一种基于FPGA的核电站数字控制计算机系统架构的制作方法

本公开涉及核电站技术领域，特别是涉及一种基于FPGA的核电站数字控制计算机系统架构。

背景技术：

目前国内DCC系统的核电站，控制系统是基于PAL+逻辑器件架构，采用大量的PAL逻辑芯片。

基于PAL最大的特点：一是单个PAL芯片逻辑容量小，每个板卡上PAL元器件多且复杂，维护任务繁重；二是PAL元器件的厂家基本停产，原有器件和备件老化严重，无法满足核电站长期稳定运行的要求。三是PAL的开发语言不是通用的语言，对于升级移植不方便。四是PAL器件老化或故障导致时序不可控。

而基于FPGA的架构DCC控制系统，对于核电站控制系统，是个新的数据控制处理技术。如何基于FPGA搭建新的控制系统是本申请所要解决的技术问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种基于FPGA的核电站数字控制计算机系统架构，DCC系统基于功能模块化设计，在故障情况下，便于更换和简化维修工作量，缩短DCC停机时间，不会导致整个系统功能失效，减小停堆风险。

为了实现上述目的，本申请采用以下技术方案：

一种基于FPGA的核电站数字控制计算机系统架构，为双机冗余系统，包括：两台设备，分别为主控制机及热备用机，所述主控制机及热备用机结构相同，互为备用；

其中，所述主控制机包括基于FPGA的中央处理单元，所述中央处理单元通过输入输出扩展板连接至输入输出控制器；

所述主控制机及热备用机通过选择开关相连。

进一步的技术方案，所述输入输出控制器包括两者类型的控制器，分别为和显示打印系统连接控制器和与输入输出系统连接的控制器；

所述输入输出系统包括模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输入模块及数字量输出模块。

进一步的技术方案，所述中央处理单元包括FPGA和存储单元。

进一步的技术方案，所述中央处理单元通过通用异步串行控制器的接口UASC连接至虚拟控制台计算机，所述中央处理单元通过输入输出扩展板连接至输入输出总线，所述输入输出总线上分别连接至总线终端、输入输出缓冲交织控制器及输入输出缓冲控制器，所述输入输出缓冲控制器连接至数字量输入模块、数字量输出模块及模拟量输出模块，所述输入输出缓冲交织控制器连接至模拟量输入模块。

进一步的技术方案，基于FPGA的核电站数字控制计算机系统架构还包括触点报警扫描仪，所述触点报警扫描仪通过输入电路板连接至主控制机及热备用机，主控制机及热备用机之间通过选择开关相连；

所述触点报警扫描仪在检测到主控制机或热备用机故障时，触发选择开关连接至未故障的主控制机或热备用机。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1.本公开是基于FPGA技术的核电站DCC系统架构，是实时系统，FPGA逻辑并行处理，速度快，响应时间短。

2.本公开可用国产FPGA芯片，不依赖国外芯片和开发工具，板卡维修方便。

3.本公开通过FPGA实现逻辑功能，极大降低了PAL、逻辑芯片数量，电路简化。

4.本公开基于FPGA的硬件描述语言可读性强，可移植性强，后续可维护，可升级。

5.本公开的架构总线拓扑基于IOBUS(Input/Output BUS)输入输出总线和UASC(Universal Asynchronous Serial Controller)通用异步串行控制器的接口，拓扑简易，通用性强。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为基于FPGA技术的核电站DCC系统架构；

图2为DCC系统的总体结构框图；

图3为DCC系统切换电路图；

图中，1、中央处理器，2、虚拟控制台计算机，3、输入输出扩展板，4、输入输出缓冲交织控制器，5、ADC机架，6、模拟量输入模块，7、输入输出缓冲控制器，8、扇出机架，9、数字量输入模块，10、模拟量输出模块，11、模拟量输出模块，12、总线终端，13、触点报警扫描仪，14、输入电路板，15、计算机，16、机架。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

数字计算机控制器(Digital Computer Controller)简称DCC，是指核电站的控制核心，是一个实时控制系统，用以控制过程变量、执行指令、实现人机交互、输出报警或校报细腻，确保核电站的安全、稳定运行。DCC系统由两台同样的计算机组成，分别为DCCX和DCCY，两台计算机除了共享的显示控制器和相互之间的通讯数据链外，是完全独立的。

