CN111158273B - 一种无操作系统的安全显示界面实现方法 - Google Patents

一种无操作系统的安全显示界面实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于核电站安全控制技术领域，具体涉及一种无操作系统的安全显示界面实现方法。本发明提出的无操作系统的安全显示界面实现方法，加快了时间传输，基于无操作系统的ARM架构设计，减少接口调用环节，软件接口、通信端口、传输协议方面为设计操作系统之上的服务支持，极大地减少网络攻击和异常调用带来的风险。

Description

一种无操作系统的安全显示界面实现方法
技术领域
本发明属于核电站安全控制技术领域，具体涉及一种无操作系统的安全显示界面实现方法。
背景技术
随着核电站发电设备和用电量的逐年增多，人们对控制系统的自动化和安全显示要求也越来越高，设备信息的实时、安全显示和人机交互信息的安全、高可靠、快速响应处理要求已成为核电控制系统自动化和安全运行的重要要素之一。
现有的核电站控制系统自动化和安全显示主要沿用工业控制领域嵌入式操作系统上搭建控制软件，程序控制基于通信协议与显示设备之间数据交互及信息传输。这种方式通信量大，效率低，操控依赖于嵌入式系统自身的安全性，如存在系统性的安全风险，则安全隐患的排查难度增大，处理难度加大，甚至造成事故。
传统的技术方案由于面临上述不足，因此亟需研制一种无操作系统的安全显示界面实现方法，从而解决上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种无操作系统的安全显示界面实现方法，以保障核电控制系统自动化和安全运行。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
一种无操作系统的安全显示界面实现方法，包括以下步骤：
(1)确定系统架构
(2)系统运行过程的状态切换设计方法
(2.1)在设备上电启动后，启动模块带起运行环境初始化过程，执行上电初始化流程，进入引导模块，引导模块进行主模块启动引导过程；
运行环境初始化在每次上电启动后只执行一次，初始化完成后启动任务的管理模块执行各项任务的初始化过程；
(2.2)当主模块启动后直接切换至维护模式时，转至步骤(2.5)；
当系统设定在运行模式下人工切换完成至维护模式时，转至步骤(2.3)；
(2.3)引导模块正确引导后启动主模块，主模块进行状态和寄存器的初始化，读取系统运行状态参数，进行模式的切换；
切换模式的条件为系统控制器的模式按钮，根据人工置数进行模式切换的选择；
(2.4)当系统切换为运行模式后，系统进入正常运行状态，在此状态下进行正常的安全显示工作，直到系统状态被人工切换或者异常；
(2.5)当系统状态由运行切换至维护模式后系统进行系统维护工作；
(2.6)维护工作完成后系统自动切换状态，重新启动主模块，完成主模块工作的加载和初始化；
在步骤(2.1)-(2.6)过程中，系统发生运行异常情况时触发故障处理，故障处理进行故障的记录的日志，诊断后进行模式的复位，重新启动主模块，完成主模块的启动，转至步骤(2.1)；
(3)系统运行过程的运行逻辑设计方法
在系统运行模式中，系统进行数据收发、图像处理、硬件设备诊断。
进一步的，如上所述的一种无操作系统的安全显示界面实现方法，步骤(1)中，包括(1.1)系统硬件构架和(1.2)系统软件构架。
进一步的，如上所述的一种无操作系统的安全显示界面实现方法，步骤(1.1)系统硬件构架中：
系统包括PFPGA通讯模块、ARM处理模块、DFPGA诊断模块、DDR内存模块、FLASH模块、TF存储模块、FRAM模块以及外设接口；
PFPGA通讯模块负责接口通讯、配置数据处理、模式切换；
