CN116300745A - 分布式控制系统时钟信号检测切换方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分布式控制系统时钟信号检测切换方法及系统。使用同步时钟通信的分布式控制系统存在二级计算机不能自主选择工作状态和故障状态预测的问题。本系统系统中，一级计算机接入一级时钟信号分路模块，一级时钟信号分路模块分路分别接入二级计算机和时钟信号切换模块；二级计算机和内时钟信号产生模块均接入时钟信号切换模块，时钟信号切换模块接入二级时钟信号分路模块；二级时钟信号分路模块分路分别接入二级计算机和三级计算机。本方法采用外时钟自动检测与内外时钟切换策略，控制和启动灵活性更高，可以选择启动部分二级计算机，把一级计算机的部分控制功能下放，实现多样控制，节省操作时间，提升操作效率。
Description
技术领域
本发明涉及计算机控制技术领域，具体涉及一种分布式控制系统时钟信号检测切换方法及系统。
背景技术
分布式控制系统(Distributed Control System，DCS)一般分三层：过程控制层(三级)、生产监控层(二级)和集中管理层(一级)。处于底层的过程控制层一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控层计算机。生产监控层对来自过程控制层的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。随着计算机技术的发展，DCS可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能，如计划调度、仓储管理、能源管理等。其中过程控制层采用微处理器分别控制各个回路，而用中小型工业控制计算机或高性能的微处理机实施上一级的控制。各回路之间和上下级之间通过高速数据通道交换信息。某些场合，上下级计算机高速即时通信需要同步时钟保证数据快速发送与接收。但在某些特殊情况下，生产监控层计算机即二级计算机应具备产生时钟信号并利用内时钟启动的能力，可自启动并独立运行。如果有更多层级的系统，介于中间的各层级计算机均可能有自启动独立工作的需求。
如果生产监控层计算机即二级计算机不具备产生内时钟并利用内时钟启动的能力，而只具有依靠外时钟启动的能力，则每次启动工作均需要开启集中管理层计算机即一级计算机，而实际某些场合只需要二级计算机启动则可以完成相关的工作，无需开启一级计算机，甚至某些特定场合先开启二级计算机非常有必有，比如军事领域，部分系统在实际使用过程中先开启二级计算机有利用节省操作时间，提升操作效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种分布式控制系统时钟信号检测切换方法及系统，以解决目前使用同步时钟通信的分布式控制系统中，生产监控层计算机即二级计算机无法自启动并独立工作的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
分布式控制系统时钟信号检测切换系统，包括一级计算机、二级计算机和三级计算机，所述系统还包括一级时钟信号分路模块、时钟信号切换模块、内时钟信号产生模块和二级时钟信号分路模块；
所述一级计算机接入所述一级时钟信号分路模块，所述一级时钟信号分路模块分路分别接入所述二级计算机和所述时钟信号切换模块；
所述二级计算机和所述内时钟信号产生模块均接入所述时钟信号切换模块，所述时钟信号切换模块接入所述二级时钟信号分路模块；
所述二级时钟信号分路模块分路分别接入所述二级计算机和所述三级计算机。
进一步地，所述系统还包括时钟信号调理模块和检测信号驱动模块，所述时钟信号调理模块和所述检测信号驱动模块设置在所述一级时钟信号分路模块和所述二级计算机之间；
所述一级时钟信号分路模块接入所述时钟信号调理模块，进而通过所述检测信号驱动模块接入所述二级计算机。
进一步地，所述系统还包括切换控制信号驱动模块，所述切换控制信号驱动模块设置在所述二级计算机和所述时钟信号切换模块之间；
所述二级计算机接入所述切换控制信号驱动模块，进而接入所述时钟信号切换模块。
另一方面，提供分布式控制系统时钟信号检测切换方法，所述方法包括：
一级计算机产生外时钟信号并在一级计算机工作时保持信号输出；
