隔離器在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用畢業(yè)設(shè)計論文

1、中國石油大學(xué)（華東）現(xiàn)代遠程教育 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 1設(shè)計(論文)題目： 隔離器件在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用 2學(xué)生完成設(shè)計(論文)期限： 年 月 日至 年 月 日 3設(shè)計(論文)課題要求： (1)隔離器件的使用要點。(2) 解決設(shè)備、儀表的信號傳輸中的電 位差是現(xiàn)場調(diào)試的重要問題。(3)根據(jù)對隔離器件的了解，來實現(xiàn)隔離 器件在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用。(4)通過嵌入隔離器、數(shù)字隔離器覺出隔離器 的重要性。 4實驗（上機、調(diào)研）部分要求內(nèi)容： (1)根據(jù)任務(wù)分的設(shè)計要求，收集、檢索相關(guān)質(zhì)料。(2)整理、撰寫 質(zhì)料提交指導(dǎo)老師進行修改，并做出相關(guān)的實驗獲取數(shù)據(jù)。(3)與指導(dǎo) 老師就論文進行討論，并做修改，再次

2、核對實驗數(shù)據(jù)，進行論文格式規(guī) 范、交稿、打印、裝訂。 5文獻查閱要求： (1)程水生.隔離器的使用要點.北京：畜牧養(yǎng)殖周刊.(2)儲霞隔 離器故障分析江蘇:江蘇省金湖電視臺.(3)王大為.嵌入式系統(tǒng)的隔離 硬件設(shè)計.上海：硬件隔離設(shè)計.(4)黃成軍數(shù)字隔離器上海:學(xué)術(shù)周 刊. 6發(fā) 出 日 期： 年 月 日 7學(xué)員完成日期： 年 月 日 摘摘 要要 本文介紹了隔離器件在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用以及它與計算機儀器儀表 接口的具體情況。解決設(shè)備、儀表的信號傳輸中的電位差是現(xiàn)場調(diào)試的 重要問題，可采用兩個主要原則加以克服：一是外部設(shè)備與中央處理系 統(tǒng)之間要進行電氣隔離：二是外部設(shè)備信號之間要實現(xiàn)相互電氣隔離。

3、 文章著重介紹了一般工業(yè)現(xiàn)場隔離器件的選用技術(shù)，包括怎樣依據(jù)接口 來選擇產(chǎn)品，隔離端子的選型要點以及隔離器主要參數(shù)的選取等。還講 述了我國農(nóng)業(yè)系統(tǒng)絕大多數(shù)使用的是玻璃和不銹鋼制造的正負隔離器。 由于隔離器小，每個隔離器只做一組動物實驗，彼此之間互不干擾，所 以農(nóng)業(yè)系統(tǒng)多選用隔離器進行獸醫(yī)生物制品方面的染毒動物實驗。據(jù) 2001 年調(diào)查統(tǒng)計，農(nóng)業(yè)系統(tǒng)有禽用正負壓隔離器 175 臺，主要主要集 中在幾家大的科研和監(jiān)察機構(gòu)。2004 年 3 月調(diào)查統(tǒng)計，農(nóng)業(yè)系統(tǒng)已有 正負壓隔離器 596 臺之多，足以體現(xiàn)隔離器在人們的生產(chǎn)、生活中起的 越來越重要的地位。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：隔離器 使用 信號隔離器 硬件

4、設(shè)計 目目 錄錄 摘 要.i 目 錄.ii 第 1 章 前言.1 第 2 章 隔離器件的使用六要點.2 2.1 隔離器的分類 .2 2.2 安裝隔離器房間的空氣可以不凈化 .2 2.3 隔離器質(zhì)量問題及操作程序 .3 2.4 隔離器高效過濾使用問題 .3 2.5 應(yīng)配備隔離器洗刷、消毒間 .4 2.6 應(yīng)配備空氣凈化的 SPF 孵化室或 SPF 雞運輸隔離器 .4 第 3 章 基于嵌入式系統(tǒng)的隔離硬件設(shè)計.5 3.1 INTERNET.5 3.2 物理隔離技術(shù)原理 .5 3.3 物理隔離技術(shù) .5 3.3.1 單硬盤物理隔離卡.6 3.3.2 雙主板物理隔離技術(shù).6 3.4 網(wǎng)絡(luò)隔離器技術(shù)原理

5、 .6 3.5 隔離硬件的設(shè)計 .8 3.6 物理隔離環(huán)境下數(shù)據(jù)安全轉(zhuǎn)發(fā)方案的設(shè)計 .9 3.7 總結(jié) .10 第 4 章 數(shù)字隔離器及其在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用.12 4.1 概述 .12 4.2 數(shù)字隔離的優(yōu)點 .12 4.3 隔離器的故障 .14 4.3.1 故障現(xiàn)象及排除.14 4.3.2 隔離器工作原理.14 第 5 章 結(jié) 論.17 致 謝.18 參考文獻.19 第第 1 1 章章 前言前言 在社會經(jīng)濟飛速發(fā)展的今天，隔離器件在人們正常生活和生產(chǎn)中起 著越來越重要的作用。隔離器件的發(fā)展也隨著時代的步伐不斷的進步、 不斷的創(chuàng)新著。一旦沒有隔離器件，則會給人們生活、生產(chǎn)及健康帶來 很

