CN104731007A - 功能安全plc背板通信组件及通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种功能安全PLC的背板通信组件及通信方法，具体公开一种满足功能安全要求的多串行总线无源背板，背板上的各类总线采用冗余结构，背板通信组件包括功能安全背板，背板延长器，终端匹配器；功能安全背板采用多串行总线技术，低速串行总线与高速串行总线混合设计，两种串行总线均支持冗余且相互独立工作。本发明包含安全层与应用层两种数据协议，保证数据传输的安全性，通过对数据包增加协议界定标识、传输数据冗余比较及CRC校验的等安全措施保证数据传输的正确性，功能安全背板无需配置即可通过可编程逻辑器件实现数据传输。本发明具有可靠性高、系统结构简单、支持模块数量多，支持模块种类齐全、通信速度高、成本低等特点。

Description

功能安全PLC背板通信组件及通信方法

技术领域

本发明涉及一种功能安全PLC的背板通信组件及通信方法，该组件应用于关键控制系统和高安全要求系统的安全PLC产品中，是一种基于冗余结构的多串行总线无源背板，用于实现电源模块，控制器模块，I/O模块，总线模块的连接，实现模块之间供电和通信，保证系统的功能安全，功能安全背板支持热插拔。

背景技术

随着紧急停车系统、过程停车系统、火气系统和燃烧管理系统等领域对功能安全要求的不断提高。功能安全PLC的应用越来越广泛，功能安全PLC(安全可编程系统)指的是在自身或外围元器件或执行机构出现故障时，依然能正确响应并及时切断输出的可编程系统。与普通PLC不同，安全PLC不仅可提供普通PLC的功能，更可实现安全控制功能，符合国际电工委员会61511以及61508等控制系统安全相关部件标准的要求。

对此，本领域技术人员对普通PLC与功能安全PLC的区别有了清晰的认识。传统的冗余架构每条总线分别与模块上的不同CPU通信，而本设计可以支持冗余总线与一个CPU通信。传统的冗余架构中，当其中一条总线出现故障会导致系统安全功能降级，而本设计不会因为一条总线故障而降低系统的安全性。硬件结构上，传统背板电源、控制器、I/O模块需要插在指定的槽位上，而本设计每个槽位可以支持各种模块，而且模块地址形成方式非常灵活，可以支持任意槽数的背板，并且不需要硬件或软件设定。

目前，已有的技术方案不能够兼顾所有的方面，未在功能安全与兼顾可靠性、系统结构，支持模块种类、通信速度、成本等方面做出综合的介绍。

发明内容

本发明解决的技术问题是设计一种功能安全无源背板组件，所有模块均统一使用一种背板，模块不会因为插错位置而导致模块损坏，在简化背板结构，保证背板通信速度，提高背板支持模块种类与数量，降低背板通信成本的基础上，提高功能安全背板的可靠性，降低通信协议的复杂性，提高系统的快速响应特性。

为了实现上述目的，本发明的具体技术方案包括：

-功能安全背板，用于安装电源、控制器、I/O模块、以及总线模块，所述功能安全背板具有电源通路、模块地址形成电路、串行总线通路及可靠性插拔标志电路其他功能；

-背板延长器，用来延长扩展模块的距离；

还包括终端匹配器，除用于固定背板外，左终端匹配器在功能安全背板的左端，还为其他背板组件或者本地背板组件提供电源输入输出端口，为模块内部串行差分总线进行阻抗匹配；右终端匹配器，为模块背板内部串行差分总线进行阻抗匹配；总体采用支持冗余的多串行总线技术，低速串行总线与高速串行总线混合设计，多种串行总线同时工作；具体体现在功能安全背板的2种串行总线通路，2种串行总线通路分别连接不同的模块，具体为：

1)低速串行总线，采用10Mbps(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模块传送数据，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，通过件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；低速串行总线可用于I/O模块的通信；

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，采用主从查询的通信方式，高速串行总线的功能是完成控制器与总线模块之间的数据传输；

进一步地，所述多串行总线有两种操作模式具有如下特点：

1)控制器读操作：所有读操作都由命令帧和数据帧组成，控制器发送命令帧，从站模块返回应答数据帧；

2)控制器写操作：由命令帧、数据帧和从站模块返回值组成，控制器发送命令帧和数据帧，从站模块根据命令返回相应的返回值；

进一步地，所述多串行总线有如下特点，所述低速串行总线具体由同步时钟信号、从站RS-485通信信号组成，每组信号均支持冗余，其中：同步时钟信号提供数据通信同步时钟，由控制器模块或时钟模块产生，支持冗余；从站模块数据收发通道与控制器数收发通道相连，支持冗余；

