CN217955101U

CN217955101U - 一种国产化双通道信号切换电路及装置

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Publication number: CN217955101U
Application number: CN202221875444.6U
Authority: CN
Inventors: 田英峰; 李定国; 杜兴华
Original assignee: Xi'an Changyuan Electron Engineering Co ltd
Current assignee: Xi'an Changyuan Electron Engineering Co ltd
Priority date: 2022-07-19
Filing date: 2022-07-19
Publication date: 2022-12-02
Anticipated expiration: 2032-07-19

Abstract

本发明提供了一种双通道信号切换板及装置，包括FPGA逻辑处理模块、ARM监控处理模块、收发模块和电平转换模块；FPGA逻辑处理模块与ARM监控处理模块通过并行总线相连；收发模块分别与FPGA逻辑处理模块和ARM监控模块相连电平转换模块通过TTL分别与FPGA逻辑处理模块和ARM监控处理模块相连；采用100％国产化芯片，其中ARM监控处理模块使用GD32F103VET6芯片；FPGA逻辑处理模块使用FMK50T4芯片；收发模块使用SM82C250芯片、CBM3232和CBM3490芯片。解决双计算机组合在其中一个单元出现故障，另外一个单元接管故障单元的通信接口的问题，本发明所有元器件均采用国产芯片进行设计，解决装备国产化和在故障情况下信号RS232、RS422通信信号接管、系统内其他板卡的健康状态采集、故障显示上报等问题。

Description

一种国产化双通道信号切换电路及装置

技术领域

本发明涉及一种国产化双通道信号切换电路及装置，属于通信通道切换技术，采用全国产化设计。

背景技术

切换是指用户在使用现有通信通道进行数据传递时，由于通道故障或者需要停机维护时，为了不中断数据传输，将通信通道切换至备用通道的一种技术。

现有履带式/轮式侦察车终端系统含有2套相同的计算机组合，分别为指控计算机组合和操控计算机组合，2套组合具有相同的结构，且总线挂载的通信板卡也相同，2 套计算机组合运行不同的终端应用程序。

在实际使用中，如果出现1台计算机组合出现问题无法启动或通信出现故障的情况下，问题计算机组合与外部设备的通信功能将失效，导致侦察车无法正常工作，只能采取关闭整个系统，将出现问题的计算机组合恢复正常后，重新建立通信链路，侦察车才能正常工作。

在其中一个计算机单元出现故障时，另一个计算机单元可接管故障单元的所有对外通信接口，避免出现通信中断的问题。

现有计算机通信板卡设计中，基本都采用了美国Intel、Xilinx、AMD、TI等公司生产的芯片，以达到最优性能。但是，采用进口元器件存在以下问题：

(1)研制生产没有保障：国外厂商合并重组等原因导致部分器件停产，给很多已服役和在产的装备的维护和生产带来很大困难；国外电子元器件的禁运、制裁给我国的装备研发和生产造成很大影响；

(2)信息安全隐患：由于西方国家的技术先进性和国家间利益冲突，进口电子元器件可能会在设计、制造、封装、测试等环节被人为植入后门，这些后门有可能窃取我国装备的数据甚至摧毁设备，并进一步可能传播木马和病毒，严重影响我国的信息安全；

(3)装备质量风险：由于各种客观因素，装备使用部分工业级元器件，这些元器件大多通过代理商购买，无法获取相关的质量证明文件。由于技术保密壁垒，部分大规模集成电路国内无相应的测试手段。

因此，为了保障装备的顺利研发和生产，保障装备的信息安全、自主可控，装备的国产化势在必行。

因此，本发明设计提出了一种100％国产化双通道信号切换板及装置，解决双计算机组合在其中一个单元出现故障，另外一个单元接管故障单元的通信接口的问题，以及实时采集各子设备的运行状态，且采用国产化芯片设计，避免出现卡脖子的情况发生。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种国产化双通道信号切换电路及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种国产化双通道信号切换电路，其特征在于：国产化双通道信号切换电路包括FPGA逻辑处理模块、ARM监控处理模块、收发模块和电平转换模块；FPGA逻辑处理模块与ARM监控处理模块通过并行总线相连；收发模块分别与FPGA逻辑处理模块和ARM监控模块相连；电平转换模块通过TTL分别与FPGA逻辑处理模块和ARM监控处理模块相连；所述的ARM监控处理模块使用GD32F103VET6芯片；所述的FPGA逻辑处理模块使用 FMK50T4芯片；所述的收发模块使用SM82C250芯片、CBM3232和CBM3490芯片。

