基于ARM与CPLD的双处理器余度的电子燃油调节器

摘要

本发明是基于ARM与CPLD的双处理器余度的电子燃油调节器，包括转速信号调理电路、模拟量信号调理电路、开关量信号调理电路、输出信号控制调理电路、CPU模块、通道选择与切换逻辑、通信接口以及电源模块；调理电路实现对转速、模拟量、开关量信号的调理；输出信号控制调理电路实现模拟量和开关量信号的输出控制；CPU模块包括互为热备份的A通道和B通道，通道选择与切换逻辑用于根据A通道和B通道CPU状态以及操作逻辑进行输出控制通道的切换操作；通讯模块实现控制器与外界的数据交互。优点：以小的硬件代价实现高效可靠的燃油控制，解决两个通道处理器共享不同类型信号的问题，适用于单通道传感器和执行机构的燃机控制系统。

说明书

技术领域

本发明涉及的一种基于ARM与复杂可编程逻辑器件（CPLD）的双处理器余度的电子燃油调节器，属于动力系统控制领域。

技术背景

智能燃油调节电子控制器是燃气轮机控制系统中的关键控制单元，它和燃油调节执行组件配合工作，实现对燃气轮机全部工作过程的燃油调节，是保障燃气轮机稳定运行的核心功能部件。在分布式控制系统架构下，将智能燃油调节电子控制器作为一个独立的智能节点，构成分布式燃机控制系统，可有效地降低燃气轮机控制系统复杂度，提高可靠性和可维护性。

提高控制器可靠性的最直接方法就是提高元件的可靠性，但是由于控制器中元器件无法达到百分百可靠，故采用余度的方法来提高控制系统可靠性。

发明内容

本发明提出的是一种在分布式控制系统架构下，满足高效，稳定，实时等特点的基于ARM与CPLD的双处理器余度的电子燃油调节器，利用较低的硬件和空间代价获得控制系统可靠性的提升，有效解决两个通道处理器共享不同类型输入信号和输出信号，适用于采用单通道传感器和执行机构的燃机控制系统。

本发明的技术解决方案：一种基于ARM与CPLD的双处理器余度的电子燃油调节器，其特征在于：包括转速信号调理电路、模拟量信号调理电路、开关量信号调理电路、输出信号控制控制接口电路、CPU模块、通道选择与切换逻辑、通信接口以及电源模块，其中，

转速信号调理电路的信号输出端分别接A、B通道CPU模块的第一信号输入端，模拟量信号调理电路的信号输出端分别接A、B通道CPU模块的第二信号输入端，开关量信号调理电路的信号输出端分别接A、B通道CPU模块的第三信号输入端，所述的A通道CPU模块的第一信号输出/输入端与B通道CPU模块的第一信号输入端/输出端相接，组成CCDL通道，A通道CPU模块的第二信号输出/输入端与通道选择与切换逻辑的第一信号输入端/输出端相接，传递A通道健康状态与控制信号，B通道CPU模块的第二信号输入端/输出端与通道选择与切换逻辑的第二信号输入端/输出端相接，传递B通道健康状态与控制信号，A通道CPU模块的信号输出端和通道选择与切换逻辑的第一信号输入端相接，，传递主动切换信号B通道CPU模块的信号输出端与通道选择和切换逻辑的第二信号输入端相接，传递主动切换信号通道选，择与切换逻辑的信号输出端与输出信号控制接口电路的信号输入端相接，通道选择与切换逻辑的第三信号输入端接手动切换信号输出端相接，A通道、B通道CPU模块的第三、第四信号输出/输入端分别与网口、CAN总线的信号输入/输出端相接。

本发明的优点：利用较低的硬件和空间代价获得控制系统可靠性的提升，有效解决了两个通道处理器共享不同类型输入信号和输出信号，适用于采用单通道传感器和执行机构的燃机控制系统。

附图说明

图 1是基于ARM与CPLD的双处理器余度的电子燃油调节器的结构示意图。

图 2是输入信号调理模块结构框图。

图 3是输出信号控制模块结构框图。

图 4是通信模块结构框图。

具体实施方式

一种基于ARM与CPLD的双处理器余度的电子燃油调节器，其特征在于：包括转速信号调理电路、模拟量信号调理电路、开关量信号调理电路、输出信号控制控制接口电路、CPU模块、通道选择与切换逻辑、通信接口以及电源模块，其中，

转速信号调理电路的信号输出端分别接A、B通道CPU模块的第一信号输入端，模拟量信号调理电路的信号输出端分别接A、B通道CPU模块的第二信号输入端，开关量信号调理电路的信号输出端分别接A、B通道CPU模块的第三信号输入端，所述的A通道CPU模块的第一信号输出/输入端与B通道CPU模块的第一信号输入端/输出端相接，组成CCDL通道，A通道CPU模块的第二信号输出/输入端与通道选择与切换逻辑的第一信号输入端/输出端相接，传递A通道健康状态与控制信号，B通道CPU模块的第二信号输入端/输出端与通道选择与切换逻辑的第二信号输入端/输出端相接，传递B通道健康状态与控制信号，A通道CPU模块的信号输出端和通道选择与切换逻辑的第一信号输入端相接，传递主动切换信号，B通道CPU模块的信号输出端和通道选择与切换逻辑的第二信号输入端相接，传递主动切换信号，通道选择与切换逻辑的信号输出端与输出信号控制接口电路的信号输入端相接，通道选择与切换逻辑的第三信号输入端接手动切换信号输出端相接，A通道、B通道CPU模块的第三、第四信号输出/输入端分别与网口、CAN总线的信号输入/输出端相接。

