CN101602263A - 一种基于双cpu的离合器控制方法与控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于双CPU的离合器控制方法与控制系统，提供了一种基于双CPU和少数外部电路监视与控制机械压力机离合器的方法与系统，两个CPU同时处于工作状态，同时对离合器输出信号进行控制；在系统中增加了一些开关控制功能提高系统的安全性。本发明系统安全可靠性可达到99.5％以上；同时硬件上利用少量外围电路对CPU的输出作安全处理，具有软件编程简单、硬件成本较低、可靠性高的优点；利用FPGA完整实现双口RAM的功能，利用主从两个CPU的总线读写时序，完成两个CPU的同步，具有数据传输速度快、准确度高、成本低的特点；对急停输入做软件停机和硬件停机两种处理，提高了紧急情况下系统的反应速度与可靠性。

Description

一种基于双CPU的离合器控制方法与控制系统

技术领域

本发明属于数控技术领域，在数控产品中利用CPU和少数外部电路安全地监视与控制机械压力机离合器，为一种基于双CPU的离合器控制方法与控制系统。

背景技术

离合器与制动器是机械压力机的心脏部件，它的性能直接影响整机的使用性、安全性、可靠性以及设备的开动率和维修量。同时，对离合器的控制也越来越多的强调安全、可靠与高效，因为这不仅关系到生产效率，甚至关系到生命和财产安全。正因为此，人们不断总结经验，也获得了不少好的控制方法。

随着电子元器件可靠性和生产制造质量水平的不断提高，数控系统中采用单一CPU利用软件控制离合器的方法已达到较高的可靠性，现有的控制器与控制方法也大多采用这种方法来实现。这种方法存在一些不可避免的缺陷：对系统输出只是简单隔离便输出，不作监控，对由软件可能造成的离合器误动作无任何保障措施；只在软件中检测急停输入，并由软件关闭输出，实现急停功能，一旦CPU出现故障或其它原因致使CPU响应时间变长或无法响应，将会带来人身和财产的重大损失。

还有一种方法是采用热备式的硬件冗余的方式控制离合器，延长系统的平均无故障运行时间。这种纯硬件冗余的方式硬件投入较多，成本投入较大，系统的复杂性、重量和体积都大大增加。因为增加了较多的部件、模块，这些部件和模块的故障，也会影响系统的可靠性。

软件冗余的方式，从硬件上看只增加了一个CPU模块，成本增加不多，但两个CPU模块的状态监视和控制权的转移要通过软件解决，编程复杂。本质上，这种方式在同一时刻只有一个CPU具有控制权，系统安全等级不高。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有大多数数控方法和装置对离合器控制的可靠性不够高，纯硬件冗余的方法成本偏高，软件冗余在安全性方面的优势也并不明显；本发明的目的是提供一种多重保障，控制简单，较低成本，更加稳定安全的控制方法及其对应的控制系统。

本发明的技术方案为：一种基于双CPU的离合器控制方法，用主从两个CPU控制离合器，主从CPU通过双口RAM保持通信，主CPU和从CPU分别连接安全双联阀，安全双联阀的输出连接离合器，安全双联阀的输入信号与阀芯状态信号分别反馈至主CPU和从CPU，主从CPU与安全双联阀的连接之间设有隔离器，其中：

安全双联阀控制离合器，安全双联阀输入端的两个线圈为逻辑与的关系，主从CPU各有两个输出，交叉连接两个输出隔离器，在输出隔离器处先将每个输入取反后再实现逻辑与，输出隔离器的输出信号输入安全双联阀输入端的两个线圈进行逻辑与，逻辑与后的信号为离合器开合控制信号；

主从CPU的四个输出同时为逻辑低时，输出隔离器的输出有效，安全双联阀打开，离合器吸合，否则输出无效，安全双联阀保持关闭，离合器不吸合；

安全双联阀的输入信号与阀芯状态信号经过输入隔离器反馈到主从CPU中，输入隔离器对每路反馈单独隔离，如果反馈到任一CPU的信号与本CPU输出信号不一致，则信号不一致的CPU关闭输出，当其中一个CPU关闭时，输出隔离器不输出，安全双联阀保持关闭；如果主从两个CPU同时关闭安全双联阀，而阀芯状态信号显示其仍然保持为打开状态，则主CPU直接使安全双联阀线圈掉电，关闭安全双联阀。