本发明还提供一种国产化双通道信号切换装置，包括国产化双通道切换电路和控制板组成。所述控制板包括CAN总线信号、RS232信号、RS422信号、RS485信号、IIC 总线信号、过热预警指示灯和一组控制开关按钮。控制板的CAN总线输入信号与国产化双通道切换电路的电平转换模块相连；控制板的RS485输入信号与国产化双通道切换电路的电平转换模块相连；控制板的RS232输入信号与RS422输入信号与国产化双通道切换电路的电平转换模块相连；控制板的IIC总线通过GPIO与国产化双通道切换电路的 ARM监控处理模块相连；控制板的过热预警指示灯通过GPIO与国产化双通道切换电路的 ARM监控处理模块相连；控制板的一组控制开关按钮通过GPIO与国产化双通道切换电路的ARM监控处理模块相连；控制板的CAN总线输出信号与国产化双通道切换电路的收发模块相连；控制板的RS485输出信号与国产化双通道切换电路的收发模块相连；控制板的RS232输出信号与国产化双通道切换电路的收发模块相连。

所述控制板的CAN总线有2组，分别为输入信号和输出信号。

所述控制板的RS232信号有6组，分别为4组输入和2组输出信号。

所述控制板的RS422信号有6组，分别为4组输入和2组输出信号。

所述控制板的RS485信号有2组，分别为输入信号和输出信号。

所述控制板的一组控制开关按钮包括“自检/工作”开关、“切换”开关和一个“自毁”按钮；

所述控制板一组控制开关中的“自检/工作”开关为二档位开关。

所述控制板一组控制开关中的“切换“开关为三档位开关。

所述控制板一组控制开关中的“自毁“开关为电平信号转换开关。

所述控制板的过热预警指示灯使用“红/绿”双色指示灯。

本发明的有益效果是：本实用新型利用国产FPGA+ARM芯片作为核心处理芯片，完成全国产化双单元计算机通信单元的切换、系统内板卡健康状态的采集和上报等功能。

附图说明

图1全国产双通道信号切换板框图

图2切换板工作状态转换关系图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

所述控制板的CAN总线有2组，分别为输入信号和输出信号。

所述控制板的RS485信号有2组，分别为输入信号和输出信号。

所述控制板一组控制开关中的“切换“开关为三档位开关。

所述控制板的过热预警指示灯使用“红/绿”双色指示灯。

本发明结合常见的方案进行优化设计，解决了双单元计算机系统中的信号切换、状态采集、指示灯控制等问题。

从图1中可以看到，其他设备的健康信息通过IIC总线连接至ARM模块，ARM模块作为IIC主设备，系统内其他板卡均为子设备。ARM模块通过地址对某一设备发送查询命令，对应设备收到查询命令后，回送本设备的电压、电流、温度、自检结构等健康信息；面板开关连接至ARM模块的GPIO管脚上通过查询模式采集开关状态；指示灯也连接至ARM模块，通过相应处理结果控制指示灯的状态；ARM模块和FPGA模块通过并行总线连接交互，ARM将开关状态信息、指示灯信息、自检信息通过并行总线发送至FPGA，FPGA 连接RS232/RS422切换逻辑、RS485/CAN总线逻辑和I/O控制逻辑，FPGA根据ARM发送的状态进行数据处理后，控制切换逻辑、总线逻辑、I/O逻辑的输入/输出。

硬件设计主要采用北京兆易创新公司的基于Cortex-M3架构的ARM芯片GD32F103VET6作为主处理器、上海复旦微公司FPGA芯片FMK50T4作为协处理器、深圳国微电子公司的SM82C250收发器芯片完成CAN接口卡的设计、北京芯佰微公司的CBM3232、CBM3490等芯片文成RS232/RS422/RS485接口的设计。

充分利用ARM芯片具有较强的事务管理功能、高可靠性控制功能的优点，集成USART、SPI、IIC、FSMC、USB等大量通用总线模块，同时具有高速时钟驱动、总线矩阵、大量的RAM和ROM资源优势，在ARM内部完成面板IIC板卡健康信息采集、面板开关状态采集、指示灯控制、数据处理的任务；利用FPGA芯片的并发处理、逻辑资源丰富、相应速度快等优势，完成信号输入/输出、信号切换、逻辑控制等任务。ARM和FPGA之间通过高速并行总线进行交互。