FPGA(Field－Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列。

本申请的一种典型的实施例子中，公开了一种基于FPGA技术的核电站DCC系统架构，DCC采用双机控制模式，一台作为主控制机称为DCCX，另一台作为热备用机称为DCCY。DCCX与DCCY的硬件配制和功能基本相同。

其中，DCCX包括中央处理单元、输入输出控制器、显示打印系统和其他子系统(例如为输入输出系统)。输入输出系统包括模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输入模块、数字量输出模块。

中央处理单元包括FPGA和存储器组成，功能包括运行DCC系统指令，对相关数据进行暂存和运算、完成中断服务，对各子系统进行寻址、协调DCC系统的整体运行、失电重启控制。由输入输出控制器控制显示打印系统和输入输出系统。通过总线寻址的方式对多个输入输出设备控制。

本申请的上述实施例子中，如图1所示，输入输出控制器包括两者类型的控制器，分别为和显示打印系统连接控制器和与输入输出连接的控制器。显示打印系统包括显示器及打印设备。

由于核电站中涉及大量的数字及模拟数据的处理，因此需要可靠且能否及时处理的计算机控制系统。

本申请的上述实施例子中，DCC采用双机控制模式，一台作为主控制机称为DCCX，另一台作为热备用机称为DCCY。DCCX与DCCY的硬件配制和功能基本相同，接收相同的现场信号，运行基本相同的控制程序，因此都能独立完成对整个机组的控制，可靠性高，当DCCX的某个或全部功能失效时，DCCY则通过互锁逻辑投入工作，自动承担起这些功能的控制作用，从而避免被控参数出现大的波动和报警的丧失，DCC系统基于功能模块化设计，在故障情况下，便于更换和简化维修工作量，缩短DCC停机时间，不会导致整个系统功能失效，减小停堆风险。

下面将图2详细对本发明作进一步说明。对于其中一台设备，例如DCCX，包括中央处理单元1CPU，所述中央处理单元通过通用异步串行控制器的接口UASC连接至虚拟控制台计算机2，所述中央处理单元通过输入输出扩展板3连接至输入输出总线，所述输入输出总线上分别连接至总线终端12、输入输出缓冲交织控制器4及输入输出缓冲控制器7，所述输入输出缓冲控制器连接至数字量输入模块9、数字量输出模块11及模拟量输出模块10，所述输入输出缓冲交织控制器连接至模拟量输入模块6。输入输出缓冲交织控制器4通过ADC机架5连接至模拟量输入模块。输入输出缓冲控制器通过扇出机架连接至数字量输入模块9、数字量输出模块11及模拟量输出模块10。

其中中央处理器，基于FPGA，具有的功能包括：失电重启，2M字节，内存单元含ECC，内存映射，自动程序加载，实时时钟，自动重启，虚拟控制台，数据保存，优先存储器访问。

上述实施例子中，输入输出扩展板3为IOEXP输入输出扩展板，通过IOBUS连接扩展输入输出。

在具体实施例子中，基于FPGA的核电站数字控制计算机系统架构还包括触点报警扫描仪13，所述触点报警扫描仪通过输入电路板14连接至主控制机及热备用机，主控制机及热备用机之间通过选择开关相连；主控制机及热备用机放置在机架16上，输入电路板14与计算机15相连。

触点报警扫描仪在检测到DCCX或DCCY故障时，触发选择开关连接至未故障的DCCX或DCCY。

图2中的基于FPGA的CPU，包含存储和运算控制的部分，IOBIC(Input/Output Buffer Interlace Controller)(输入输出缓冲交织控制器)控制板卡进行控制模拟输入，BIOC(Buffered Input/Output Controller)(输入输出缓冲控制器)板卡控制模拟输出、数字输入、数字输出。DCCX和DCCY系统是双冗余系统，为了保证最短的DCC停机时间。

在具体工作时，图3中的触点报警扫描仪，是一旦DCCX因故不能工作触点自动切换到DCCY，自动启动DCCY系统，整个DCC系统还能正常工作。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。