于二级计算机设置内时钟信号产生模块，内时钟信号产生模块产生内时钟信号并在二级计算机工作时保持信号输出；
全状态模式下，二级计算机依靠内时钟信号启动并持续检测外时钟信号；检测到外时钟信号时接收外时钟信号并使用外时钟工作且停止外时钟信号检测，若连续3拍通信出错，则恢复对外时钟信号的检测；未检测到外时钟信号时接收内时钟信号并使用内时钟工作且保持对外时钟信号的检测；
自检状态下，二级计算机不检测外时钟信号，二级计算机接收内时钟信号并使用内时钟工作。
进一步地，内时钟信号产生模块是与一级计算机的外时钟电路一致的时钟产生电路，或使用技术指标与一级计算机的外时钟时钟信号一致的时钟信号产生电路。
进一步地，二级计算机持续检测外时钟信号，包括：
一级计算机产生的外时钟信号发送至时钟信号调理模块，进而通过检测信号驱动模块发送至二级计算机。
进一步地，二级计算机未检测到外时钟信号时接收内时钟信号并使用内时钟工作，包括：
于一级计算机设置一级时钟信号分路模块，于二级计算机设置时钟信号切换模块；
一级计算机产生的外时钟信号发送至一级时钟信号分路模块，经一级时钟信号分路模块分路输出，一路输出到时钟信号调理模块，另一路输出到时钟信号切换模块；
时钟信号切换模块的默认状态为接收一级计算机产生的外时钟信号，并发送至二级计算机和三级计算机；
二级计算机未检测到外时钟信号时，则向时钟信号切换模块发送切换控制信号，时钟信号切换模块根据切换控制信号，切换为接收内时钟信号产生模块产生的内时钟信号，并使用内时钟工作。
进一步地，二级计算机未检测到外时钟信号时，则向时钟信号切换模块发送切换控制信号，包括：
于二级计算机设置切换控制信号驱动模块，二级计算机发出的切换控制信号经切换控制信号驱动模块放大后发送至时钟信号切换模块。
进一步地，所述方法还包括：
切换期间，二级计算机停止检测外时钟信号，二级计算机与三级计算机的通信暂时全部中断，在1个通信周期后恢复。
进一步地，所述方法还包括：
于二级计算机设置二级时钟信号分路模块，时钟信号切换模块将接收到的外时钟信号或内时钟信号分路，一路发送至二级计算机，另一路发送至三级计算机。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本方法可实现分布式控制系统的时钟信号检测切换、系统状态保持和故障状态预测，与目前使用的分布式控制系统相比，二级计算机使用外时钟自动检测与内外时钟切换的方式后，比不使用内时钟的分布式控制系统具有更高的控制灵活性和更大的启动灵活性，可以选择启动部分二级计算机及其控制的下级计算机，可以把一级计算机的部分控制功能授权到二级计算机，在部分系统启动或者全系统启动的条件下可以使用二级计算机代替一级计算机实现部分控制职能。用户可以选择更合适的启动规模，实现更多样的控制，节省操作时间，提升操作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1是本发明方法的原理框图；
图2是时钟缓冲器硬件电路连接示意图；
图3是时钟信调理电路图；
图4是RC电路的频率响应图；
图5是差分时钟原始时域信号图；
图6是0.02秒100MHz差分时钟信号快速傅里叶变换的频谱图；
图7是限幅差分时钟信号时域信号图；
图8是0.02秒限幅差分时钟信号快速傅里叶变换的频谱图；
图9是Multisim模拟仿真调理模块输出信号图；
图10是检测信号驱动模块电路图；
图11是Multisim模拟仿真检测信号驱动模块输出信号图；
图12是控制信号驱动模块电路图；
图13是使用直流接触器的时钟信号切换模块电路图；
图14是使用固态继电器的时钟信号切换模块电路图；
图15是使用磁保持继电器的时钟信号切换模块电路图；
图16是单引脚使用磁保持继电器的配套电路图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
应注意到，相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个实施例中被定义，则在随后的实施例中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“包括”等以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