ARM处理模块负责显示处理、页面控制、页面存储、数据显示；
DFPGA诊断模块负责诊断，包括PFPGA状态监视、ARM状态监视、通讯数据状态监视以及故障报警显示；
DDR内存模块用于运行数据存储；
FLASH模块用于程序和配置页面、字库的数据存储；
TF存储模块用于页面、历史数据存储；
FRAM模块用于配置数据存储。
进一步的，如上所述的一种无操作系统的安全显示界面实现方法，步骤(1.2)系统软件构架中：
①应用1层封装启动模块带起运行环境初始化过程，执行上电初始化流程；应用1层封装、应用2层封装实现基础功能封装；
②应用2层封装应用支持模块，还包括运行环境初始化，任务管理以及故障处理，其中故障处理模块不直接执行，在应用任务运行过程中，判断故障处理条件满足时才进行故障处理的实际执行；
③应用处理层实现安全显示界面必要的信息处理和数据收发之外，还进行UI界面显示的实时刷新，操作界面按键响应的反馈显示，以及每个循环周期的故障诊断过程。
进一步的，如上所述的一种无操作系统的安全显示界面实现方法，步骤(1.2)系统软件构架中，应用处理过程设计为周期循环处理，所有处理过程精确到毫秒内完成。
进一步的，如上所述的一种无操作系统的安全显示界面实现方法，步骤(1.2)系统软件构架中，周期循环中故障处理环节设计功能是指在执行自检输出结果，满足故障处理条件后进入故障流程，故障处理完成之后循环退出。
进一步的，如上所述的一种无操作系统的安全显示界面实现方法，步骤(1.2)系统软件构架中，故障处理后循环终止，进入模式切换判断，在故障处理完成之后模式复位。
进一步的，如上所述的一种无操作系统的安全显示界面实现方法，步骤(1.2)系统软件构架中，非关键自监视结果输出满足异常时通过FPGA上送工程师站结果，循环继续进行；工程师站将检测到的异常显示到终端屏幕，通过操作人员人工分析，进行故障分析和处理。
进一步的，如上所述的一种无操作系统的安全显示界面实现方法，步骤(3)具体过程包括以下步骤：
(3.1)运行模式开始，清零数据收发和处理寄存器、计数器等初始化变量；
(3.2)接收显示界面操作员的按键信号，进行运算处理，并反馈按键结果；
(3.3)接收各输入输出和控制器经FPGA发来的系统数据，进行数据的计算和显示方式换算，显示实时结果；
(3.4)经过系统处理的实时数据，进行显示页面的更新，将更新结果通过FPGA发送至安全显示界面；
(3.5)进行周期故障诊断过程，诊断过程包括ROM诊断、RAM诊断、CPU计算诊断、时钟状态诊断；
诊断完成后进行数据刷新；
①诊断后各状态如出现异常则进入故障处理状态，退出运行模式；
②诊断结果正常，则输出现场设备的操作指令和诊断结果；
(3.6)对非关键硬件进行诊断
①诊断出现异常时通过FPGA上送工程师站异常结果；
②诊断正常则在循环结束后进行看门狗刷新，刷新等待时间；
(3.7)运行模式的运行结束，触发新一轮的循环过程，整个循环设计在100毫秒内完成所有工作。
本发明技术方案的有益效果在于：对于核电站安全级显示设备而言，操作系统控制方式较大地增加了信息处理的流程和复杂度，降低了设备的安全性，影响了显示信息处理效率，导致时间传输和响应的延时精度降低，也可能因为频繁按键操作带来时间不可靠的结果。本发明提出的无操作系统的安全显示界面实现方法，加快了时间传输，基于无操作系统的ARM架构设计，减少接口调用环节，软件接口、通信端口、传输协议方面为设计操作系统之上的服务支持，极大地减少网络攻击和异常调用带来的风险。
因为软件和平台架构无操作系统设计，应用程序设计进一步精简，效率比同类硬件设计的传统操作系统应用处理速度高2倍以上。在单位时间内所完成的数据处理和自监视处理更快，效率更高。具有高精度、高性能稳定、传输快等优点，实现安全可靠的功能显示。
附图说明
