FPGA控制器实用新型专利申请书

说明书摘要

本实用新型公开了一种新型快连锁保护器，所述控制器采用FPGA软硬件技术，具备标准CPCI接口，采用最新LINUX内核驱动编程技术。本实用新型阐述的快连锁保护器安装在光源快连锁保护系统中，满足了快连锁系统对于us级响应时间的需求，同时可快速方便更改连锁逻辑，避免了需要重新设计电路周期长，设计复杂等缺点，从而为进一步提高快连锁保护系统性能，指明了方向。

权利要求书

1、一种基于CPCI总线的多路I/O可动态重构的快连锁控制器，其特征在于：基

于CPCI总线(1)、多路I/O(2)、可动态重构(3)、相应时间达到几十us量级(4)。

2、根据权利要求1所述，控制器采用标准的CPCI接口，可与任何采用此类接口

的CPU板块进行连接，提高了系统的稳定性和延展性。

3、根据权利要求2所述基于多路I/O的控制器，每路I/O都可由用户自定义输入

或者输出，克服了一般硬件线路固定输入输出的缺点，具备更多的灵活性。

4、根据权利要求3所述的可动态重构特性，通过预先编写的专用设备驱动程序

以及考虑详尽的FPGA逻辑，提供用户通过上位机软件对控制器内部的逻辑进行动态可重构定义，避免了通常繁琐的FPGA硬件编程，适用于各种需要修改连锁逻辑的控制系统。

5、根据权利要求4所述的快连锁特性，整个系统对于外部信号的响应时间完全

由硬件电路实现，可达到几十us量级，适合各种对连锁时间要求有着严格限制的高端连锁控制系统。

说明书

基于CPCI总线的多路I/O可动态重构的快连锁控制器

技术领域

本实用新型涉及一种快连锁控制器，特别适用于大型控制系统中对连锁保护时间有苛刻要求以及灵活配置要求的连锁系统。

背景技术

连锁保护系统是现代大型分布式控制系统中重要组成部分之一，目前国内外比较流行的方式是采用PLC来实现控制流程和部件间的安全连锁逻辑，从而达到保护关键设备的目的。但是传统PLC一般响应时间在几十ms级别甚至更长，无法满足那些对时间有苛刻要求的快连锁保护系统需要。以国家大科学装置上海光源的EPICS控制系统为例，由于光束线站的真空快泄露连锁保护系统要求响应时间在苛刻的1ms量级，一般的PLC无法满足需要。因此，类似的国内外装置中，都采用定制的硬件电路来实现固定的连锁逻辑。一旦连锁逻辑发生改变，此类硬件线路需要开发人员重新设计，因此存在价格昂贵，制造周期长等缺陷。随着现代电子技术，特别是嵌入式软硬件模块化、标准化以及FPGA的发展，为我们提供了一种设计可重构快连锁控制器的可能。此控制器主要具备以下特点；1，采用标准的CPCI总线；2，多个输入输出之间的逻辑关系可根据用户自行设定连锁逻辑进行重构。

实用新型内容

控制器采用CPCI接口，支持128个独立的I/O通道，这些通道可由PC 机通过TCP/IP接口，设置成输入和输出两种状态，同时可以修改输入通道和输出通道的关联。当输入输出接口状态发生改变时，可以通过中断方式回馈更新PC机软件显示的所有通道状态。

以ALTERA公司的FPGA芯片为算法控制核心核心，在外围分别搭建包括CPCI接口，电源模块，高速I/O接口，并且在本控制器中充分考虑电磁干扰对控制器的电源部分进行设计时对各供电线路进行了分区隔离。

驱动程序开发采用符合LINUX 2.6版本内核标准的DRIVER，以模块形式加载到系统内核中。

FPGA采用VHDL语言，控制一共128个通道，通过VHDL编程以及硬件电路的优化设计，每个通道可以对应FPGA的两个管脚，一个作为输入，一个作为输出。每个输出通道最高可对应127个输入通道，考虑到连锁安全要求，所有输入通道都是以高电平为有效的，设输出通道X对应的有效输入通道为NX，NX为8*16bit数，有效的输入通道位为1，其余为0。NX存储到相应的EEPROM空间。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图；

图2 为本实用新型的I/O端口部分原理图

图3为本实用新型CPCI接口部分原理图

图4为本实用新型PC104接口原理图

图5为本实用新型时钟及电源部分原理图

图6为本实用新型FPGA原理图

具体实施方式

本控制器系统上电后，FPGA从EEPROM中读出连锁逻辑配置文件，根据逻辑，设定128个I/O口的输入输出状态以及相应逻辑关系。当输入端口的电平发生变化时，根据内置的逻辑关系，控制器在几十us量级的响应时间内，改变输出端电平，从而实现快速连锁功能。同时，FPGA通过特定的引脚将中断信号通过CPCI总线发送给控制器，通过控制器上LINUX驱

动，经由TCP/IP协议，传输回上层PC机，更新连锁状态显示。当用户需要更改连锁逻辑时，不再需要重新设计电路或者现场通过JTAG下载程序到FPGA中，只需要在上位机将逻辑表通过LINUX驱动传输给FPGA程序，FPGA将自动完成新的逻辑程序的更新。

以上虽然描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。

说明书附图

图1本实用新型的结构框图

图2 本实用新型的I/O端口部分原理图

图3本实用新型PCI接口部分原理图

图4本实用新型PC104接口原理图

图5本实用新型时钟及电源部分原理图

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图6本实用新型FPGA 原理图