还应注意到，虽然在方法描述中涉及了步骤顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行，不应被理解为对步骤顺序的限制。
常见的分布式控制系统包括一级计算机、二级计算机和三级计算机，一级计算机启动后，将外时钟信号发送至二级计算机和三级计算机，实现同步。该方式导致系统过渡依赖一级计算机，二级计算机不具备独立启动能力，在某些场合并不适用，也并不稳定。本发明提供了一种分布式控制系统时钟信号检测切换系统，在一级计算机、二级计算机和三级计算机的系统结构基础上进行了升级，能有效克服上述问题。
如图1，所述系统还包括一级时钟信号分路模块、时钟信号切换模块、内时钟信号产生模块和二级时钟信号分路模块。一级计算机接入一级时钟信号分路模块，一级时钟信号分路模块分路分别接入二级计算机和时钟信号切换模块；二级计算机和内时钟信号产生模块均接入时钟信号切换模块，时钟信号切换模块接入二级时钟信号分路模块；二级时钟信号分路模块分路分别接入二级计算机和三级计算机。
系统还包括时钟信号调理模块和检测信号驱动模块，时钟信号调理模块和检测信号驱动模块设置在一级时钟信号分路模块和二级计算机之间；一级时钟信号分路模块接入时钟信号调理模块，进而通过检测信号驱动模块接入二级计算机。
系统还包括切换控制信号驱动模块，切换控制信号驱动模块设置在二级计算机和时钟信号切换模块之间；二级计算机接入切换控制信号驱动模块，进而接入时钟信号切换模块。
基于上述系统结构，本发明提供了一种分布式控制系统时钟信号检测切换方法，所述方法包括：
S1：一级计算机产生外时钟信号并在一级计算机工作时保持信号输出。
S2：于二级计算机设置内时钟信号产生模块，内时钟信号产生模块产生内时钟信号并在二级计算机工作时保持信号输出。
内时钟信号产生模块是与一级计算机的外时钟电路一致的时钟产生电路，或使用技术指标与一级计算机的外时钟时钟信号一致的时钟信号产生电路。内时钟信号产生模块能确保没有外时钟信号输入时二级计算机仍有时钟信号可以使用，即内时钟信号。二级计算机启动时，同步向内时钟信号产生模块供电，内时钟信号产生模块产生内时钟信号并在二级计算机工作时保持信号输出。
S3：系统按两种模式运行：
(1)全状态模式下，二级计算机依靠内时钟信号启动并持续检测外时钟信号；检测到外时钟信号时接收外时钟信号并使用外时钟工作且停止外时钟信号检测，若连续3拍通信出错，则恢复对外时钟信号的检测，并根据检测结果作出相应处理；未检测到外时钟信号时接收内时钟信号并使用内时钟工作且保持对外时钟信号的检测。
S311：二级计算机持续检测外时钟信号的过程为：
一级计算机产生的外时钟信号发送至时钟信号调理模块，进而通过检测信号驱动模块发送至二级计算机。
检测到外时钟信号时接收外时钟信号并使用外时钟工作且停止外时钟信号检测，若连续3拍通信出错，则恢复对外时钟信号的检测。
如果二级计算机的检测能力与时钟信号频率不匹配，或者二级计算机不具备检测时钟信号的能力，则需要设计信号处理电路，将时钟信号处理为直流信号再送入处理器进行检测，本方法采用后者，设计整流调理电路——时钟信号调理模块，外时钟信号经过整流调理后，确保在频率、有效电压、噪声系数、带负载能力上应与二级计算机输入要求完全匹配。通过硬件手段，将方波信号调理为包含大幅度直流分量的调理信号。如果二级计算机具备直接检测时钟信号的能力或者内部有处理检测时钟信号的模块，则可以省略该步骤，直接对外时钟信号进行检测。
考虑到时钟信号自身功率有限，经过时钟信号调理模块后功率会有一定的衰减，所以调理后的信号驱动能力不足；且调理后的信号仍含有不少交流分量，不经处理直接送至二级计算机，容易给二级计算机内部引入杂波噪声。所以采用光电耦合模块——检测信号驱动模块隔离杂波，进一步提升检测信号驱动能力。
外时钟信号经过调理驱动处理后送至二级计算机检测引脚，由二级计算机软件和配套的硬件对检测信号进行判别，若二级计算机判断没有外时钟信号则通过输出控制引脚输出控制状态1(伪全状态模式)，若二级计算机判别有外时钟信号则输出控制状态2(真全状态模式)。这一步骤主要依靠软件实现，具体代码应与输入信号、处理器技术指标和配套的硬件电路匹配。具体过程为：二级计算机启动，运行主程序，检测软件模块持续向二级计算机提出中断申请，直至二级计算机响应中断，取检测指令并执行；二级计算机根据指令代码要求，使用规定的检测输入引脚实现对外时钟信号或者经处理的调理驱动信号进行采样，并录入采样结果；二级计算机判读采样结果，若采样结果大于规定的值，则认为有外时钟信号输入，此时，处理器控制输出引脚输出低电平控制信号，即输出控制状态2(真全状态模式)，若采样结果小于规定的值，则认为没有外时钟信号输入，此时，处理器控制输出引脚输出高电平控制信号，即输出控制状态1(伪全状态模式)。