附图1为本发明的系统模式切换示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明一种无操作系统的安全显示界面实现方法，包括以下步骤：
(1)确定系统架构
步骤(1)中，包括(1.1)系统硬件构架和(1.2)系统软件构架；
步骤(1.1)系统硬件构架中：
系统包括PFPGA通讯模块、ARM处理模块、DFPGA诊断模块、DDR内存模块、FLASH模块、TF存储模块、FRAM模块以及外设接口；
PFPGA通讯模块负责接口通讯、配置数据处理、模式切换；
ARM处理模块负责显示处理、页面控制、页面存储、数据显示；
DFPGA诊断模块负责诊断，包括PFPGA状态监视、ARM状态监视、通讯数据状态监视以及故障报警显示；
DDR内存模块用于运行数据存储；
FLASH模块用于程序和配置页面、字库的数据存储；
TF存储模块用于页面、历史数据存储；
FRAM模块用于配置数据存储；
步骤(1.2)系统软件构架中，在通过硬件上层对驱动层的双层封装，实现应用数据直接收发处理、界面显示和自检功能，在核电站设备内部通过FPGA和控制器进行显示数据传输处理。
①应用1层封装启动模块带起运行环境初始化过程，执行上电初始化流程；应用1层封装、应用2层封装实现基础功能封装；
②应用2层封装应用支持模块，还包括运行环境初始化，任务管理以及故障处理，其中故障处理模块不直接执行，在应用任务运行过程中，判断故障处理条件满足时才进行故障处理的实际执行；
③应用处理层实现安全显示界面必要的信息处理和数据收发之外，还进行UI界面显示的实时刷新，操作界面按键响应的反馈显示，以及每个循环周期的故障诊断过程；
应用处理过程设计为周期循环处理，所有处理过程精确到毫秒内完成；
周期循环中故障处理环节设计功能是指在执行自检输出结果，满足故障处理条件后进入故障流程，故障处理完成之后循环退出；
故障处理后循环终止，进入模式切换判断，在故障处理完成之后模式复位；
非关键自监视结果输出满足异常时通过FPGA上送工程师站结果，循环继续进行；工程师站将检测到的异常显示到终端屏幕，通过操作人员人工分析，进行故障分析和处理；
(2)系统运行过程的状态切换设计方法
(2.1)在设备上电启动后，启动模块带起运行环境初始化过程，执行上电初始化流程，进入引导模块，引导模块进行主模块启动引导过程；
运行环境初始化在每次上电启动后只执行一次，初始化完成后启动任务的管理模块执行各项任务的初始化过程；本发明中的任务不同于通常意义上的程序执行单位，而是对程序功能的模块划分。
(2.2)当主模块启动后直接切换至维护模式时，转至步骤(2.5)；
当系统设定在运行模式下人工切换完成至维护模式时，转至步骤(2.3)；
(2.3)引导模块正确引导后启动主模块，主模块进行状态和寄存器的初始化，读取系统运行状态参数，进行模式的切换；
切换模式的条件为系统控制器的模式按钮，根据人工置数进行模式切换的选择；
(2.4)当系统切换为运行模式后，系统进入正常运行状态，在此状态下进行正常的安全显示工作，直到系统状态被人工切换或者异常；
(2.5)当系统状态由运行切换至维护模式后系统进行系统维护工作；
(2.6)维护工作完成后系统自动切换状态，重新启动主模块，完成主模块工作的加载和初始化；
在步骤(2.1)-(2.6)过程中，系统发生运行异常情况时触发故障处理，故障处理进行故障的记录的日志，诊断后进行模式的复位，重新启动主模块，完成主模块的启动，转至步骤(2.1)；
(3)系统运行过程的运行逻辑设计方法
在系统运行模式中，系统进行数据收发、图像处理、硬件设备诊断。
具体过程包括以下步骤：
(3.1)运行模式开始，清零数据收发和处理寄存器、计数器等初始化变量；
(3.2)接收显示界面操作员的按键信号，进行运算处理，并反馈按键结果；
