:从站逻辑地址作为1 模块的唯一标识。1 模块出厂前已指定它独一无二的站逻辑地址，该地址的取值从O到65535不等(从站逻辑地址可以认为是MAC地址)；
[0092
文档序号 :
【 8411760 】
技术研发人员：康凯,张彦武,康凯,魏剑嵬,张猛
技术所有人：沈阳中科博微自动化技术有限公司
备 注：该技术已申请专利，仅供学习研究，如用于商业用途，请联系技术所有人。
声 明 ：此信息收集于网络，如果你是此专利的发明人不想本网站收录此信息请联系我们，我们会在第一时间删除
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