6、多的不便！因此，如果能很好的發(fā)展和利用隔離器件，將會給人們帶 來幸福美好的生活，所以隔離器件是我們值得研究的課題。 隔離器件的功能具有單向傳輸能量的特性，常用于發(fā)射機天線、功 率放大器、信號隔離等。在工業(yè)生產(chǎn)過程中實現(xiàn)監(jiān)視和控制需要用到各 種自動化儀表、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)，它們之間的信號傳輸既有微弱到 毫伏級、毫安級的小信號，又有幾十伏，甚至數(shù)千伏、數(shù)百安培的大信 號；既有低頻直流信號，也有高頻脈沖信號等等，構(gòu)成系統(tǒng)后往往發(fā)現(xiàn) 在儀表和設(shè)備之間信號傳輸互相干擾，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至誤操作。出 現(xiàn)這種情況除了每個儀表、設(shè)備本身的性能原因如抗電磁干擾影響外， 還有一個十分重要的原因是由于儀表和設(shè)備之

7、間的信號參考點之間存在 電勢差,因而形成“接地環(huán)路”造成信號傳輸過程中失真。因此，要保 證系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠的運行，須運用到隔離器件。 綜上所述，本文要介紹的主要內(nèi)容是隔離器件在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng) 用，并述說了隔離器件的一些使用要點！ 此外，這次課程對我還有以下意義： (1)通過這次課程設(shè)計，深了對隔離器的理解。 (2)掌握了隔離器件在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的知識，提高了這方面的覺悟。 (3)達到了鞏固、充實、綜合應(yīng)用所學(xué)的知識來解釋所遇到的問題的 目的，為以后的設(shè)計和應(yīng)用打好了好的基礎(chǔ)！ 第第 2 2 章章 隔離器件的使用六要點隔離器件的使用六要點 2.12.1 隔離器的分類隔離器的分類 隔離器分為正壓和正負隔

8、離器兩種，正壓隔離器主要用于實驗動物 的生產(chǎn)繁殖、正負隔離器可以正壓使用也可以負壓使用，進行感染動物 實驗均使用負壓。我國農(nóng)業(yè)系統(tǒng)絕大多數(shù)使用的是玻璃和不銹鋼制造的 正負隔離器。由于隔離器小，每個隔離器只做一組動物實驗，彼此之間 互不干擾，所以農(nóng)業(yè)系統(tǒng)多選用隔離器進行獸醫(yī)生物制品方面的染毒動 物實驗。據(jù) 2001 年調(diào)查統(tǒng)計，農(nóng)業(yè)系統(tǒng)有禽用正負壓隔離器 175 臺， 主要集中在幾家大的科研和監(jiān)察機構(gòu)。2004 年 3 月調(diào)查統(tǒng)計，農(nóng)業(yè)系 統(tǒng)已有正負壓隔離器 596 臺之多，增長速度較快的一個重要原因是獸醫(yī) 管理實行 GMP 認可制度。這對提高獸藥質(zhì)量無疑起到了積極的作用，但 在使用過程中也的確

9、還存在一些問題。如果安裝器房間的空氣是否凈化， 存在著不同的看法，下面對隔離器談?wù)効捶ā?2.22.2 安裝隔離器房間的空氣可以不凈化安裝隔離器房間的空氣可以不凈化 理論上講，隔離器是一個小的密閉的平米系統(tǒng)。人不直接接觸動物， 空氣的進入與排除均通過高校過濾其。滅菌飼料，滅菌水及物品的傳入 是通過傳遞窗經(jīng)過氧蟻酸噴灑表面滅菌后傳入的（禽用隔離器的飲用水 是酸化水，它是通過管道傳入的。 ）染毒物品、動物尸體、糞便的傳出 也是用塑料袋包裝后通過傳遞窗經(jīng)過氧乙酸噴灑表面滅菌后傳出的） 。 所以，只要嚴(yán)格按照 SOP 操作，安裝隔離器房間的空氣是可以不凈化的。 國外早有在普通房間安裝隔離器飼養(yǎng)無菌動物

