CN106527295B - 安全级dcs双fpga的多样性架构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及分析及测量控制技术领域，具体公开了安全级DCS双FPGA的多样性架构，硬件包括电源模块、时钟模块、通信模块、处理FPGA模块和诊断FPGA模块，其中处理FPGA模块执行安全运算处理功能，诊断FPGA模块负责在线诊断，处理FPGA模块和诊断FPGA模块之间的互联通讯采用隔离总线。本发明处理器采用FPGA，比MCU处理器更稳定更可靠；本发明对安全级回路所有部分都能进行诊断。

Description

安全级DCS双FPGA的多样性架构
技术领域
本发明属于分析及测量控制技术领域，具体涉及一种安全级DCS双FPGA的多样性架构。
背景技术
随着芯片技术的发展，现场可编程门阵列(FPGA)设备因具有行为确定、无软件程序、并行执行、结构简单、时间响应快、易于取得监管和取证等优点，越来越广泛应用于安全级DCS系统，特别是新一代核电厂安全级仪控系统，是目前核电厂仪控系统进行技术改造的首选方案，满足三代核电高安全性与高可靠性的要求。同时，随着我国核电建设事业的快速发展，被誉为核电厂“神经系统”的数字化控制系统(DCS)的自主化越来越受到人们的关注。
发明内容
本发明的目的在于提供一种安全级DCS双FPGA的多样性架构，用于安全级DCS的模块级硬件设计中。
本发明的技术方案如下：
安全级DCS双FPGA的多样性架构，应用在DCS各个模块中，其特征在于：硬件包括电源模块、时钟模块、通信模块、处理FPGA模块和诊断FPGA模块；
电源模块包括两个24V电源，分别用于处理FPGA模块和诊断FPGA模块的供电，24V电源经过DC-DC转换后，提供FPGA的核心电平和IO电平；
时钟模块采用高精度的温补晶振，作为FPGA的主时钟源；
处理FPGA模块为PFPGA，诊断FPGA模块为DFPGA；
处理FPGA模块和诊断FPGA模块之间的互联通讯采用隔离总线，通过总线隔离驱动器；
处理FPGA模块作为总线主机，访问诊断FPGA模块数据，发送状态数据；
处理FPGA模块处理输入数据、数据运算以及数据输出，负责MCU负责的功能，在每一步与诊断FPGA模块进行数据比较，当数据不一致时，修改数据质量位；
诊断FPGA模块作为板卡的在线自诊断单元，通过复位去重置处理FPGA模块；
在板卡发生不可恢复故障时，诊断FPGA模块报警。
采用两种不同方法设计双FPGA架构，一个处理FPGA模块执行安全运算处理功能，另一个诊断FPGA模块负责在线诊断；处理FPGA模块和诊断FPGA模块的电源、时钟、复位都是独立设计，两者的软件和硬件设计完全不同。
处理FPGA模块完成安全级控制功能，负责总线收发、配置管理、状态显示以及通道数据读取。
诊断FPGA模块负责诊断，实现处理FPGA模块诊断、电源模块诊断、通讯模块诊断、时钟模块诊断和存储诊断。
诊断功能完全独立于控制功能，诊断FPGA模块的故障，不影响处理FPGA模块安全级功能的执行。
两种DC-DC转换采用不同的方案。
两个FPGA采用不同的晶振。
两个FPGA互联总线为并行数据总线，包括数据线、地址线、控制线、状态线。
诊断FPGA模块通过诊断总线和LED报警。
本发明的显著效果在于：
(1)本发明处理器采用FPGA，比MCU处理器更稳定更可靠；
(2)本发明采用了一种IEC 61508推荐的带诊断的处理器架构；
(3)本发明对安全级回路所有部分都能进行诊断。
附图说明
图1为双FPGA架构示意图；
图2为数据处理流程示意图；
图3为诊断功能框图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示的安全级DCS双FPGA的多样性架构，应用在DCS各个模块中，硬件包括电源模块、时钟模块、通信模块、处理FPGA模块和诊断FPGA模块。采用两种不同方法设计双FPGA架构，一个处理FPGA模块为PFPGA(Process FPGA)，执行安全运算处理功能，另一个诊断FPGA模块为DFPGA(Diagnose FPGA)，负责在线诊断。处理FPGA模块和诊断FPGA模块的电源、时钟、复位都是独立设计。
处理FPGA模块和诊断FPGA模块的型号、厂家、类型都不相同，固件设计也采用不同的办法，避免共因故障。例如：处理FPGA模块采用Intel(Altera)公司的SIL3级Cyclone5E系列FPGA，芯片基于TSMC的28-nm低功耗(28LP)工艺开发，开发环境II；诊断FPGA模块采用Microsemi(Actel)公司的高性能IGLOO2系列FPGA，芯片基于FLASH架构，开发软件Libero SoC。两者软硬件设计完全不同。
诊断功能完全独立于控制功能，诊断FPGA模块的故障，不影响处理FPGA模块安全级功能的执行。
电源模块包括两个24V电源，分别用于处理FPGA模块和诊断FPGA模块的供电，24V电源经过DC-DC转换后，提供FPGA的核心电平和IO电平。两种DC-DC转换采用不同的方案避免共因故障，例如：处理FPGA电源采用单芯片解决方案，一个电源模块同时输出三路电源，采用ADI(LINER)公司的DC-DC稳压模块，集成电感、电容以及开关MOSFET，可以直接给FPGA的核心电平、PLL电平以及IO电平供电；诊断FPGA电源采用一路开关电源芯片结合一路LDO的方式，开关电源采用TI公司的双路稳压电源芯片，外围有功率电感、滤波电容。
时钟模块采用高精度的温补晶振，作为FPGA的主时钟源。两个FPGA采用不同的晶振，例如：处理FPGA采用KDS的高稳定度压控温补晶振；诊断FPGA采用国产的军品级温补晶振。
处理FPGA模块和诊断FPGA模块之间的互联通讯采用隔离总线，通过总线隔离驱动器，两个FPGA互联总线为并行数据总线，包括数据线、地址线、控制线、状态线。处理FPGA模块作为总线主机，访问诊断FPGA模块数据，定期发送状态数据。
如图2所示，处理FPGA模块处理输入数据、数据运算以及数据输出，负责MCU负责的功能，在每一步与诊断FPGA模块进行数据比较，当数据不一致时，修改数据质量位。处理FPGA模块完成安全级控制功能，负责总线收发、配置管理、状态显示以及通道数据读取。
如图3所示，诊断FPGA模块作为板卡的在线自诊断单元，负责诊断，实现处理FPGA模块诊断、电源模块诊断、通讯模块诊断、时钟模块诊断和存储诊断，并通过复位去重置处理FPGA模块。在板卡发生不可恢复故障时，通过诊断总线和LED报警。