利用FPGA内部的RAM实现一个容量为4K字节的双口RAM，其中4K字节的高4个字节0xffc～0xfff作为邮箱，用于主从CPU交互读写状态，以及通知FPGA读写操作的完成；低2K字节0x0～0x7ff作为从CPU的只读存储区和主CPU的只写存储区，高2K-4字节0x800～0xffb作为从CPU的只写存储区和主CPU的只读存储区；当一个CPU要读时，会先写一个邮箱，通知FPGA将要进行读操作，并给出忙信号，通知另一CPU不能写；读完后会读另一个邮箱，通知FPGA读操作完成，并清掉忙信号，这时另一CPU可以进行写操作；当一个CPU要写时，要先判断另一CPU是否忙，不忙则可以写；写完后写另一个邮箱，通知FPGA写操作完成，并给出中断信号，通知另一CPU有新的信息需要读取，当另一CPU读完后再清掉中断信号；CPU的读操作只限于其只读存储区，写操作只限于其只写存储区，主CPU的只读存储区即为从CPU的只写存储区，主CPU的只写存储区即为从CPU的只读存储区。

本发明隔离器为光电耦合隔离器件。

进一步的，本发明控制方法用继电器开关对外部接线公共端进行控制，继电器开关常闭，外部接线公共端连接常闭触点，通过切断继电器常闭触点直接切断与外部接线公共端的连接回路，从而切断安全双联阀线圈供电回路。

还设有急停输入模块，急停输入模块的输出分别连接主CPU、从CPU和继电器开关，对两个CPU输入外部中断，CPU实时响应并软件停机，对继电器开关切断常闭触点，做硬件停机；急停输入模块对继电器开关的控制和主CPU对继电器开关的控制相互独立。

本发明还提供了一种基于双CPU的离合器控制系统，包括主CPU、从CPU、FPGA芯片、安全双联阀、输出隔离器和输入隔离器，FPGA芯片设有双口RAM，主从CPU通过双口RAM连接，安全双联阀的输出连接离合器，主从CPU各有两个输出，交叉连接两个输出隔离器，输出隔离器先将每个输入取反后再实现逻辑与，输出隔离器的输出信号输入安全双联阀输入端的两个线圈进行逻辑与，逻辑与后的信号为离合器开合控制信号；输出隔离器的输出与阀芯状态信号分别经过输入隔离器连接主CPU和从CPU。

所述控制系统设有继电器开关，主CPU的输出连接继电器开关的输入，继电器开关常闭，连通外部接线公共端与控制系统。设有急停输入模块，急停输入模块的输出分别连接主CPU、从CPU和继电器开关，急停输入模块与继电器开关的连接和主CPU与继电器开关的连接相互独立。

本发明提供了一种基于双CPU和少数外部电路监视与控制机械压力机离合器的方法与系统，两个CPU同时处于工作状态，同时对离合器输出信号进行控制；为了进一步提高系统的安全性，在系统中增加了一些额外的开关控制功能，以配合CPU更可靠的执行安全功能，具有可靠性高，成本较低、控制简单的特点。本发明采用主从两个CPU同时工作，利用相互校验的方法控制离合器，系统安全可靠性可达到99.5％以上；同时硬件上利用少量外围电路对CPU的输出作安全处理，具有软件编程简单、硬件成本较低、可靠性高的优点；利用FPGA完整实现双口RAM的功能，利用主从两个CPU的总线读写时序，完成两个CPU的同步，具有数据传输速度快、准确度高、成本低的特点；对急停输入做软件停机和硬件停机两种处理，提高了紧急情况下系统的反应速度与可靠性。

附图说明

图1为本发明控制系统的结构示意图。

图2为本发明的继电器开关结构图。

图3为本发明的双口RAM结构图。

具体实施方式

本发明的控制方法用主从两个CPU控制离合器，主从CPU通过双口RAM保持通信，主CPU和从CPU分别连接安全双联阀，安全双联阀的输出连接离合器，安全双联阀的输入信号与阀芯状态信号分别反馈至主CPU和从CPU，主从CPU与安全双联阀的连接之间设有隔离器，其中：