10、的先列。1996 年 9 月至 1997 年 7 月雜日本國橫濱市立大學(xué)醫(yī)學(xué)部試驗動物中心進修無菌 動物技術(shù)管理時，就是在普通房間安裝的隔離器中飼養(yǎng)無菌小鼠并成功 繁殖無菌小鼠。在熊本大學(xué)等單位參觀時，也是屢見普通房間安裝隔離 器中飼養(yǎng)無菌動物及 SPF 動物。國內(nèi)如中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院試驗動物研究所， 中國獸醫(yī)藥品監(jiān)察所和一些獸醫(yī)生物制品長等單位也有在普通房間隔離 器中進行 SPF 級別的動物試驗的報道。 2.32.3 隔離器質(zhì)量問題及操作程序隔離器質(zhì)量問題及操作程序 拒了解，目前國內(nèi)至少有 5 個個廠家生產(chǎn)硬質(zhì)禽用正負壓隔離器， 但有的廠家生產(chǎn)的隔離器傳遞窗和糞口套筒沒有設(shè)計藥物噴灑孔，易引 起

11、污染和散毒。列：一個染毒試驗，動物被攻擊強毒后死亡，取出的程 序為：先取滅菌塑料袋，打開傳遞窗外門，傳入滅菌塑料袋，關(guān)閉傳遞 窗外門，擰開藥物噴灑孔螺帽，噴灑過氧乙酸，擰緊噴灑孔螺帽，待 30 分鐘左右，打開傳遞窗外門，去處裝有死雞的塑料袋，觀賞傳遞窗 外門。將死雞送剖檢室或焚尸進行無害化處理。顯然，沒有藥物噴灑孔 是不行的。購買隔離器時，應(yīng)特別主義這一點。1 太隔離器染毒試驗結(jié) 束后，若有存活動物應(yīng)見其安樂處死。然后將合理器推到洗刷、消毒間， 按上述操作成熟將甲醇溶液傳入隔離器，插上電源進行熏證至少 24 小 時。拆開隔離器，插上洗刷、沖凈后晾干、組裝、用膠帶密封，用甲醇 溶液熏蒸后，推到隔

12、離室待用。 2.42.4 隔離器高效過濾使用問題隔離器高效過濾使用問題 隔離器高效過濾器有一定的使用期限，一般 1 年左右，粉塵少，使 用期限可稍長。有人認為，高效過濾器使用時間過場，過濾效果不好， 從而影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。同一個房間中安裝多臺隔離器，每臺隔離 器的排風(fēng)口均與一條排風(fēng)管道連接，雖然總排風(fēng)口安裝有排風(fēng)機，但由 于多臺隔離器不同時使用，而排風(fēng)管道上與不使用的隔離器的連接口沒 封死，總排風(fēng)口的排風(fēng)機抽的不是隔離器內(nèi)排出的風(fēng)，而絕大多數(shù)是房 間內(nèi)的風(fēng)，這樣會造成送風(fēng)量不夠，新鮮潔凈空氣減少，隔離器內(nèi)飼養(yǎng) 的動物肯定不會養(yǎng)好。 2.52.5 應(yīng)配備隔離器洗刷、消毒間應(yīng)配備隔離器洗刷、消

13、毒間 在一些獸醫(yī)生物制品廠的 SPF 雞動物試驗正負隔離器，往往看到有 多臺隔離器，卻沒有配備器洗刷、消毒間。建議獸醫(yī)生物物品廠應(yīng)建有 隔離器洗刷、消毒間，理由是：1 臺隔離器動物試驗結(jié)束后，隔離器必 須消毒、清洗。沒有洗刷、消毒間，就得在原地洗刷、消毒。洗刷、消 毒噪聲很大，超過實驗動物國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定噪聲，這勢必影響了其他動物 實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，進行染毒動物實驗還應(yīng)配備負壓解剖室或負 壓超凈工作臺。 2.62.6 應(yīng)配備空氣凈化的應(yīng)配備空氣凈化的 SPFSPF 孵化室或孵化室或 SPFSPF 雞運輸隔離器雞運輸隔離器 目前，大多數(shù)用 SPF 雞進行動物試驗的單位均缺少 SPF 雞孵化室。

14、 都外購 SPF 雞，且缺乏 SPF 雞運輸隔離器，沒有用 SPF 雞運輸隔離器運 輸?shù)?SPF 雞不能稱得上真正的 SPF 雞。所以。有條件的單位還是應(yīng)該建 立自己的 SPF 雞孵化室或訂購批量 SPF 雞運輸隔離器。 第第 3 3 章章 基于嵌入式系統(tǒng)的隔離硬件設(shè)計基于嵌入式系統(tǒng)的隔離硬件設(shè)計 3.13.1 InternetInternet Internet 的迅猛發(fā)展使信息共享的程度進一步提高，因而信息安 全的問題也日益突出，這時唯一的解決方法只能是主動解決信息安全和 網(wǎng)絡(luò)安全問題。目前國內(nèi)外采用最多的、最普遍的網(wǎng)絡(luò)安全措施是使用 防火墻類軟件，但是防火墻類軟件本身存在兩大先天缺陷：其一