通过以上硬件设计、嵌入式软件算法设计共同完成双通道信号切换功能。

切换板连接的信号有：

(1)每个单元的RS232、RS422通信信号；

(2)每单元中各子板卡的IIC总线，用于采集子板卡的健康状态信息；

(3)机箱面板“自检/工作”开关的状态、“切换”开关的状态、“自毁”开关的状态；

(4)控制机箱面板的“过热预警”指示灯；

(5)以总线方式连接RS485、CAN通信接口，用于健康状态信息采集、面板开关位置信息采集、自毁控制、过热信息的采集和上报。

在原有系统中的各子设备中，添加设备状态监控单元，实时采集设备的电压、电流、温度、接口状态等信息，所有接口的状态信息通过IIC总线连接至故障切换板的IIC 接口上。切换板通过IIC总线轮询下发查询命令，各子设备按照设备地址回应设备的健康状态信息。双计算机单元的网络均连接至网络交换板，网络数据实现共享功能；切换板的RS485接口、CAN接口也连接至RS485总线和CAN总线，因此双单元计算机中的任意一个单元均可通过RS485总线或CAN总线对系统每个子设备的健康状态信息进行读取，协助操作人员快速定位故障板卡。

原理说明：

1)控制板上的“自检/工作”开关的开关量状态，根据开关量状态设置切换板输出RS232、RS422通信接口的连接方式。“自检/工作”开关为二档位开关，当开关位于“自检”位置时，故障切换板将计算机组合2个单元的RS232、RS422通信接口与其他设备断开，切换板内部两两互连，在操作系统上运行串口调试助手软件实现系统自检操作功能；当开关位于“工作”位置时，根据“切换”开关的状态设置计算机工作模式，决定计算机内部RS232、RS422通信接口与外部设备相应接口的连接方式；

2)控制板上的“切换”开关的当前位置信息，决定计算机每个单元的RS232、RS422接口与外部设备的连接方式。“切换”开关为三档位开关，机箱面板丝印分别为“A机”、“正常”、“B机”三档，分别对应工作模式一、模式二、模式三。当“自检/工作”开关位于“自检”档位时，切换开关无效；当“自检/工作”开关位于“工作”档位时，切换开关有效。具体工作模式描述如下：

a)模式一：计算机单元1工作正常、计算机单元2故障时，将通信接口全部切换至计算机单元1；

b)模式二：计算机单元1工作正常、计算机单元2工作正常时，将通信接口分配给计算机单元1、计算机单元2个1路；

c)模式三：计算机单元1故障、计算机单元2工作正常时，将通信接口全部切换至计算机单元2。

3)故障切换板通过IIC总线采集各设备的健康状态信息，切换板每个500ms依次按照地址发送各子设备板卡的查询命令，各子板卡收到查询命令后，经板卡的电压、电流、温度、接口状态等信息上报给切换板，切换板存储最新的当前状态。

故障切换板的IIC设备设置为主设备，其他的子设备均设置为从设备，由主设备发起通信，从设备回应数据方式进行软件管理。

4)故障切换板软件采集计算机组合机箱面板上的“自毁”按钮的状态，将状态转换为电平信号(按钮按下为低电平，否则为高电平)，发送给2个计算机单元CPU板，由 CPU板执行硬盘自毁操作；

5)过热预警功能主要预警核心处理单元CPU板是否过热的信息，便于操作人员手动关闭过热设备、调整通信信号的连接方式。过热预警指示灯使用“红/绿”双色指示灯。故障切换板采集计算机组合2个单元CPU板上报的温度电平信号(3.3V TTL信号)，控制机箱面板上指示灯以不同颜色、不同状态提示用户当前计算机分系统温度状态。当计算机单元温度正常时，CPU板上报电平为低电平，说明CPU板温度正常；当CPU板的温度超过设定值(+85℃)时，CPU板上报电平为高电平，说明CPU板温度异常。机箱面板“过热预警”指示灯使用红绿双色指示灯。故障切换板软件采集到2个计算机单元的 CPU板温度均正常时，绿色指示灯常亮、红色指示灯熄灭；当采集到2个计算机单元的 CPU板其中1个温度异常、另1个温度正常时，绿色指示灯熄灭、红色指示灯闪烁预警；当采集到2个计算机单元CPU板温度均异常时，绿色指示灯熄灭、红色指示灯常亮预警。