安全双联阀用于控制气动离合器，安全双联阀输入端的两个线圈是逻辑与的关系。主从两个CPU各有两个输出，交叉输入两个输出隔离器，输出隔离器先将每个输入取反后再实现逻辑与，两个输出隔离器的输出用来控制安全双联阀的两个输入线圈。外部接线公共端通过继电器常闭触点接进到控制系统中，通过切断所述常闭触点可以直接切断控制系统的输出回路，从而达到切断安全双联阀线圈供电回路的目的。CPU与安全双联阀之间的连接设置隔离器保证电气安全，为防止CPU信号在经过输出隔离器的过程中发生误变，本发明特别在输出隔离器处设置了对两个CPU的非、与处理，避免可能出现误动的情况，保证控制的高稳定可靠性。

主从CPU均参与对安全双联阀的两路输入端的控制，即主从CPU都处于工作状态，软件上通过监控控制系统的输出信号和安全双联阀的阀芯状态信号，校验后输出；输出隔离器对两个CPU的输出先取反后再实现逻辑与，大大降低了单一CPU控制误动作的可能性。正常工作情况下，只有主从两个CPU的四个输出同时为逻辑低的时候，两路隔离器的输出才有效，安全双联阀打开，离合器吸合；如果安全双联阀接收的两路输出隔离器的输出信号不一致，则输出无效，安全双联阀保持关闭；四个CPU输出中任何一个不满足逻辑低电平要求，离合器均不吸合。

安全双联阀的输入信号与阀芯状态信号分别经过隔离反馈到主从CPU中，安全双联阀的输入信号即为两个CPU的输出经过输出隔离器之后的信号。如果反馈到任一CPU的信号与本CPU输出信号不一致，则信号不一致的CPU关闭输出，安全双联阀保持关闭；如果主从两个CPU同时关闭安全双联阀，而阀芯的状态信号显示其仍然保持为打开状态，则主CPU直接切断系统的输出，使安全双联阀线圈掉电，关闭安全双联阀。在反馈信号时，可设置一反馈延时，调整CPU对反馈信号的灵敏度。

本发明主从CPU通过双口RAM交互数据与状态信息。双口RAM在FPGA内实现，在降低系统成本的同时，FPGA还扩展了系统IO的数量，实现了其它常用的逻辑；隔离器件为光电耦合隔离器件，通过隔离系统与外部的接口，提高系统的可靠性。

本发明的控制方法用继电器开关对外部接线公共端进行控制，外部接线公共端通过继电器开关的常闭触点接进到控制系统中；所述继电器开关由主CPU和急停输入端共同控制。

本发明控制方法还设有急停输入模块辅助控制继电器开关，急停输入模块的输出分别连接主CPU、从CPU和继电器开关，对CPU用作外部中断输入，软件实时响应并停机，对继电器开关，切断常闭触点，做硬件停机；急停输入模块对继电器开关的控制和主CPU对继电器开关的控制相互独立，任何一端有效切断常闭触点。

下面结合附图对本发明的控制系统作进一步的描述。

本发明的控制系统如图1，包括主、从两个CPU、FPGA芯片、一个继电器开关和一些光电隔离器件。FPGA芯片设有双口RAM，主从CPU通过双口RAM连接，安全双联阀的输出连接离合器，主从CPU各有两个输出，交叉连接两个输出隔离器，输出隔离器先将每个输入取反后再实现逻辑与，输出隔离器的输出信号输入安全双联阀输入端的两个线圈进行逻辑与，逻辑与后的信号为离合器开合控制信号；输出隔离器的输出与阀芯状态信号分别经过输入隔离器连接主CPU和从CPU。主从CPU通过在FPGA内部实现的双口RAM交互数据和状态信息；还设有继电器开关，主CPU的输出连接继电器开关的输入，继电器开关常闭，连通控制系统与外部接线公共端；进一步还设有急停输入模块，急停输入模块的输出分别连接主CPU、从CPU和继电器开关，急停输入模块与继电器开关的连接和主CPU与继电器开关的连接相互独立。

