[发明专利]严格访问及采样时间的分布式外围总线系统及其控制方法

说明书

本发明公开了一种严格访问及采样时间的分布式外围总线系统及其控制方法，该系统包括一个单总线主站和至少一个总线从站；其系统的物理层采用双冗余的低电压差分信号(LVDS)总线技术；其数据链路层采用实现FASTDP‑BUS链路协议的现场可编程门阵列(FPGA)或FASTDP‑BUS协议控制芯片实现，所述FASTDP‑BUS协议控制芯片采用专用集成电路(ASIC)方式实现；其应用层采用FASTDP‑BUS应用层协议规范，并通过工业标准体系结构(ISA)总线将FPGA或FASTDP‑BUS控制芯片映射到内部地址空间的CPU实现。采用本发明，能够有效提升基于总线的数据访问时间确定性、模拟量采样的时间确定性，同时简化总线数据机制。

技术领域

本发明涉及现场总线智能控制技术，尤其涉及一种严格访问及采样时间的分布式外围总线系统及其控制方法。

背景技术

现场总线将分布于现场的传感器、测控单元以及自动化控制系统等互联，实现输入输出(IO)数据的互通，为工业自动化控制系统的信息传输、信息控制提供了有力的支持。现场总线的种类多达百种，很多已经成为国际标准，例如：PROFIBUS、控制器局域网(CAN，Controller Area Network)、Device Net、INTERBUS、基金会现场总线(FF，FoudationField Bus)等，各自在控制系统中发挥着重要作用。

PROFIBUS总线采用主站令牌时间片轮转，其高优先级数据考虑多片段传输，以及主从轮询机制，传输速度最高12Mbps，具备标准现场总线功能，主要用于过程控制等在内的工业控制领域，但目前不能用于电力系统复杂继电保护装置；CAN总线多主站非破坏性发送冲突仲裁机制，最高速度1Mbps，报文8B字节以内，以及其他标准现场总线功能，主要用于汽车电子设备控制。INTERBUS总线采用主站控制的环形转发机制，传输数据长度不超过512位，传输速度不高于10Mbps，主要用于工业生产流水线；其它的总线也有各自特点，这里不再赘述。

近年来随着DCS、PLC、PAC等控制设备的应用领域不断扩展，比如扩展到电力系统、继电保护等领域，数据传输类型也相应得到了扩展。一方面，当前总线已经不能完全满足这些领域所要求的数据传输能力；另一方面，随着电子通信技术发展，市场涌现出众多新型电子及通信器件，当前的现场总线技术又显得有些落后亟待提高。目前的现场总线技术亟待从以下方面提升和解决：

1)传输速度有待提升。复杂工业生产控制、高压继电保护、紧急刹车等快速自动控制装置，需要实现大数量IO的微秒(μs)级别的数据采样速度，对板级速度要求都在100Mbps左右，甚至更高。目前主流的现场总线速度，尤其是板级现场总线速度很低，Profibus-DP代表该领域最高速度之一，但其速度不高于12Mbps。

2)传输时间确定性有待提升。复杂高速的工业生产控制、电力高压继电保护等快速自动装置，在相当的带点能力的要求下，要求IO数据同步采样，误差小于1μ秒，而目前现场总线无法达到该精度，限制在这些领域的应用。同时所涉及数据种类繁多，诸如实时IO数据、紧急控制数据、历史曲线数据、历史事件数据、录波数据、IO管理数据、诊断数据等，其传输的时间确定性、优先级控制都有所不同，目前现场总线技术尚有很大不足。

3)数据传递机制有待简化。当前现场总线在传输数据分类、串行总线的使用权的仲裁，以及数据的交互机制上也存在不足；FF总线采用传输令牌仲裁总线使用权，PROFIBUS采用主站令牌时间片轮转，其高优先级数据考虑多片段传输，以及主从轮询机制，以及CAN总线多控制域字段和短数据帧模式等，导致总线调度复杂，总线带宽有效使用率降低。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种严格访问及采样时间的分布式外围总线系统及控制方法，以有效提升数据传输速度、提升传输时间的确定性和简化数据传递机制。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种严格访问及采样时间的分布式外围总线系统，包括：