15、是防火 墻隔離的網(wǎng)絡(luò)還是基于 TCP/IP 協(xié)議來進行信息交換的，而 TCP/IP 協(xié) 議存在漏洞，它無法防止協(xié)議本身的漏洞；其二是防火墻的運行離不開 操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)和防火墻軟件都存在漏洞，因而不能阻止由這些漏 洞而引起的網(wǎng)絡(luò)安全問題。因此，開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)是必要的。本文 在對已有的防火墻技術(shù)及物理隔離技術(shù)進行分析的基礎(chǔ)上，提出了帶緩 沖區(qū)的雙通道實時開關(guān)技術(shù)，通過該技術(shù)所設(shè)計出的網(wǎng)絡(luò)隔離器能滿足 實時數(shù)據(jù)的傳輸，同時本文提出了一種物理隔離環(huán)境下數(shù)據(jù)安全轉(zhuǎn)發(fā)的 技術(shù)構(gòu)思，該方案使得網(wǎng)絡(luò)隔離器有很好的安全性能。 3.23.2 物理隔離技術(shù)原理物理隔離技術(shù)原理 物理隔離是指內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)不得直接或

16、間接地連接外部網(wǎng)絡(luò)即互聯(lián)網(wǎng)。 物理隔離技術(shù)通過中斷內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的連接，不支持 TCP/IP 協(xié) 議，不依賴于操作系統(tǒng)，解決了目前網(wǎng)絡(luò)安全存在的根本性問題，即由 于操作系統(tǒng)漏洞和 TCP/IP 協(xié)議漏洞所帶來的安全問題，有效地防止了 惡意代碼、病毒以及網(wǎng)絡(luò)入侵的發(fā)生，滿足了網(wǎng)絡(luò)安全的機密性、完整 性、可用性、可控性和可審查性要求。 3.33.3 物理隔離技術(shù)物理隔離技術(shù) 目前，國內(nèi)外普遍采用的物理隔離技術(shù)有: 單硬盤物理隔離卡和雙 主板物理隔離技術(shù)。 3.3.13.3.1 單硬盤物理隔離卡單硬盤物理隔離卡 這種技術(shù)是將計算機的單個硬盤從物理層上分割為公共和安全兩個 分區(qū)，每個分區(qū)各自安裝一

17、套操作系統(tǒng)。在操作中，用戶工作在安全狀 態(tài)和公共狀態(tài)兩個互相排斥的操作系統(tǒng)環(huán)境下，從而實現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)的安全 隔離。這種技術(shù)的缺點是不能傳輸實時數(shù)據(jù)。 3.3.23.3.2 雙主板物理隔離技術(shù)雙主板物理隔離技術(shù) 兩塊主板之間通過非網(wǎng)絡(luò)方式的一個雙端口 RAM 進行數(shù)據(jù)的傳輸， 雙端口 RAM 分為兩個區(qū)，第一個區(qū)是內(nèi)網(wǎng)客戶端向外網(wǎng)服務(wù)器單向傳 輸數(shù)據(jù)的通道。第二個區(qū)是外網(wǎng)客戶端向內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器單向傳輸數(shù)據(jù)時的 通道。在平時內(nèi)外網(wǎng)是斷開的，雙端口 RAM 處于斷開狀態(tài)。當(dāng)有數(shù)據(jù)要 傳輸時，內(nèi)外網(wǎng)才通過雙端口 RAM 進行數(shù)據(jù)傳輸。 3.43.4 網(wǎng)絡(luò)隔離器技術(shù)原理網(wǎng)絡(luò)隔離器技術(shù)原理 目前網(wǎng)絡(luò)隔離器的實時開

18、關(guān)實現(xiàn)方式主要有基于 SCSI 的開關(guān)技術(shù) 和基于總線的開關(guān)技術(shù)兩種。 基于總線的實時開關(guān)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)隔離器采用雙端口靜態(tài)存儲器（Du al Port SRAM）配合基于獨立的 ARM 的控制電路，雙端口各自通過開關(guān) 與獨立的計算機主機連接,如圖 3-4 所示。ARM 作為獨立的控制電路保 證雙端口靜態(tài)存儲器的每一端口上存在一個開關(guān)，且兩個開關(guān)不能同時 閉合即 K1K2=0。 基于 SCSI 開關(guān)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)隔離器和圖 3-4 相似，只是數(shù)據(jù)通道換 為 SCSI 硬盤接口，而存儲介質(zhì)使用的是 SCSI 硬盤，控制單元使用專 門設(shè)計的硬件電路板實現(xiàn)。 圖 3-1 基于總線實時開關(guān)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)隔離器示意