控制系统的主、从两个CPU均为ARM7处理器，FPGA芯片为Lattice公司一款低成本的FPGA产品。两个CPU同时控制安全双联阀的两个线圈，当两个CPU的输出逻辑一致，都为逻辑低的时候，离合器输出有效，任何一个CPU的输出为逻辑高的时候，离合器输出都关断；正常情况下，两个CPU同时输出逻辑高或者低，用于控制安全双联阀，安全双联阀进而控制离合器的通断；系统的输出信号和阀芯的实时状态经过反馈隔离器的隔离后反馈到两个CPU中作校验：如果两个CPU的输出状态不一致，则输出隔离器不打开，输出无效，安全双联阀保持关闭；如果输出隔离器的输出状态不一致，安全双联阀也保持关闭；如果规定时间内反馈到任一CPU的输出状态与本CPU输出状态不一致，则本CPU关闭输出；如果阀芯的实时状态与预期应有的状态不一致，则系统关闭输出。

急停输入模块在输入到两个CPU作软件停机的同时，控制继电器开关，切断系统与外部接线COM端的连接，进而切断系统输出回路，使安全双联阀线圈掉电，做硬件停机。

如果两个CPU同时关闭安全双联阀，而阀芯的状态反馈信号显示其仍然保持为打开状态，则主CPU通过继电器开关直接切断系统输出回路，使安全双联阀线圈掉电，达到关闭安全双联阀的目的。或由人工控制急停输入模块，通过继电器开关对安全双联阀作紧急硬件停机。

本发明中继电器开关的控制如图2，采用一个继电器开关控制外部接线公共端与系统的连接，具有硬件成本低，控制简单，可靠性高的优点。外部接线公共端通过继电器的常闭触点连接到系统中；继电器开关由急停输入模块和主CPU共同控制，但急停输入和主CPU对继电器的控制互相不影响。正常情况下，外部接线公共端通过常闭触点接进到系统中；当急停输入模块的信号或主CPU信号输入有效时，继电器的线圈吸合，外部接线公共端与系统断开，系统输出回路被切断，安全双联阀线圈掉电，达到关闭阀的目的。

本发明中双口RAM的实现如图3。利用FPGA内部的RAM实现一个容量为4K字节的双口RAM，其中4K字节的高4个字节0xffc～0xfff作为邮箱，用于两个CPU交互读写状态，以及通知FPGA读写操作的完成。低2K字节0x0～0x7ff作为从CPU的只读存储区和主CPU的只写存储区，高2K-4字节0x800～0xffb作为从CPU的只写存储区和主CPU的只读存储区。将CPU的读写存储区域分开的方法能避免同一个CPU对同一个地址读写竞争的问题，而且软件操作也较简单。

当一个CPU要读时，会先写一个邮箱，通知FPGA将要进行读操作，并给出忙信号，通知对方CPU不能写；读完后会读另一个邮箱，通知FPGA读操作完成，并清掉忙信号，这时对方CPU可以进行写操作；读完后读另一个邮箱只是为了通知FPGA读操作完成；也可以在读完后写另一个邮箱，以此来通知FPGA读操作完成，但这样实现的话，总线上会有一个由读到写的切换，易造成干扰，真正对另一CPU有影响的是忙信号。当一个CPU要写时，要先判断对方CPU是否忙(正在读)，不忙则可以写；写完后写另一个邮箱，通知FPGA写操作完成，并给出中断信号，通知对方CPU有新的信息需要读取，当对方CPU读完后再清掉中断信号。CPU的读操作只限于其只读存储区，写操作只限于其只写存储区；主CPU的只读存储区即为从CPU的只写存储区，主CPU的只写存储区即为从CPU的只读存储区。

利用ARM7处理器的读写信号控制双口RAM的双向总线，利用ARM7处理器的读写信号、片选信号和地址信号作输入输出的控制信号，满足了FPGA的同步逻辑和ARM7处理器的异步逻辑之间的时序要求。利用FPGA实现真双口RAM的功能，完成两个CPU的通讯，解决了FPGA的同步逻辑与CPU异步总线的匹配问题、双口RAM中读写数据不一致的问题、两个CPU读写竞争的问题，比直接使用双口RAM芯片的成本低，比一般串口通讯的速度快、准确度高。

Claims (8)

1、一种基于双CPU的离合器控制方法，其特征是用主从两个CPU控制离合器，主从CPU通过双口RAM保持通信，主CPU和从CPU分别连接安全双联阀，安全双联阀的输出连接离合器，安全双联阀的输入信号与阀芯状态信号分别反馈至主CPU和从CPU，主从CPU与安全双联阀的连接之间设有隔离器，其中：