S312：二级计算机未检测到外时钟信号时接收内时钟信号并使用内时钟工作的过程为：
S3121：于一级计算机设置一级时钟信号分路模块，于二级计算机设置时钟信号切换模块。
S3122：一级计算机产生的外时钟信号发送至一级时钟信号分路模块，经一级时钟信号分路模块分路输出，一路输出到时钟信号调理模块，进入检测流程(同时用于工作和检测)，另一路输出到时钟信号切换模块。
对送入的外时钟信号进行分路，可根据时钟信号的频率、上级计算机采用的分路方式和时钟信号的驱动能力，采用不同的分路方式，若时钟信号频率不高，或者前级已经使用时钟缓冲器且具备足够的驱动的能力，则采取直接并联引出分路的方式；若前级使用直接引出分路方式导致时钟信号驱动能力不足，波形不够规整，即使时钟信号频率足够低，在此处也应使用时钟缓冲器分路，以提升时钟信号驱动能力，修正波形；若时钟信号频率较高或者并联引出分路后调理电路对时钟信号产生较大的影响，则采用时钟信号缓冲器对时钟信号分路。本例采用时钟信号缓冲器对时钟信号进行分路。
S3123：时钟信号切换模块的默认状态为接收一级计算机产生的外时钟信号，并发送至二级计算机和三级计算机。
默认状态即断电状态下或者不需要切换到内时钟的状态下，时钟信号切换模块保持与外时钟信号可靠连接，该条件下光耦不工作，发光二极管不发光。
S3124：二级计算机未检测到外时钟信号时，则向时钟信号切换模块发送切换控制信号，时钟信号切换模块根据切换控制信号，切换为接收内时钟信号产生模块产生的内时钟信号，并使用内时钟工作。
二级计算机未检测到外时钟信号时，则向时钟信号切换模块发送切换控制信号的过程为：
于二级计算机设置切换控制信号驱动模块，二级计算机发出的切换控制信号经切换控制信号驱动模块放大后发送至时钟信号切换模块。
切换期间，二级计算机停止检测外时钟信号，二级计算机与三级计算机的通信暂时全部中断，在1个通信周期后恢复。
如果本方法用于时效性与通信准确性要求高的场合，需要使用驱动放大电路——切换控制信号驱动模块对二级计算机输出的切换控制信号进行驱动放大，确保切换控制信号有效可靠的送入时钟信号切换模块。本方法仍使用光电耦合模块对输出的切换控制信号进行驱动放大，提升切换控制信号的稳定性和带负载能力，提升系统的可靠性。
时钟信号切换模块根据输入的切换控制信号，执行切换指令，输入为低电平控制信号时，切换电路——时钟信号切换模块保持二级计算机时钟信号引脚与外时钟信号电路的连接，输入为高电平控制信号时，切换电路工作，断开与外时钟电路的连接，接通与内时钟信号电路连接，实现内外时钟信号的切换。具体过程为：二级计算机将切换控制信号送入光电耦合器输入端正极引脚，光电耦合器输入端负极接地，若没有外时钟信号，且处于控制状态1(伪全状态模式)，二级计算机送出高电平，启动发光二极管，管使三极管导通；若有外时钟信号，处理器送出低电平，发光二极管不启动，光敏三极管不导通。
(1)光电耦合器输出端正极与驱动电源连接，负极通过并联的电阻和肖特基二极管组成的调理稳压电路接地，光敏三级管根据二极管亮度控制输出信号的电平高低，实现控制信号驱动。
(2)自检状态模式下，二级计算机不检测外时钟信号，二级计算机接收内时钟信号并使用内时钟工作。
S4：于二级计算机设置二级时钟信号分路模块，时钟信号切换模块将接收到的外时钟信号或内时钟信号分路，一路发送至二级计算机，另一路发送至三级计算机。
本方法启动时，可根据需求选择合适的模式工作，通常民用场合一个模式即可满足实际需求，军事应用时往往需设计两个以上的模式。通常开机默认为全状态模式且使用外时钟，在全状态模式下需要使用内时钟时，切换到内时钟。根据需要也可直接选择自检模式，默认使用内时钟。
全状态模式下，可以使用内时钟，也可以使用外时钟，需要在通信时加入状态位，使用内时钟时置外时钟信号无效，即“伪全状态模式”；使用外时钟时置外时钟有效，即“伪全状态模式”。有外时钟时优先使用外时钟，计算机依靠内时钟开机并默认进入全状态模式，可人工干预进入自检模式。在符合逻辑的前提下，可根据需要自行设计调整。