19、圖 該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換原理如下：以數(shù)據(jù)由外部網(wǎng)到內(nèi)部網(wǎng)的傳遞為例 ，首先外部主機將由外部網(wǎng)接收到的數(shù)據(jù)進行 TCP/IP 協(xié)議和應(yīng)用協(xié)議 的剝離，將其還原為原始數(shù)據(jù)，同時對數(shù)據(jù)進行完整性和安全性的審查 ；審查通過后，將安全的數(shù)據(jù)傳遞給交換設(shè)備，然后內(nèi)部主機接收到這 批數(shù)據(jù)，在對它們進行 TCP/IP 協(xié)議的剝離，將其還原為原始數(shù)據(jù)，同 時對數(shù)據(jù)進行完整和安全性的審查；審查通過后，將安全的數(shù)據(jù)傳遞給 交換設(shè)備，然后內(nèi)部主機接收到這批數(shù)據(jù)，在對它們進行 TCP/IP 協(xié)議 和應(yīng)用協(xié)議的封裝后，把它們發(fā)送到內(nèi)部網(wǎng)。反之亦然。以內(nèi)網(wǎng)接收電 子郵件為例，當(dāng)外網(wǎng)需要有數(shù)據(jù)到達內(nèi)網(wǎng)的時候，外部的服務(wù)器立即發(fā)

20、起對隔離設(shè)備的非 TCP/IP 協(xié)議的數(shù)據(jù)連接，隔離設(shè)備將所有的協(xié)議剝 離，將原始的數(shù)據(jù)寫入存儲介質(zhì)。根據(jù)不同的應(yīng)用，可能有必要對數(shù)據(jù) 進行完整性和安全性檢查，如防病毒和惡意代碼等。一旦數(shù)據(jù)完全寫入 隔離設(shè)備的存儲介質(zhì)，隔離設(shè)備立即中斷與外網(wǎng)的連接。轉(zhuǎn)而發(fā)起對內(nèi) 網(wǎng)的非 TCP/IP 協(xié)議的數(shù)據(jù)連接。隔離設(shè)備將存儲介質(zhì)內(nèi)的數(shù)據(jù)推向內(nèi) 網(wǎng)。內(nèi)網(wǎng)收到數(shù)據(jù)后，立即進行 TCP/IP 的封裝和應(yīng)用協(xié)議的封裝，并 交給應(yīng)用系統(tǒng)。 這個時候內(nèi)網(wǎng)電子郵件系統(tǒng)就收到了外網(wǎng)的電子郵件系統(tǒng)通過隔離 設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的電子郵件。在控制臺收到完整的交換信號之后，隔離設(shè)備立 即切斷隔離設(shè)備于內(nèi)網(wǎng)的直接連接。 如果這時，內(nèi)網(wǎng)有電

21、子郵件要發(fā)出，隔離設(shè)備收到內(nèi)網(wǎng)建立連接的 請求之后，建立與內(nèi)網(wǎng)之間的非 TCP/IP 協(xié)議的數(shù)據(jù)連接。隔離設(shè)備剝 離所有的 TCP/IP 協(xié)議和應(yīng)用協(xié)議，得到原始的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)寫入隔離 設(shè)備的存儲介質(zhì)。必要的話，對其進行防病毒處理和防惡意代碼檢查。 然后中斷與內(nèi)網(wǎng)的直接連接。控制臺收到信息處理完畢后，立即中斷隔 離設(shè)備與外網(wǎng)的連接，恢復(fù)到完全隔離狀態(tài)。 每一次數(shù)據(jù)交換，隔離設(shè)備經(jīng)歷了數(shù)據(jù)的接受，存儲和轉(zhuǎn)發(fā)三個過 程。由于這些規(guī)則都是在內(nèi)存和內(nèi)核里完成的，因此速度上有保證，可 以達到 100%的總線處理能力。 3.53.5 隔離硬件的設(shè)計隔離硬件的設(shè)計 網(wǎng)絡(luò)隔離器中實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的過程是通過對隔離

22、硬件上的存儲芯片 的讀寫來完成的。存儲芯片作為內(nèi)外網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換存儲區(qū)，其訪問設(shè)計 方案決定了網(wǎng)絡(luò)隔離器的數(shù)據(jù)交換速度。為了滿足數(shù)據(jù)交換速度的要求 ，采用了帶緩沖區(qū)的雙通道實時開關(guān)技術(shù)。雙端口靜態(tài)存儲器劃分為兩 個存儲區(qū)域 A、B。 外部主機通過 K1 只能向 A 中寫入數(shù)據(jù)或從 B 中讀出數(shù)據(jù)，而內(nèi)部 主機通過 K2 只能從 A 中讀出數(shù)據(jù)或向 B 中寫入數(shù)據(jù)，K1 和 K2 的約束 為 K1aK2c=0 且 K1bK2d=0。如此一來就將雙向數(shù)據(jù)通道變?yōu)榱藘蓚€ 單向的數(shù)據(jù)通道。這樣的設(shè)計使得在原有設(shè)計中內(nèi)外部處理單元一方對 隔離硬件進行讀寫操作，而另一方就無法訪問隔離硬件的情況有所改善 ，它