(3.3)接收各输入输出和控制器经FPGA发来的系统数据，进行数据的计算和显示方式换算，显示实时结果；
(3.4)经过系统处理的实时数据，进行显示页面的更新，将更新结果通过FPGA发送至安全显示界面；
(3.5)进行周期故障诊断过程，诊断过程包括ROM诊断、RAM诊断、CPU计算诊断、时钟状态诊断；
诊断完成后进行数据刷新；
①诊断后各状态如出现异常则进入故障处理状态，退出运行模式；
②诊断结果正常，则输出现场设备的操作指令和诊断结果；
(3.6)对非关键硬件进行诊断
①诊断出现异常时通过FPGA上送工程师站异常结果；
②诊断正常则在循环结束后进行看门狗刷新，刷新等待时间；
本发明的看门狗刷新在毫秒级完成判断和操作，因此判断精度大大快于其他系统看门狗的判断精度，也快于现有基于操作系统的显示界面看门狗处理设计。
(3.7)运行模式的运行结束，触发新一轮的循环过程，整个循环设计在100毫秒内完成所有工作。

Claims (7)

1.一种无操作系统的安全显示界面实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定系统架构
(2)系统运行过程的状态切换设计方法
(2.1)在设备上电启动后，启动模块带起运行环境初始化过程，执行上电初始化流程，进入引导模块，引导模块进行主模块启动引导过程；
运行环境初始化在每次上电启动后只执行一次，初始化完成后启动任务的管理模块执行各项任务的初始化过程；
(2.2)当主模块启动后直接切换至维护模式时，转至步骤(2.5)；
当系统设定在运行模式下人工切换完成至维护模式时，转至步骤(2.3)；
(2.3)引导模块正确引导后启动主模块，主模块进行状态和寄存器的初始化，读取系统运行状态参数，进行模式的切换；
切换模式的条件为系统控制器的模式按钮，根据人工置数进行模式切换的选择；
(2.4)当系统切换为运行模式后，系统进入正常运行状态，在此状态下进行正常的安全显示工作，直到系统状态被人工切换或者异常；
(2.5)当系统状态由运行切换至维护模式后系统进行系统维护工作；
(2.6)维护工作完成后系统自动切换状态，重新启动主模块，完成主模块工作的加载和初始化；
在步骤(2.1)-(2.6)过程中，系统发生运行异常情况时触发故障处理，故障处理进行故障的记录的日志，诊断后进行模式的复位，重新启动主模块，完成主模块的启动，转至步骤(2.1)；
(3)系统运行过程的运行逻辑设计方法
在系统运行模式中，系统进行数据收发、图像处理、硬件设备诊断；
步骤(1)中，包括(1.1)系统硬件构架和(1.2)系统软件构架；
步骤(1.1)系统硬件构架中：
系统包括PFPGA通讯模块、ARM处理模块、DFPGA诊断模块、DDR内存模块、FLASH模块、TF存储模块、FRAM模块以及外设接口；
PFPGA通讯模块负责接口通讯、配置数据处理、模式切换；
ARM处理模块负责显示处理、页面控制、页面存储、数据显示；
DFPGA诊断模块负责诊断，包括PFPGA状态监视、ARM状态监视、通讯数据状态监视以及故障报警显示；
DDR内存模块用于运行数据存储；
FLASH模块用于程序和配置页面、字库的数据存储；
TF存储模块用于页面、历史数据存储；
FRAM模块用于配置数据存储；
步骤(1.2)系统软件构架中：
①应用1层封装启动模块带起运行环境初始化过程，执行上电初始化流程；应用1层封装、应用2层封装实现基础功能封装；
②应用2层封装应用支持模块，还包括运行环境初始化，任务管理以及故障处理，其中故障处理模块不直接执行，在应用任务运行过程中，判断故障处理条件满足时才进行故障处理的实际执行；
③应用处理层实现安全显示界面必要的信息处理和数据收发之外，还进行UI界面显示的实时刷新，操作界面按键响应的反馈显示，以及每个循环周期的故障诊断过程。