二级计算机工作于“伪全状态模式”时在特定的通信周期对外时钟信号进行检测，以保证第一时间检测到外时钟信号，在未检测到外时钟的条件下使用内时钟工作状态。若二级计算机在人工干预条件下选择自检模式，则系统不对外时钟信号进行任何检测，二级计算机使用内时钟工作。
在二级计算机工作于“伪全状态模式”时检测到外时钟信号，则立即切换到外时钟信号工作，中断对外时钟的检测，保持外时钟工作。
基于本方法的控制策略，二级计算机工作于全状态模式且外时钟有效的条件下，若一级计算机出现通信故障和系统故障导致外时钟信号无法送出或时钟信号传输线路中断的情况，此时二级计算机会出现通信出错，无法对上对下传数据，则立即送出切换控制信号，转换到内时钟，并监控通信情况，若正常则提示外时钟故障，若异常则提示通信故障。另外，不依赖于一级计算机的启动，二级计算机可独立启动，自动进入全状态模式，读取并执行外时钟信号检测指令，若此时外时钟信号正常输入，系统检测有效，即“真全状态模式”，则将通信数据中状态位置“1”(假定外时钟信号有效为“1”)，并正常向上级计算机和下级计算机传送状态数据和控制指令，若此时外时钟信号未送入，即“伪全状态模式”，则将通信数据中状态位置“0”，只向下级计算机传送状态数据和控制指令。
本方法实现了对外时钟信号进行调理、驱动和检测，并根据检测结果输出对应的模式控制状态，接通对应的时钟信号电路，使二级和三级计算机能够在有外时钟信号的条件下优先使用外时钟信号；在没有外时钟信号的条件下选择内时钟信号，且在全状态模式工作条件下，一旦外时钟信号送入时立即控制式中信号切换电路接通外时钟信号电路，使系统工作与外时钟状态，具有更高的控制灵活性和更大的启动灵活性。
实施例：
以下通过具体的实施例对上述方法和系统进行进一步详细说明：
以时钟频率为100MHz的差分时钟为例，时钟信号调理模块将送入的外时钟信号由高频方波信号调理为含纹波信号的直流信号再将调理信号送入检测信号驱动模块，在检测信号驱动模块消除纹波分量，保留直流分量并提升信号驱动能力；检测信号驱动模块将驱动信号送至处理器检测引脚后由处理器检测控制软件对信号进行采样和判断。
若处理器采样结果为高电平，则判定有外时钟信号输入，控制切换控制端输出“0”(低电平)，若处理器采样结果为低电平，则判定没有外时钟信号输入，控制切换控制端输出“1”(高电平)，处理器切换控制引脚将控制信号送至控制信号驱动模块，切换控制引脚输出“0”即送出低电平时，控制信号驱动模块输出约为0V低电平，切换控制引脚输出“1”即送出高电平时，控制信号驱动模块也输出匹配的高电平；控制信号驱动模块将控制驱动信号送至时钟信号切换模块，当控制信号驱动模块的输出为低电平时，时钟信号切换模块不工作，即保持开关触点不变，使开关与外时钟信号触点接触，此时处理器使用外时钟信号工作，当控制信号驱动模块的输出为高电平时，时钟信号切换模块工作，即切换开关触点，使开关触点与内时钟信号触点接触，此时处理器使用内时钟信号工作。
参见图2，本例时钟信号分路模块采用Si53156时钟信号缓冲器，Si53156时钟信号缓冲器的详细技术指标参加其技术说明书，本例假设下级计算机有3台，使用差分时钟信号，则必须使用具有1分6路差分时钟信号的缓冲器，输入上级计算机送入的差分外时钟信号，输出6路差分时钟信号，3台下级计算机各使用2路，1路用于工作，1路用于检测。下面给出Si53156时钟信号缓冲器各个引脚的名称、种类和技术描述。
表1 Si53156时钟信号缓冲器引脚定义
参见图3，所述时钟信号调理模块在本例由1个高频特性较好的肖特基二极管、1个电阻值为4.99Ω的普通电阻、1个电容值为2.7nF的普通电容组成。以差分信号为例，从电工学和电子技术角度来看，由于二极管在特定电压范围内具有单向导通特性，所以方波信号经过二极管后只保留大于0.75V的部分，送入电阻和电容组成的网络后，由于电容两端的电压
所以输入信号的电压幅度有变化时，电容器作为储能元件，可以起到稳压的作用，当前几个脉冲把电容器的极板充满电后，电容器的电压趋于稳定，尤其是没有带负载的条件下，电容两端的电压信号包含的交流分量电压幅度较低。
此处电阻起到限流的作用，调整电阻的大小可以调整电流的大小，可以调整电容的充电时间，调整系统的输出时间。注意电阻既不能过大也不能过小，过大回路电流小，充电时间长，造成反应时间长，过小，起不到保护作用。在本例的工况条件下，建议选用1Ω-5Ω的普通电阻，本例取4.99Ω。