23、允許雙方同時進入讀讀或?qū)憣懙臓顟B(tài)。但是在這種結(jié)構(gòu)中，存在著 這樣的讀寫沖突問題，例如當(dāng)外部主機通過 K1 向 A 寫入數(shù)據(jù)時，內(nèi)部 主機無法從 A 中讀出數(shù)據(jù)，或者當(dāng)內(nèi)部主機從 A 中讀出數(shù)據(jù)時，外部主 機不能向 A 寫入數(shù)據(jù)，對 B 的操作也存在類似的情況。因此提出了帶緩 沖區(qū)的雙通道實時開關(guān)技術(shù)。 圖 3-2 為帶緩沖區(qū)的雙通道實時開關(guān)技術(shù)原理圖 將 A、B 存儲區(qū)域劃分為 N 個相等的小塊存儲區(qū) ai、bi（1iN） ，K1 和 K2 的約束為 K1aiK2ai=0 且 K1biK2bi=0。 這樣的改進使得當(dāng)內(nèi)外部主機中的一方對 ai 或 bi 進行訪問時，另 一方仍可以對 aj 或

24、bj（ij）進行訪問，減少了發(fā)生讀寫沖突的幾率 ，提高了數(shù)據(jù)通道的效率，從而實現(xiàn)了提高內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù) 的交換速度的目的。 3.63.6 物理隔離環(huán)境下數(shù)據(jù)安全轉(zhuǎn)發(fā)方案的設(shè)計物理隔離環(huán)境下數(shù)據(jù)安全轉(zhuǎn)發(fā)方案的設(shè)計 物理隔離環(huán)境下數(shù)據(jù)安全轉(zhuǎn)發(fā)方案的設(shè)計目標(biāo)是要在內(nèi)外網(wǎng)隔離的 前提下實現(xiàn)安全、動態(tài)、實時的數(shù)據(jù)交換。 數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)的構(gòu)架由外網(wǎng)處理單元、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)、內(nèi)網(wǎng)處理單元 、物理隔離模塊、通斷控制電路等功能部分組成。其中: (1) 外網(wǎng)處理單元負責(zé)對外網(wǎng)數(shù)據(jù)的確定、采集工作,由內(nèi)網(wǎng)用戶 需求而定,例如指定訪問目標(biāo)的網(wǎng)站等。 (2) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)負責(zé)內(nèi)外網(wǎng)數(shù)據(jù)的暫存、轉(zhuǎn)發(fā)工作。在數(shù)據(jù)交換的 過

25、程中,內(nèi)網(wǎng)處理單元把數(shù)據(jù)導(dǎo)出到內(nèi)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)或者外網(wǎng)處理單元把數(shù) 據(jù)導(dǎo)入到外網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū),而內(nèi)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)與外網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)是否有數(shù)據(jù)交換由隔 離硬件根據(jù)用戶的轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)限決定。用戶沒有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的權(quán)限時,外網(wǎng)轉(zhuǎn) 發(fā)區(qū)與內(nèi)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)是完全隔斷的。 (3) 內(nèi)網(wǎng)處理單元按照預(yù)先設(shè)定的安全策略對數(shù)據(jù)進行掃描分析、 篩選過濾、病毒檢測等處理。來自于外網(wǎng)數(shù)據(jù)或發(fā)往外網(wǎng)的數(shù)據(jù),如果 違反既定安全規(guī)則就被阻止進出。 (4) 物理隔離硬件實現(xiàn)在物理傳導(dǎo)上使內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)隔斷，在物理上隔 斷內(nèi)部網(wǎng)與外部網(wǎng)。物理隔離硬件被設(shè)置在最低的物理層上,內(nèi)外網(wǎng)的 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)由物理隔離硬件操縱通斷控制電路來執(zhí)行,在同一時段內(nèi),物理 隔離硬件只能接受來自內(nèi)網(wǎng)

26、處理單元或者外網(wǎng)處理單元轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的請求,不 能同時接收來自內(nèi)網(wǎng)處理單元和外網(wǎng)處理單元轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的請求,使內(nèi)網(wǎng) 轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)和外網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)雙向進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)操作。而且它的失效只會影響內(nèi) 外網(wǎng)數(shù)據(jù)交換的性能,而不會影響內(nèi)網(wǎng)的安全性。 (5) 通斷控制電路負責(zé)控制內(nèi)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)與外網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)的線路連接, 同時控制對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)中的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)或清除。通常,只有授予數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)限的用戶和角色,在通過物理隔離硬件檢查后認定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)限 與對象列表中的權(quán)限相符的情況下,通斷控制電路才會連通內(nèi)外轉(zhuǎn)發(fā)區(qū), 并按其數(shù)據(jù)流向?qū)嵤?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)工作。 3.73.7 總結(jié)總結(jié) 本章對雙通道實時開關(guān)技術(shù)進行了改進，提出了帶緩沖區(qū)的雙通道 實時