Claims (9)

1.安全级DCS双FPGA的多样性架构，应用在DCS各个模块中，其特征在于：硬件包括电源模块、时钟模块、通信模块、处理FPGA模块和诊断FPGA模块；
电源模块包括两个24V电源，分别用于处理FPGA模块和诊断FPGA模块的供电，24V电源经过DC-DC转换后，提供FPGA的核心电平和IO电平；
时钟模块采用高精度的温补晶振，作为FPGA的主时钟源；
处理FPGA模块为PFPGA，诊断FPGA模块为DFPGA；
处理FPGA模块和诊断FPGA模块之间的互联通讯采用隔离总线，通过总线隔离驱动器；
处理FPGA模块作为总线主机，访问诊断FPGA模块数据，发送状态数据；
处理FPGA模块处理输入数据、数据运算以及数据输出，负责MCU负责的功能，在每一步与诊断FPGA模块进行数据比较，当数据不一致时，修改数据质量位；
诊断FPGA模块作为板卡的在线自诊断单元，通过复位去重置处理FPGA模块；
在板卡发生不可恢复故障时，诊断FPGA模块报警。
2.如权利要求1所述的安全级DCS双FPGA的多样性架构，其特征在于：采用两种不同方法设计双FPGA架构，一个处理FPGA模块执行安全运算处理功能，另一个诊断FPGA模块负责在线诊断；处理FPGA模块和诊断FPGA模块的电源、时钟、复位都是独立设计，且处理FPGA模块和诊断FPGA模块的软件和硬件设计完全不同。
3.如权利要求2所述的安全级DCS双FPGA的多样性架构，其特征在于：处理FPGA模块完成安全级控制功能，负责总线收发、配置管理、状态显示以及通道数据读取。
4.如权利要求3所述的安全级DCS双FPGA的多样性架构，其特征在于：诊断FPGA模块负责诊断，实现处理FPGA模块诊断、电源模块诊断、通讯模块诊断、时钟模块诊断和存储诊断。
5.如权利要求4所述的安全级DCS双FPGA的多样性架构，其特征在于：诊断功能完全独立于控制功能，诊断FPGA模块的故障，不影响处理FPGA模块安全级功能的执行。
6.如权利要求5所述的安全级DCS双FPGA的多样性架构，其特征在于：两种DC-DC转换采用不同的方案。
7.如权利要求6所述的安全级DCS双FPGA的多样性架构，其特征在于：两个FPGA采用不同的晶振。
8.如权利要求7所述的安全级DCS双FPGA的多样性架构，其特征在于：两个FPGA互联总线为并行数据总线，包括数据线、地址线、控制线、状态线。
9.如权利要求8所述的安全级DCS双FPGA的多样性架构，其特征在于：诊断FPGA模块通过诊断总线和LED报警。
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