6)切换板连接RS485、CAN总线，计算机组合的2个单元均可通过这两种总线读取每个子设备的健康信息、过热预警信息、“自检”开关位置信息、“切换”开关位置信息、“自毁”开关状态信息。

从图2看到工作状态的切换。

切换板包含两种工作状态：自检状态和工作状态。在工作状态下，又包含三种工作模式：模式一、模式二和模式三。通过拨动计算机组合机箱面板上的“自检/工作”开关，切换两种工作状态。通过拨动计算机组合机箱面板上的“切换”开关，切换三种工作模式。

自检状态将计算机组合内部RS232、RS422通信端口内部互连，操作系统运行串口调试软件进行自检操作。工作状态为计算机的正常工作的状态，根据采集“切换”开关状态，进入不同的工作模式。

由于RS485、CAN通信接口使用总线连接方式，因此系统处于自检状态和工作状态，均可进行自检操作。

工作模式中，模式一为计算机单元1正常工作、计算机单元2故障模式，此时车内设备的RS232、RS422通信接口与计算机单元1内部相应的通信接口连接；模式二为计算机单元1正常工作、计算机单元2正常工作，此时车内设备的RS232、RS422通信接口与2 个单元各连接1路；模式三为计算机单元1故障、计算机单元2正常工作，此时车内设备的RS232、RS422通信接口与计算机单元2内部相应的通信接口连接。

Claims

1.一种国产化双通道信号切换电路，其特征在于：国产化双通道信号切换电路包括FPGA逻辑处理模块、ARM监控处理模块、收发模块和电平转换模块；FPGA逻辑处理模块与ARM监控处理模块通过并行总线相连；收发模块分别与FPGA逻辑处理模块和ARM监控模块相连；电平转换模块通过TTL分别与FPGA逻辑处理模块和ARM监控处理模块相连；所述的ARM监控处理模块使用GD32F103VET6芯片；所述的FPGA逻辑处理模块使用FMK50T4芯片；所述的收发模块使用SM82C250芯片、CBM3232和CBM3490芯片。

2.一种权利要求1所述的国产化双通道信号切电路组成的国产化双通道信号切换装置，其特征在于：包括国产化双通道切换电路和控制板；所述控制板包括CAN总线信号、RS232信号、RS422信号、RS485信号、IIC总线信号、过热预警指示灯和一组控制开关按钮；控制板的CAN总线输入信号与国产化双通道切换电路的电平转换模块相连；控制板的RS485输入信号与国产化双通道切换电路的电平转换模块相连；控制板的RS232输入信号与RS422输入信号与国产化双通道切换电路的电平转换模块相连；控制板的IIC总线通过GPIO与国产化双通道切换电路的ARM监控处理模块相连；控制板的过热预警指示灯通过GPIO与国产化双通道切换电路的ARM监控处理模块相连；控制板的一组控制开关按钮通过GPIO与国产化双通道切换电路的ARM监控处理模块相连；控制板的CAN总线输出信号与国产化双通道切换电路的收发模块相连；控制板的RS485输出信号与国产化双通道切换电路的收发模块相连；控制板的RS232输出信号与国产化双通道切换电路的收发模块相连。

3.根据权利要求2所述的国产化双通道切换装置，其特征在于：所述控制板的CAN总线有2组，分别为输入信号和输出信号。

4.根据权利要求2所述的国产化双通道切换装置，其特征在于：所述控制板的RS232信号有6组，分别为4组输入和2组输出信号。

5.根据权利要求2所述的国产化双通道切换装置，其特征在于：所述控制板的RS422信号有6组，分别为4组输入和2组输出信号。

6.根据权利要求2所述的国产化双通道切换装置，其特征在于：所述控制板的RS485信号有2组，分别为输入信号和输出信号。

7.根据权利要求2所述的国产化双通道切换装置，其特征在于：所述控制板的一组控制开关按钮包括“自检/工作”开关、“切换”开关和一个“自毁”按钮；所述控制板一组控制开关中的“自检/工作”开关为二档位开关；所述控制板一组控制开关中的“切换“开关为三档位开关；所述控制板一组控制开关中的“自毁“开关为电平信号转换开关；所述控制板的过热预警指示灯使用“红/绿”双色指示灯。