所述的A通道CPU和B通道CPU与一片CPLD组成核心逻辑模块，经过转速信号调理电路、模拟量信号调理电路和开关量信号调理电路调理后的信号分为两路输入至A、B通道CPU中，A、B通道CPU分别对输入信号进行采样与处理，A通道CPU与B通道CPU根据输入信号与控制逻辑生成两路相互独立的控制信号，控制信号包括串行通讯信号SPI以及开关量逻辑信号（DO）；两路由A、B通道CPU产生的独立控制信号输入至CPLD中，通过CPLD通道选择后对输出模块发出指令；CPLD通过健康状态识别、CPU主动切换请求，外部切换请求、上电竞争结果识别实现A通道CPU与B通道CPU的主控逻辑判断；根据该逻辑判断将主控CPU信号向下传递至输出信号驱动模块，并将主控信息向上传递至CPU中；同时，A、B通道CPU能过通过高速数据交叉传输通道CCDL数据链进行运行参数交互。

所述的CPLD通过健康状态识别、CPU主动切换请求、外部切换请求、上电竞争实现对于A通道CPU与B通道CPU的主控逻辑判断；健康状态由A、B通道CPU根据其运行状态独立发送，其主要判断依据为硬件电路中的自检状态识别信号以及软件运行标志位；若CPU运行状态良好则向CPLD发出运行状态良好示意。其信号为1KHZ的方波信号，若CPU运行发生异常，将停止发生方波信号；当CPLD发现某块CPU健康状态信号停止发送时，立即将该CPU的输出信号屏蔽，并及时调整主机。

所述的 CPU主动切换请求信号仅能由主机CPU发生；CPU检测到硬逻辑错误但并未影响CPU自身运行，或者CPU收到上位机强制切换指令，则由主控CPU向CPLD发送主从切换信号，及时调整控制主机，防止错误的进一步扩大。

所述的外部请求信号由外部微动开关产生，若微动开关被按下，则强制切换主从；

上电竞争识别信号由A、B通道CPU竞争决定，在上电时两片CPU独立发送方波信号，CPLD对于方波信号的下降沿进行计数，最先达到预先设定的计数值的CPU将成为主控CPU，其输出控制信号将被传送至输出信号控接口电路。

所述 CPU将通过由CPLD反馈的主控信息得知自己运行状态，并通过CCLD取得另一通道CPU的运行状态，实现A、B通道CPU的数据交互；主控CPU将承担CCDL数据链交互中的主机，非主控CPU将作为从机；CCDL数据包括采集到的传感器参数，由通讯模块传递的控制参数，以及向下传递的输出信号参数；外部通讯模块可以将CPU运行参数上传至上位机，并且能够根据上位机的指示进行一定的操作。

转速信号调理电路，将转速信号调理得到规则的方波信号便于CPU的采集。

模拟量信号调理电路，将4~20mA电流信号，具体包括：低压涡轮后燃气温度2路、燃油流量1路、执行器位置1路、转速指令1路、预留3路，共8路调理成可供CPU采集的电压信号。

开关量信号调理电路(4路)。输入信号调理模块的重点是转速信号调理电路，包括自检、限幅、差分放大、低通滤波、整形、缓冲6个环节。

输出信号包括执行器控制指令0~20mA电流信号和开关量信号。开关量信号包括故障泄放开关阀、停车开关阀、综合报警灯，均采用继电器触点控制，预留1路，总共4路。电流信号预留1路，共2路。

CPU模块由A通道CPU和B通道CPU组成。经过输入信号调理模块调理后的信号分为两路输入至A、B通道CPU中，两片CPU分别对输入信号进行采样与分析。

通道选择与切换逻辑由CPLD实现。CPLD通过健康状态识别、CPU主动切换请求、外部切换请求、上电竞争结果识别实现对于A通道CPU和B通道CPU的主控逻辑判断。主控CPU的控制信号将被传送至输出信号控接口电路。健康状态由A、B通道CPU根据其运行状态发送独立，其主要判断依据为硬件电路中的自检状态识别信号以及软件运行标志位。若CPU运行状态良好则向CPLD发出运行状态良好示意。其信号为1KHZ的方波信号。若CPU运行发生异常，将停止方波信号的发生。CPU主动切换请求信号仅能由主机CPU发生。CPU检测到硬逻辑错误但并未影响至CPU自身运行，或者CPU收到上位机强制切换指令，则由主控CPU向CPLD发送主从切换信号，及时调整控制主机。外部请求信号由外部微动开关产生，若微动开关被按下，则强制切换主从。上电竞争识别信号由A、B通道CPU竞争决定，在上电时A、B通道CPU独立发送方波信号，CPLD对于方波信号的下降沿进行计数，最先达到预先设定的计数值的CPU将成为主控CPU，其输出控制信号将被传送至输出信号控接口电路。

CCDL通讯由SPI（串行通讯）实现。SPI通讯按帧发送，由于数据量较大，按数据帧发送，每一帧包含一位数据头以及七位数据位。数据链中包含Can通讯中取得的控制指令，以太网通讯中取得的参数指令，以及由CPU计算得到的控制指令与运行状态参数。

通信模块采用双通道冗余的结构，每个CPU对应一个CAN通道、一个网口。A、B通道CPU通过SPI总线进行通信，故每一路通信接口都可以得到A、B通道CPU上的所有数据。CAN通信接口将利用CPU芯片的CAN模块，采用ADI公司的专业隔离收发器ADM3053，在实现信号和电源隔离的同时实现CAN通信的物理接口，如图4所示。CAN通信的应用层协议拟采用在工业界得到广泛应用的CANOpen。以太网接口使用CPU自带的以太网模块，该模块集成了物理层，具体的以太网接口功能将根据实际应用需求编写相应的接口程序。

电源模块由双路24V直流电源供电，采用DC-DC模块产生+12V、+5V、-5V、+3.3V和+1.8V电源，为控制器的其它模块供电。