进一步地，所述多串行总线有两种操作模式具有如下特点，在进行读写过程数据时，由控制器本地CPU通过外部存储器接口自动产生本地双口RAM读写时序，本地可编程逻辑器件在CPU读写时序的控制下自动对读写指令进行解析和操作，对于控制器所要发送或者接收的数据量，可以自动写入本地可编程逻辑器件内部的寄存器内；可编程逻辑器件通过背板接收完相应字节数据后，接收数据缓冲区的首地址自动加1；本地CPU通过该外部存储器接口可以把数据读出或者写入到可编程逻辑器件中；

进一步地，所述多串行总线有两种操作模式具有如下特点，在进行读和写过程数据传输时，背板通信采用的数据包格式包括：数据包头、安全层报文、应用层报文、CRC校验和数据包尾；模块返回给控制器的数据包采用的格式：数据包头、安全层报文、应用层报文、CRC校验和数据包尾；控制器完成数据写操作后，还需要进行从站模块应答数据的回读操作，回读的数据包含从站模块的地址及数据包校验信息。

进一步地，所述多串行总线有两种操作模式具有如下特点，本地CPU完成对本地可编程逻辑器件的写操作后，需要对可编程逻辑器件中的发送使能寄存器进行写操作，然后，本地可编程逻辑器件中的数据才会通过背板发送给从站模块；

进一步地，所述多串行总线有两种操作模式具有如下特点，控制器与从站模块均采用CPU和可编程逻辑器件组合的结构，可编程逻辑器件作为双口RAM和背板通信的传输通道完成背板通信数据的收发和缓存，通过中断机制，CPU对可编程逻辑器件进行读操作，CPU在规定的任务时间内对可编程逻辑器件进行写操作；

进一步地，所述多串行总线有两种操作模式具有如下特点，本地可编程逻辑器件在未收到发送使能命令的前提下，实时接收串行总线上双冗余通道的数据，当检测到协议中规定的数据包起始界定标识后，开始将接收到的数据写入本地可编程逻辑器件中，当检测到数据的起始发送位超时后，本地可编程逻辑器件向本地CPU产生中断请求，请求CPU读取背板通信接收到的数据，由于背板通信的模块类型和串行总线不同，本地可编程逻辑器件向CPU产生的中断请求也会不同，分为低速串行总线中断请求，高速串行总线中断请求；本地CPU未响应中断请求之前，可编程逻辑器件的接收数据缓冲区中的数据不会被清除或者覆盖，当本地CPU响应中断请求，完成读数据操作后，通过中断寄存器清除中断信号，同时，可编程逻辑器件数据缓冲区被释放；

进一步地，所述多串行总线有两种操作模式具有如下特点，对于功能安全背板上的冗余通道，本地可编程逻辑器件也实时进行数据的接收，将接收到的数据暂存到可编程逻辑器件接收数据缓冲区中，可编程逻辑器件把串行总线上的两个通道的数据进行分别暂存，CPU接收到可编程逻辑器件中断请求后，可以通过双口RAM分别访问双通道接收到的数据。

本发明采用多串行总线技术，且串行总线支持冗余，低速串行总线与高速串行总线混合设计，根据不同模块的特点采用不同的总线，满足不同模块的要求。多种串行总线可同时工作，提高功能安全和通信速度。更具有如下优点：

1.系统结构简单。设计的功能安全背板组件，只包含一种功能安全背板，所有模块都可以插接到该背板上，简化背板结构，提高使用效率。

2.可靠性高。采用无源背板设计，仅由少数接插件和无源器件组成，极大的降低了背板的故障率，应用高可靠性接插件，优化背板机械结构，背板通过导轨固定，设计包含各种插拔可靠性检测，极大地降低背板组件的机械故障率，从而减少了背板间的连接故障，采用串行设计，大大减少了信号数量，提高了系统的可靠性；背板的串行总线采用差分设计，PCB设计中对差分信号进行了阻抗控制，进一步提高了功能安全背板的可靠性。

3.设计灵活性。采用单模块背板设计，增加了使用的灵活性，不浪费槽位；由于功能安全背板只有一种，并且支持各类I/O和总线模块等通信模块，便于系统功能的扩展。

4.电磁兼容性好。功能安全无源背板本身不会产生辐射；背板设计采用串行设计技术，大大降低了电磁辐射的产生，由于串行总线采用差分信号设计，大大提高了功能安全背板的抗干扰性能。