安全双联阀控制离合器，安全双联阀输入端的两个线圈为逻辑与的关系，主从CPU各有两个输出，交叉连接两个输出隔离器，在输出隔离器处先将每个输入取反后再实现逻辑与，输出隔离器的输出信号输入安全双联阀输入端的两个线圈进行逻辑与，逻辑与后的信号为离合器开合控制信号；

主从CPU的四个输出同时为逻辑低时，输出隔离器的输出有效，安全双联阀打开，离合器吸合，否则输出无效，安全双联阀保持关闭，离合器不吸合；

安全双联阀的输入信号与阀芯状态信号经过输入隔离器反馈到主从CPU中，输入隔离器对每路反馈单独隔离，如果反馈到任一CPU的信号与本CPU输出信号不一致，则信号不一致的CPU关闭输出，当其中一个CPU关闭时，输出隔离器不输出，安全双联阀保持关闭；如果主从两个CPU同时关闭安全双联阀，而阀芯状态信号显示其仍然保持为打开状态，则主CPU直接使安全双联阀线圈掉电，关闭安全双联阀。

2、根据权利要求1所述的一种基于双CPU的离合器控制方法，其特征是利用FPGA内部的RAM实现一个容量为4K字节的双口RAM，其中4K字节的高4个字节0xffc～0xfff作为邮箱，用于主从CPU交互读写状态，以及通知FPGA读写操作的完成；低2K字节0x0～0x7ff作为从CPU的只读存储区和主CPU的只写存储区，高2K-4字节0x800～0xffb作为从CPU的只写存储区和主CPU的只读存储区；

当一个CPU要读操作时，先对一个邮箱进行写操作，通知FPGA将要进行读操作，并给出忙信号，通知另一CPU不能写；读操作完后再读另一个邮箱，通知FPGA读操作完成，并清掉忙信号，这时另一CPU可以进行写操作；当一个CPU要进行写操作时，先判断另一CPU是否给出忙信号，不忙则可以写；写完后再写另一个邮箱，通知FPGA写操作完成，并给出中断信号，通知另一CPU有新的信息需要读取，当另一CPU读完后再清掉中断信号；CPU的读操作只限于其只读存储区，写操作只限于其只写存储区，主CPU的只读存储区即为从CPU的只写存储区，主CPU的只写存储区即为从CPU的只读存储区。

3、根据权利要求1或2所述的一种基于双CPU的离合器控制方法，其特征是隔离器为光电耦合隔离器件。

4、根据权利要求1或2所述的一种基于双CPU的离合器控制方法，其特征是用继电器开关对外部接线公共端进行控制，继电器开关常闭，外部接线公共端连接常闭触点，通过切断继电器常闭触点直接切断与外部接线公共端的连接回路，从而切断安全双联阀线圈供电回路。

5、根据权利要求4所述的一种基于双CPU的离合器控制方法，其特征是还设有急停输入模块，急停输入模块的输出分别连接主CPU、从CPU和继电器开关，对两个CPU输入外部中断，CPU实时响应并软件停机，对继电器开关切断常闭触点，做硬件停机；急停输入模块对继电器开关的控制和主CPU对继电器开关的控制相互独立。

6、一种基于双CPU的离合器控制系统，其特征是包括主CPU、从CPU、FPGA芯片、安全双联阀、输出隔离器和输入隔离器，FPGA芯片设有双口RAM，主从CPU通过双口RAM连接，安全双联阀的输出连接离合器，主从CPU各有两个输出，交叉连接两个输出隔离器，输出隔离器先将每个输入取反后再实现逻辑与，输出隔离器的输出信号输入安全双联阀输入端的两个线圈进行逻辑与，逻辑与后的信号为离合器开合控制信号；输出隔离器的输出与阀芯状态信号分别经过输入隔离器连接主CPU和从CPU。

7、根据权利要求6所述的一种基于双CPU的离合器控制系统，其特征是设有继电器开关，主CPU的输出连接继电器开关的输入，继电器开关常闭，连通外部接线公共端与控制系统。

8、根据权利要求6或7所述的一种基于双CPU的离合器控制系统，其特征是设有急停输入模块，急停输入模块的输出分别连接主CPU、从CPU和继电器开关，急停输入模块与继电器开关的连接和主CPU与继电器开关的连接相互独立。

Images