二极管起限幅的作用，通过二极管后只保留大于管压降的正半周期，若不加二极管，电容在交流信号条件下则等效为通路，则从电容两端输出的信号为电压幅度低的交流信号。我们选择高频肖特基二极管，其高频特性较好，能够在时钟信号频率较高的条件下正常工作。通过在Multisim中仿真，ZPD8.2符合要求，能够起到限幅的作用。给出ZPD8.2二极管重要参数。
表2 ZPD8.2二极管关键参数
| 名称 | 描述 | 值 | 单位 | 备注 |
| CJO | 零偏压结电容 | 0.999e-12 | F | |
| VJ | 结电势 | 0.75 | V | |
| IS | 饱和电流 | 2.5245e-16 | A | |
| RS | 寄生电阻 | 0.5164 | Ω | |
| TT | 切换时间 | 5e-9 | sec | |
| BV | 反向击穿电压 | 8.329 | V |
电容在此处起整流的作用，利用其稳压的功能把近似高频半方波信号整流为含有交流信号的直流信号，当信号频率较高时，要严格控制电容的大小，电容过大，充电至饱和需要较长的时间，即需要较多的周期才能让输出信号稳定，使系统的反应时间变长。但电容过小，其存储电荷有限，带负载能力偏弱，通过仿真在100MHz时钟条件下建议选用的信号选用1nF-5nF的普通电容，同时保证反应时间的带负载能力。
从信号与系统角度来看，与二极管相连的RC电路实际为简单的RC低通滤波器，设vc(t)为电容两端的输出，vs(t)为系统输入，根据电容器电压电流关系有：
假定系统为最初松弛的，则当输入电压为vs(t)＝ejω则输出一定是vc(t)＝H(jω)ejω其中H(jω)为系统的频率响应，带入上式可得：
本例取C＝2.7×10- 9F,R＝4.99Ω，则系统的幅频特性参见图4。
当ω＝0时，|H(jω)|＝1，当ω足够大时，|H(jω)|<<1，可见该系统是一个非理想的低通滤波器。原始时钟信号参见图5，为含有正负半周期的方波信号，半波时钟信号参见图6，为至含正半周期的方波信号，其持续0.02S的快速傅里叶变换结果参见图8，可以看到，0.02S的半波方波时钟信号的频域包含ω＝0且幅度为1的直流分量，所以通过RC电路后，会保留幅度较大的直流分量，并通过部分频率较低的正弦交流分量，衰减频率较高的正弦交流分量，所以此处肖特基二极管的作用非常关键，没有二极管限幅则必然导致系统无法输出，另外此处使用持续0.02S的时钟信号已是时钟周期的2×106倍，对高频信号而言，持续时间已足够长，从变换结果看，频谱已成离散状态，同样说明持续时间已足够，分析结果具有一定的正确性和参考价值。参见图9为Multisim仿真输出，可以看到在C＝2.7×10-9F,R＝4.99Ω条件下，输入100MHz的差分时钟信号网络稳定输出的时间约为70nS(图中横坐标1大格为100nS)，输出电压约为1.2V(图中纵坐标1大格为2V)，输出信号含有明显的纹波。
参见图10，所述检测信号驱动模块，本例由1个1.02Ω限流保护电阻，1个电管耦合器，1个10kΩ分压电阻，1个+5V电源组成；其限流电阻大小要适当，通过模拟仿真建议取1Ω-100Ω的普通电阻，本例取R＝1.02Ω；光电耦合器没有太多要求，本例使用PS2081-4；分压电阻起到钳制输出电压的作用，其大小要足够大，通过仿真，其大小通常取5kΩ-20kΩ。参见图11为Multisim模拟仿真检测信号驱动模块的电压输出。至此，系统完成了时钟信号到检测驱动信号的转换。
参见图12，所述控制信号驱动模块，其组成和工作原理基本与检测信号驱动模块一致。
驱动控制信号送至时钟信号切换模块，由时钟信号切换模块根据控制信号状态具体执行切换指令，下面给出3种方式的时钟信号切换模块。
参见图13，该方式使用双输入单输出6线直流接触器作为执行器件，模块由保护电阻和集成直流接触器组成；当处理器检测到有外时钟信号时，处理器控制引脚送出低电平，接触器控制信号输入为0V时，接触器绕组不工作，接触开关与外时钟输入端触点保持接触，此时输出信号为外时钟信号；当处理器检测到没有外时钟信号时，处理器控制引脚送出高电平，接触器控制信号输入为额定工作电压，接触器绕组通电工作，接触器开关切换接触触点，保持与内时钟信号输入端触点接触，此时输出信号为内时钟信号。