5.成本低。无源背板设计大大简化背板的成本；多串行总线的设计保证各种模块采用最合适的串行总线，所以也降低了相应模块的成本。

6.可支持模块数量多。本发明在保证模块通信速度的同时，每组背板可最多安装6个I/O模块，一个分散控制站可最多安装16个背板，一套分散控制站总共可安装64个I/O模块。

7.支持热插拔。与现有技术中有源背板需专用电路或结构支持热插拔相比，本发明采用无源设计，与相关的模块配合，可轻松支持热插拔，热插拔功能可方便的对模块进行在线维护。

8.温度适应性好。本发明采用无源背板可轻易工作在工业级温度范围(-40℃～85℃)甚至更宽的温度范围。

附图说明

图1功能安全PLC系统总体结构图。

图2功能安全背板电路原理框图。

图3功能安全背板地址检测原理框图。

图4背板通信曼彻斯特编码格式。

图5功能安全背板通信报文格式。

图6功能安全背板安全层报文格式。

图7背板通信安全层子报文头数据帧格式。

图8I\O模块背板通信数据报文格式。

具体实施方式

结合说明书附图对本发明进一步详细说明。

如图1-8所示，一种功能安全无源背板及其通信方法，包括：

-功能安全背板，用于安装电源模块，控制器模块，I/O模块，总线模块；所述功能安全背板包括：电源总线、多串行总线、模块地址形成电路、模块地址奇偶校验和插拔可靠性标志等，其中电源总线，模块地址形成电路和多串行总线均支持冗余；

-背板延长器，用于实现IO模块的扩展连接；

-终端匹配器，分为左终端匹配器和右终端匹配器，用于功能安全背板内部串行总线差分信号的阻抗匹配和固定功能安全背板，其中左终端匹配器集成DC 24V电源端子，安装电源模块时，可以将内部DC 24V电源输出到外部扩展的功能安全背板；不安装电源模块时，也可以接入前面背板的DC 24V电源，减少电源模块的数量；

背板还包括模块插入可靠性标志单元，背板地址奇偶校验单元；采用多串行总线技术单元，串行总线均支持冗余单元，简化串行总线硬件结构单元，低速串行总线与高速串行总线单元，上述串行总线同时工作，具体体现在功能安全背板的2种串行总线通路，具体为：

3)低速串行总线，采用10Mbps(最高32Mbps)半双工异步通信，物理层为RS-485通信方式，串行差分总线共有4对，其中2对用于与I/O模块通信，另外2对用于时钟同步，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通信速度；低速串行总线可用于I/O模块的通信；

4)高速串行总线，采用50Mbps(最高100Mbps)半双工异步通信，差分总线共有2对，物理层为MLVDS(多点低压差分信号)方式，采用主从查询方式通信，数据位以曼彻斯特编码格式进行传输，高速串行总线用于控制器与总线模块的数据传输，硬件上，通过可编程逻辑器件实现控制器与模块的数据传输。

所述低速和高速串行总线的可编程逻辑器件分别位于控制器与从站模块中，2种串行总线分别根据各自串行总线的安全通信协议完成通信。

所述插入可靠性标志单元为：功能安全背板包含两个插入可靠性标志，I/O模块通过检测所在安全背板的两个可靠性标志来验证模块插入的可靠性。

所述背板地址奇偶校验单元为：功能安全背板包含一个奇偶校验标志，奇数位置悬空，偶数位置接地，I/O模块通过该标志实现背板地址的奇偶校验。

背板地址形成电路，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，模块检测电阻左端与右终匹配器接地点的电压从而判断所在位置。

所述多串行总线技术单元，步骤如下：

3)控制器读操作：所有读操作都由命令帧和数据帧组成，控制器发送命令帧，从站模块返回应答数据帧；

4)控制器写操作：由命令帧、数据帧和从站模块返回值组成，控制器发送命令帧和数据帧，从站模块根据命令返回相应的返回值。

所述低速串行总线具体由同步时钟信号和从站模块RS-485通讯信号2组差分信号组成，每组差分信号均支持冗余，其中：

同步时钟信号提供数据通信同步时钟，由控制器或时钟模块产生，支持冗余；

从站模块RS485通讯信号与控制器低速串行总线相连，支持冗余。

在进行读写过程数据时，由控制器的本地CPU通过外部存储器接口自动产生本地双口RAM读写时序，本地可编程逻辑器件在CPU读写时序的控制下自动对读写指令进行解析和操作，对于控制器所要发送或者接收的数据，可以自动写入本地可编程逻辑器件内部的寄存器内；背板通信接收完相应字节数据，可编程逻辑器件将数据自动写入内部的数据缓冲区中，并且首地址自动加1；在进行读写过程数据时，背板通信采用的数据包的格式为：数据包头、安全层报文，应用层报文，CRC校验，数据包尾；控制器通过功能安全背板完成对模块过程数据的读写操作；本地CPU将读写操作指令发送到本地可编程逻辑器件后，需要对可编程逻辑器件中的发送使能寄存器进行使能后，本地可编程逻辑器件中的操作指令才会通过背板发送给从站模块。