2.如权利要求1所述的一种无操作系统的安全显示界面实现方法，其特征在于：步骤(1.2)系统软件构架中，应用处理过程设计为周期循环处理，所有处理过程精确到毫秒内完成。
3.如权利要求2所述的一种无操作系统的安全显示界面实现方法，其特征在于：步骤(1.2)系统软件构架中，周期循环中故障处理环节设计功能是指在执行自检输出结果，满足故障处理条件后进入故障流程，故障处理完成之后循环退出。
4.如权利要求2所述的一种无操作系统的安全显示界面实现方法，其特征在于：步骤(1.2)系统软件构架中，故障处理后循环终止，进入模式切换判断，在故障处理完成之后模式复位。
5.如权利要求2所述的一种无操作系统的安全显示界面实现方法，其特征在于：步骤(1.2)系统软件构架中，非关键自监视结果输出满足异常时通过FPGA上送工程师站结果，循环继续进行；工程师站将检测到的异常显示到终端屏幕，通过操作人员人工分析，进行故障分析和处理。
6.如权利要求1所述的一种无操作系统的安全显示界面实现方法，其特征在于：步骤(3)具体过程包括以下步骤：
(3.1)运行模式开始，清零数据收发和处理寄存器、计数器初始化变量；
(3.2)接收显示界面操作员的按键信号，进行运算处理，并反馈按键结果；
(3.3)接收各输入输出和控制器经FPGA发来的系统数据，进行数据的计算和显示方式换算，显示实时结果；
(3.4)经过系统处理的实时数据，进行显示页面的更新，将更新结果通过FPGA发送至安全显示界面；
(3.5)进行周期故障诊断过程，诊断过程包括ROM诊断、RAM诊断、CPU计算诊断、时钟状态诊断；
诊断完成后进行数据刷新；
①诊断后各状态如出现异常则进入故障处理状态，退出运行模式；
②诊断结果正常，则输出现场设备的操作指令和诊断结果；
(3.6)对非关键硬件进行诊断
①诊断出现异常时通过FPGA上送工程师站异常结果；
②诊断正常则在循环结束后进行看门狗刷新，刷新等待时间；
(3.7)运行模式的运行结束，触发新一轮的循环过程，整个循环设计在100毫秒内完成所有工作。
7.如权利要求1所述的一种无操作系统的安全显示界面实现方法，其特征在于：应用处理过程设计为周期循环处理，所有处理过程精确到毫秒内完成；
周期循环中故障处理环节设计功能是指在执行自检输出结果，满足故障处理条件后进入故障流程，故障处理完成之后循环退出；
故障处理后循环终止，进入模式切换判断，在故障处理完成之后模式复位；
非关键自监视结果输出满足异常时通过FPGA上送工程师站结果，循环继续进行；工程师站将检测到的异常显示到终端屏幕，通过操作人员人工分析，进行故障分析和处理；
步骤(3)具体过程包括以下步骤：
(3.1)运行模式开始，清零数据收发和处理寄存器、计数器初始化变量；
(3.2)接收显示界面操作员的按键信号，进行运算处理，并反馈按键结果；
(3.3)接收各输入输出和控制器经FPGA发来的系统数据，进行数据的计算和显示方式换算，显示实时结果；
(3.4)经过系统处理的实时数据，进行显示页面的更新，将更新结果通过FPGA发送至安全显示界面；
(3.5)进行周期故障诊断过程，诊断过程包括ROM诊断、RAM诊断、CPU 计算诊断、时钟状态诊断；
诊断完成后进行数据刷新；
①诊断后各状态如出现异常则进入故障处理状态，退出运行模式；
②诊断结果正常，则输出现场设备的操作指令和诊断结果；
(3.6)对非关键硬件进行诊断
①诊断出现异常时通过FPGA上送工程师站异常结果；
②诊断正常则在循环结束后进行看门狗刷新，刷新等待时间；
(3.7)运行模式的运行结束，触发新一轮的循环过程，整个循环设计在100毫秒内完成所有工作。
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