参见图14，该方式使用固态继电器作为执行器件，模块由保护电阻、2个常开固态继电器、2个常闭固态继电器组成，常闭继电器与外时钟信号连接，常开继电器与内时钟信号连接，控制端统一于输入信号连接；其控制方式与接触器模式基本一致，当处理器检测到有外时钟信号时，处理器控制引脚送出低电平，模块控制信号输入为0V，4个固态继电器均不工作，常闭继电器保持闭合，常开继电器保持断路，此时模块送出外时钟信号；当处理器检测到有外时钟信号时，处理器控制引脚送出高电平，模块控制信号输入为继电器额定工作电压，4个固态继电器均工作，常闭继电器切换为断路，常开继电器切换为通路，此时模块送出内时钟信号。
参见图15，该方式使用磁保持继电器作为执行器件，模块由保护电阻和4个磁保持继电器组成，由于磁保持继电器的工作方式与继电器和接触器的工作方式略有不同，该方式脉冲信号控制且需要两路独立的控制线路，1路为接通内时钟，1路为接通外时钟。处理器启动时，先送出接通外时钟脉冲控制信号，此时模块接通外时钟信号传输线；若此时传输线中有外时钟信号，则处理器不再处理，不送任何脉冲控制信号，时钟信号切换模块保持与外时钟信号连接，系统使用外时钟信号；若处理器检测到没有外时钟信号，则通过接通内时钟控制引脚送出切换脉冲控制信号，此时与外时钟信号连接的继电器断开，与内时钟信号连接的继电器接通，模块输出内时钟信号，系统使用内时钟信号工作。至此，系统完成了时钟信号的检测与内外时钟的切换。
若系统想通过升级的方式实现外时钟信号检测与切换，但检测和控制引脚不够，则可以单独使用独立的处理器完成这项工作，该方式同样不能在有持续外时钟信号条件下随意切换，只能保证有外时钟信号时优先使用外时钟信号；没有外时钟时使用内时钟，并送出“内时钟状态”，当有外时钟信号输入时切换至内时钟，两者都没有时送出故障信号。其检测和切换流程基本与处理器时一致，只需将检测驱动信号送至独立处理器，切换控制信号由独立处理器给出，此处不再列出其具体原理框图，参照使用同一处理器的原理框图执行，该方式可以在不对原系统改动的条件下通过增加外部设备的方式实现系统升级，具有一定的可执行性。
下面给出时钟信号检测与切换的主程序设计。
各级处理器启动以后，调用程序向处理器发出中断请求，处理器响应后对检测输入引脚连续采样2次，判读采样结果，若为高电平，则将控制输出引脚置低电平，置外时钟有效状态，恢复现场，结束中断；若没有高电平，则将控制输出引脚置高电平，置外时钟无效状态，恢复现场，结束中断，在“伪全状态模式”下可以在该条件下间隔50个通信周期(可根据需要调整)向处理器申请中断，中断未响应则再间隔10个通信周期(可根据需要调整)再发出中断请求，直至响应，处理器响应后，对检测输入引脚连续采样2次，判读采样结果，若为高电平，则将控制输出引脚置低电平，置外时钟有效状态，恢复现场，结束中断；若没有高电平，则将控制输出引脚置高电平，保持外时钟无效状态，恢复现场，结束中断，而后重复检测步骤，直至检测到外时钟信号，若无需外时钟信号则不进行检测。
外时钟有效状态下，若通信连续3拍出错，则立即发出中断请求，处理器响应后对检测输入引脚连续采样2次，判读采样结果，若为高电平，则认为通信系统异常，送出通信异常提示后，恢复现场，结束中断；若没有高电平，则将控制输出引脚置高电平，并检测通信情况，若正常，则送出外时钟无效状态提示，恢复现场，结束中断，若异常，则送出通信故障提示，恢复现场，结束中断。
外时钟无效状态下，若通信连续3拍出错，则立即发出中断请求，处理器响应后对检测输入引脚连续采样2次，判读采样结果，若为高电平，则将控制输出引脚置低电平，置外时钟有效状态，检查通信状态，若通信正常，则送出内时钟故障提示，恢复现场，结束中断，若通信异常，则送出通信故障提示，恢复现场，结束中断；若没有高电平，则送出通信故障或内时钟故障提示，恢复现场，结束中断。
使用磁保持继电器的控制流程基本与以上流程一致，不再单独列出。下面对中断结束状态进行说明，中断结束1为外时钟有效且通信正常，中断结束1为外时钟无效且通信正常，中断结束3为通信故障，中断结束4为外时钟无效且通信故障或内时钟信号故障，中断结束5为外时钟有效、通信正常且内时钟故障。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (10)
1.分布式控制系统时钟信号检测切换系统，包括一级计算机、二级计算机和三级计算机，其特征在于：