本地可编程逻辑器件同时接收功能安全背板上串行总线冗余通道的数据，将接收到的数据暂存到可编程逻辑器件中另外一块数据缓冲区中，CPU接收到可编程逻辑器件的中断请求后，通过外部存储器接口可以分别访问双通道接收到的数据。

所述控制器与从站模块均采用CPU和可编程逻辑器件相组合的结构，可编程逻辑器件的功能分别为：作为双口RAM使用，实现对背板通信数据进行缓存，并通过可编程逻辑器件内部逻辑完成对背板通信数据的控制与传输；CPU与可编程逻辑器件之间可以通过中断机制，实现CPU对可编程逻辑器件背板通信数据进行读操作；控制器周期性地通过本地可编程逻辑器件对从站模块进行写操作；本地可编程逻辑器件与功能安全背板之间接口芯片的收发使能通过本地CPU对可编程逻辑器件收发使能寄存器进行写操作控制，本地可编程逻辑器件通过识别数据包的界定标识，判断是否接收功能安全背板串行总线上的数据，当本地可编程逻辑器件完成一包数据的接收之后通过中断请求通知CPU读取数据。

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：

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。

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1～6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。

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：

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；

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；

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；

如图3所示，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P1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。

图3背板地址形成及检测电路管脚定义如下：

P0---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P0电压可以计算电源电缆的实际压降。从站模块将P0作为P1和P2两个电压输入通道公共端。

P1---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。

P2---电阻右侧电压，用于计算从站模块的物理地址。

P0'、P1'、P2':冗余通道，功能与P0、P1、P2相同。

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，

1)低速串行总线，采用10Mbps(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；

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。

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。

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。

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I\O模块1进行读操作为例，包含以下步骤：

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I\O模块的可编程逻辑器件中，从站I\O通过对接收到的数据进行解析和地址过滤后，I\O模块1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。

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：

报文类型：

0xAF---安全相关报文

0xFA---安全无关报文

目标地址：数据报文到达的目标地址，即模块插槽号

源地址：发出数据包的源标地址，即模块插槽号

如图7所示，安全层子报文头数据帧格式：

服务码：安全层协议服务类型

0xA0---控制器探测I\O模块是否在线请求

0xC2---控制器离线配置服务请求

0xD0---控制器过程请求交互数据服务

从站逻辑地址：从站逻辑地址作为I\O模块的唯一标识。I\O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0到65535不等(从站逻辑地址可以认为是MAC地址)；

序列号：报文序列号用于标识报文的顺序，可以防止报文插入、报文乱序等常见的通讯错误；

控制器位：安全PLC背板总线通讯协议是主从模式，并且主站处于主导地位，因此需要主站周期性下发控制状态以控制I/O从站的状态

数据区长度：数据的字节数；

发送标识：用于标识报文由控制器主站发出还是由I\O从站发出，其中0x3C表示该报文是由控制器主站发出的请求报文。

应用层报文格式如图8所示，包含功能服务码，数据长度和若干字节的数据，其中：

功能服务码：用来区分不同的服务请求；

数据长度：数据长度表示数据区的大小，由于是不同请求服务的数据区，所以大小不固定，此关键字可以简化安全层计算数据区长度的工作，也可以用于与安全层数据长度进行比较，以保证数据的安全可靠。

Claims (10)

1.一种功能安全无源背板及其通信方法，包括：

-功能安全背板，用于安装电源模块，控制器模块，I/O模块，总线模块；所述功能安全背板包括：电源总线、多串行总线、模块地址形成电路、模块地址奇偶校验和插拔可靠性标志等，其中电源总线，模块地址形成电路和多串行总线均支持冗余；

-背板延长器，用于实现IO模块的扩展连接；

-终端匹配器，分为左终端匹配器和右终端匹配器，用于功能安全背板内部串行总线差分信号的阻抗匹配和固定功能安全背板，其中左终端匹配器集成DC 24V电源端子，安装电源模块时，可以将内部DC 24V电源输出到外部扩展的功能安全背板；不安装电源模块时，也可以接入前面背板的DC 24V电源，减少电源模块的数量；

其特征在于：背板还包括模块插入可靠性标志单元，背板地址奇偶校验单元；采用多串行总线技术单元，串行总线均支持冗余单元，简化串行总线硬件结构单元，低速串行总线与高速串行总线单元，上述串行总线同时工作，具体体现在功能安全背板的2种串行总线通路，具体为：