27、開關(guān)技術(shù)，通過該技術(shù)連接內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)，將內(nèi)外網(wǎng)的雙向數(shù)據(jù)傳輸 轉(zhuǎn)換為兩個單向數(shù)據(jù)傳輸，這極大的提高了內(nèi)外網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速度；并 且提出了物理隔離環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩桨?。因而從硬件和軟件上?證了內(nèi)外網(wǎng)的安全隔離，提高了黑客等不法分子對網(wǎng)絡(luò)攻擊、泄密的防 御水平，消除了大部分網(wǎng)絡(luò)安全隱患，對維護工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全及 系統(tǒng)安全運行起到了重要作用。介紹了基于 ARM 的網(wǎng)絡(luò)隔離器的設(shè)計， 該網(wǎng)絡(luò)隔離器的隔離硬件采用帶緩沖區(qū)的雙通道實時開關(guān)技術(shù)，極大地 提高了內(nèi)外網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速度, 從硬件和軟件上保證了內(nèi)外網(wǎng)的安全隔離,對 維護系統(tǒng)信息安全及系統(tǒng)安全運行起到了重要作用。 第第 4 4 章章 數(shù)字隔離器及

28、其在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)數(shù)字隔離器及其在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng) 用用 4.14.1 概述概述 基于iCoupler技術(shù)的數(shù)字隔離器及其相比光耦隔離器的各項優(yōu)勢， 設(shè)計實現(xiàn)了基于數(shù)字隔離技術(shù)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，驗證了該技術(shù)的優(yōu) 越性。 4.24.2 數(shù)字隔離的優(yōu)點數(shù)字隔離的優(yōu)點 隔離是防止通信結(jié)點間電流流動的有效手段。通常用在兩種情況下 需要用到隔離，一是存在大電流沖擊對器件或人造成傷害，二是需要避 免連接中不同的地電位形成的回路。在以上兩種情況下，隔離防止了通 信結(jié)點間電流的流動而保證數(shù)據(jù)或者能量正常通過。理想的隔離設(shè)備是 信號通過隔離器，不產(chǎn)生任何的信號衰減，功耗，不占面積，無需價格， 對

29、通常的電壓微分和瞬變提供保護。當(dāng)然，這樣的隔離器是不存在的， 但是可以為我們對現(xiàn)有隔離技術(shù)提供一個評價標(biāo)準(zhǔn)。 過去，通常的隔離方法是使用光耦隔離，電容隔離和變壓器隔離。 最常用的方法是光耦隔離，使用LED和光電晶體管透過隔離阻障傳輸信 號，在可用場合的價格優(yōu)勢使其在隔離器件的使用中占主導(dǎo)地位。電容 隔離使用導(dǎo)線結(jié)構(gòu)封裝耦合調(diào)制交流信號使其通過隔離阻障。這種方法 價格便宜，易于集成其他功能，并且數(shù)據(jù)傳輸速率是光耦隔離得34倍。 但是對輸入的瞬變會得到錯誤的結(jié)果，而且體積較大。磁變壓器方法主 要使用在交流系統(tǒng)中，如低頻模擬信號隔離、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接口等?；?iCoupler的數(shù)字隔離技術(shù)(iCoup

30、ler)解決方案，在各項隔離指標(biāo)性能上 都超越了傳統(tǒng)隔離方法，使得其能夠在要求更加高速、精確的領(lǐng)域中得 到更加充分的應(yīng)用。1數(shù)字隔離技術(shù)iCoupler數(shù)字隔離方案采用平面磁 場專利隔離技術(shù)，基于傳統(tǒng)的變壓器方法，融合了光耦隔離、半導(dǎo)體設(shè) 計的優(yōu)點，而不是光電耦合器所采用的發(fā)光二極管(LED)與光電二極管 的組合。該技術(shù)把微型變壓器集成在半導(dǎo)體中，消除了現(xiàn)有光電轉(zhuǎn)換功 耗大、時間延遲大、有限的數(shù)據(jù)傳輸率等缺點?？梢苑奖愕貞?yīng)用在高速 數(shù)字信號和直流信號的傳輸中。 一個iCoupler通道由兩個集成電路間的CMOS接口電路和兩個芯片大 小的變壓器構(gòu)成。在變壓器頂部和底部繞線間有特殊隔離層，它負責(zé)對

31、 指定變壓器的每一個變化的輸入邏輯編碼，并選擇兩個變壓器的其中一 個以區(qū)別上升沿和下降沿。通過之間的金屬線提供給變壓器原邊（頂部） 脈沖驅(qū)動，使其耦合到變壓器副邊（底部） ，這個脈沖可以有足夠高的 頻率。隔離阻障的輸出端電路檢測到耦合信號，立即在輸出端重建輸入 信號，并保證很高的準(zhǔn)確度。當(dāng)有輸入信號時，啟動刷新電路，傳輸給 變壓器正確的驅(qū)動脈沖，保證輸出根據(jù)正確的輸入狀態(tài)得到更新。 iCoupler通道是平面結(jié)構(gòu)，使用性價比高的晶片級技術(shù)，使得多通道可 以集成在一塊芯片中或者集成進其他的半導(dǎo)體功能。 iCoupler數(shù)字隔離有三大優(yōu)勢：性能、集成、易用。性能主要體現(xiàn) 在相對光耦隔離的低功耗、時