所述系统还包括一级时钟信号分路模块、时钟信号切换模块、内时钟信号产生模块和二级时钟信号分路模块；
所述一级计算机接入所述一级时钟信号分路模块，所述一级时钟信号分路模块分路分别接入所述二级计算机和所述时钟信号切换模块；
所述二级计算机和所述内时钟信号产生模块均接入所述时钟信号切换模块，所述时钟信号切换模块接入所述二级时钟信号分路模块；
所述二级时钟信号分路模块分路分别接入所述二级计算机和所述三级计算机。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述系统还包括时钟信号调理模块和检测信号驱动模块，所述时钟信号调理模块和所述检测信号驱动模块设置在所述一级时钟信号分路模块和所述二级计算机之间；
所述一级时钟信号分路模块接入所述时钟信号调理模块，进而通过所述检测信号驱动模块接入所述二级计算机。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：
所述系统还包括切换控制信号驱动模块，所述切换控制信号驱动模块设置在所述二级计算机和所述时钟信号切换模块之间；
所述二级计算机接入所述切换控制信号驱动模块，进而接入所述时钟信号切换模块。
4.分布式控制系统时钟信号检测切换方法，其特征在于：
所述方法包括：
一级计算机产生外时钟信号并在一级计算机工作时保持信号输出；
于二级计算机设置内时钟信号产生模块，内时钟信号产生模块产生内时钟信号并在二级计算机工作时保持信号输出；
全状态模式下，二级计算机依靠内时钟信号启动并持续检测外时钟信号；检测到外时钟信号时接收外时钟信号并使用外时钟工作且停止外时钟信号检测，若连续3拍通信出错，则恢复对外时钟信号的检测；未检测到外时钟信号时接收内时钟信号并使用内时钟工作且保持对外时钟信号的检测；
自检状态下，二级计算机不检测外时钟信号，二级计算机接收内时钟信号并使用内时钟工作。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：
内时钟信号产生模块是与一级计算机的外时钟电路一致的时钟产生电路，或使用技术指标与一级计算机的外时钟时钟信号一致的时钟信号产生电路。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：
二级计算机持续检测外时钟信号，包括：
一级计算机产生的外时钟信号发送至时钟信号调理模块，进而通过检测信号驱动模块发送至二级计算机。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：
二级计算机未检测到外时钟信号时接收内时钟信号并使用内时钟工作，包括：
于一级计算机设置一级时钟信号分路模块，于二级计算机设置时钟信号切换模块；
一级计算机产生的外时钟信号发送至一级时钟信号分路模块，经一级时钟信号分路模块分路输出，一路输出到时钟信号调理模块，另一路输出到时钟信号切换模块；
时钟信号切换模块的默认状态为接收一级计算机产生的外时钟信号，并发送至二级计算机和三级计算机；
二级计算机未检测到外时钟信号时，则向时钟信号切换模块发送切换控制信号，时钟信号切换模块根据切换控制信号，切换为接收内时钟信号产生模块产生的内时钟信号，并使用内时钟工作。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：
二级计算机未检测到外时钟信号时，则向时钟信号切换模块发送切换控制信号，包括：
于二级计算机设置切换控制信号驱动模块，二级计算机发出的切换控制信号经切换控制信号驱动模块放大后发送至时钟信号切换模块。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：
所述方法还包括：
切换期间，二级计算机停止检测外时钟信号，二级计算机与三级计算机的通信暂时全部中断，在1个通信周期后恢复。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：
所述方法还包括：
于二级计算机设置二级时钟信号分路模块，时钟信号切换模块将接收到的外时钟信号或内时钟信号分路，一路发送至二级计算机，另一路发送至三级计算机。
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