1)低速串行总线，采用10Mbps半双工异步通信，物理层为RS-485通信方式，串行差分总线共有4对，其中2对用于与I/O模块通信，另外2对用于时钟同步，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通信速度；低速串行总线可用于I/O模块的通信；

2)高速串行总线，采用50Mbps半双工异步通信，差分总线共有2对，物理层为MLVDS方式，采用主从查询方式通信，数据位以曼彻斯特编码格式进行传输，高速串行总线用于控制器与总线模块的数据传输，硬件上，通过可编程逻辑器件实现控制器与模块的数据传输。

2.按权利要求1所述功能安全无源背板，其特征在于：

所述低速和高速串行总线的可编程逻辑器件分别位于控制器与从站模块中，2种串行总线分别根据各自串行总线的安全通信协议完成通信。

3.按权利要求1所述功能安全无源背板，其特征在于：所述插入可靠性标志单元为：功能安全背板包含两个插入可靠性标志，I/O模块通过检测所在安全背板的两个可靠性标志来验证模块插入的可靠性。

4.按权利要求1所述功能安全无源背板，其特征在于：

所述背板地址奇偶校验单元为：功能安全背板包含一个奇偶校验标志，奇数位置悬空，偶数位置接地，I/O模块通过该标志实现背板地址的奇偶校验。

5.按权利要求1所述功能安全无源背板，其特征在于：

背板地址形成电路，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，模块检测电阻左端与右终匹配器接地点的电压从而判断所在位置。

6.按权利要求1所述功能安全无源背板，其特征在于：

所述多串行总线技术单元，步骤如下：

1)控制器读操作：所有读操作都由命令帧和数据帧组成，控制器发送命令帧，从站模块返回应答数据帧；

2)控制器写操作：由命令帧、数据帧和从站模块返回值组成，控制器发送命令帧和数据帧，从站模块根据命令返回相应的返回值。

7.按权利要求1所述功能安全无源背板，其特征在于：

所述低速串行总线具体由同步时钟信号和从站模块RS-485通讯信号2组差分信号组成，每组差分信号均支持冗余，其中：

同步时钟信号提供数据通信同步时钟，由控制器或时钟模块产生，支持冗余；

从站模块RS485通讯信号与控制器低速串行总线相连，支持冗余。

8.按权利要求6所述功能安全无源背板，其特征在于：

在进行读写过程数据时，由控制器的本地CPU通过外部存储器接口自动产生本地双口RAM读写时序，本地可编程逻辑器件在CPU读写时序的控制下自动对读写指令进行解析和操作，对于控制器所要发送或者接收的数据，可以自动写入本地可编程逻辑器件内部的寄存器内；背板通信接收完相应字节数据，可编程逻辑器件将数据自动写入内部的数据缓冲区中，并且首地址自动加1；在进行读写过程数据时，背板通信采用的数据包的格式为：数据包头、安全层报文，应用层报文，CRC校验，数据包尾；控制器通过功能安全背板完成对模块过程数据的读写操作；本地CPU将读写操作指令发送到本地可编程逻辑器件后，需要对可编程逻辑器件中的发送使能寄存器进行使能后，本地可编程逻辑器件中的操作指令才会通过背板发送给从站模块。

9.按权利要求7所述功能安全无源背板，其特征在于：本地可编程逻辑器件同时接收功能安全背板上串行总线冗余通道的数据，将接收到的数据暂存到可编程逻辑器件中另外一块数据缓冲区中，CPU接收到可编程逻辑器件的中断请求后，通过外部存储器接口可以分别访问双通道接收到的数据。

10.按权利要求8所述功能安全无源背板，其特征在于：控制器与从站模块均采用CPU和可编程逻辑器件相组合的结构，可编程逻辑器件的功能分别为：作为双口RAM使用，实现对背板通信数据进行缓存，并通过可编程逻辑器件内部逻辑完成对背板通信数据的控制与传输；CPU与可编程逻辑器件之间可以通过中断机制，实现CPU对可编程逻辑器件背板通信数据进行读操作；控制器周期性地通过本地可编程逻辑器件对从站模块进行写操作；本地可编程逻辑器件与功能安全背板之间接口芯片的收发使能通过本地CPU对可编程逻辑器件收发使能寄存器进行写操作控制，本地可编程逻辑器件通过识别数据包的界定标识，判断是否接收功能安全背板串行总线上的数据，当本地可编程逻辑器件完成一包数据的接收之后通过中断请求通知CPU读取数据。