32、序精確性、瞬態(tài)共模抑制能力、數(shù)據(jù)傳輸 率的提高等。集成體現(xiàn)在iCoupler通道可以和其他半導(dǎo)體功能合成在一 起，另外一塊芯片集成多個iCoupler通道，并且包括各種可能的通道方 向組合，這樣，與光耦相比，將大大減小面積與價格。易用包括減少了 光耦設(shè)計的很多困難，并且增加了一些新的功能。減少的光耦設(shè)計困難 包括很寬的電流傳輸率LED損耗，驅(qū)動需要的高輸入電流；新的功能包 括可以減小供電電壓、輸入輸出電壓可變范圍增大、極低的脈沖寬度偏 差、擴大的溫度范圍等等。ADI公司利用基于iCoupler數(shù)字隔離技術(shù)推 出了實用產(chǎn)品，產(chǎn)品都分3種性能等級，分別支持1Mbps、10Mbps和 100Mbps

33、數(shù)據(jù)傳輸速率，并且每種速率下都具有適當(dāng)?shù)臅r序精確性，其 中傳輸速率高達 100Mbps的產(chǎn)品解決了其它隔離手段實現(xiàn)相當(dāng)困難的高 速數(shù)據(jù)隔離問題。 4.34.3 隔離器的故障隔離器的故障 前級與末級放大器極間隔離器老化引起的故障。 4.3.14.3.1 故障現(xiàn)象及排除故障現(xiàn)象及排除 開機加激勵后, 輸出功率只達250W。觀察改為固態(tài)的末前級指示正 常, 用掃頻儀檢測末級增益14dB, 正常機器復(fù)原開機輸出1kW。過兩天 故障又重復(fù)出現(xiàn), 末前級指示仍正常, 檢測末級增益正常且放大器無接 觸不良現(xiàn)象, 進而懷疑末前級與末級間某處接觸不良。輕敲級間隔離器, 輸出功率在250W與1kW間晃動; 再次敲

34、擊,輸出功率穩(wěn)定在250W,不再增 大。用掃頻儀檢測級間隔離器插入損耗4dB,與正常值012015dB相差太 大。拆卸下隔離器, 解開發(fā)現(xiàn), 隔離器輸出端芯線虛焊, 輸入端芯線基 本脫焊。將芯線焊接牢固, 隔離器安裝復(fù)原。開機, 在末前級正常推動 下, 輸出功率750W, 未能滿功率發(fā)射,且隔離器工作時發(fā)熱, 換一新隔 離器后, 機器恢復(fù)正常工作。 4.3.24.3.2 隔離器工作原理隔離器工作原理 (1)隔離器的功能: 隔離器具有單向傳輸能量的特性, 常用于電視 發(fā)射機的天線和功率放大器或功率放大器與功率放大器之間,以防止后 級打火對前級的損傷; 后級開路或阻抗變化對前級的影響, 使每級放大

35、 器具有相當(dāng)?shù)莫毩⑿浴?電路符號如圖4-1。 (2)隔離器的結(jié)構(gòu): 隔離器有集中參數(shù)和分布參數(shù)之分。 分米波段 使用的是分布參數(shù)隔離器, 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-2。它主要由中間的內(nèi) 導(dǎo)體, 兩側(cè)封閉式的外導(dǎo)體, 內(nèi)外導(dǎo)體間的鐵氧體介質(zhì)和外導(dǎo)體外側(cè)的 兩片永久磁鋼組成, 上述各部分被安裝在一金屬屏蔽盒內(nèi)。 圖4-1 隔離器電路符號 圖 4-2 隔離器結(jié)構(gòu)示意圖 圖 4-3 內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖 (3) 隔離器的工作原理: 兩片永久磁鋼使鐵氧體介質(zhì)板產(chǎn)生某一固 定強度的恒定磁場。當(dāng)在端口1加入高頻信號電流, 則在鐵氧體中將會 產(chǎn)生與中心內(nèi)導(dǎo)體平面正交的交變磁場, 由于恒定磁場的作用, 此交變 磁場的分布將發(fā)生旋轉(zhuǎn), 當(dāng)所加恒定磁場為一特定磁場強度時, 鐵氧體 中產(chǎn)生的磁場正好旋轉(zhuǎn)30。而內(nèi)導(dǎo)體三個端口在空間是均勻分布的 （內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖如圖4-3）旋轉(zhuǎn)后的磁場方向恰好與內(nèi)導(dǎo)體3平面平行。 顯然, 內(nèi)導(dǎo)體3上將不會感應(yīng)電壓, 端口3無輸出。而內(nèi)導(dǎo)體2和旋轉(zhuǎn)后 磁場的相對位置與內(nèi)導(dǎo)體1