基于雙CPU的切換及控制系統(tǒng)設(shè)計

單片微機具有小巧靈活、易擴展成為功能強大的控制系統(tǒng)。目前，一些監(jiān)控終端以及許多獨立的控制系統(tǒng)（如：發(fā)電機的微機勵磁裝置）多以單片微機為核心構(gòu)成。但由于諸如工作環(huán)境惡劣、電磁干擾等原因，即使使用按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計的單片微機也難以保證控制系統(tǒng)能長期可靠的運行，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)癱瘓。這樣，如何提高控制系統(tǒng)的可靠性，保證測控系統(tǒng)能正確穩(wěn)定的運行就尤為重要。顯然，采用雙CPU冗余設(shè)計是非常有效的一種解決辦法。由于單片微機的功能強大，價格低廉，為設(shè)計雙機冗余系統(tǒng)提供了很好的條件。為此，我們設(shè)計了一種由兩片單片微機組成的雙機容錯系統(tǒng)，以比較簡單和與傳統(tǒng)的多CPU系統(tǒng)完全不同思路的設(shè)計方法實現(xiàn)了雙機的互為備用及相互切換。在該雙機冗余系統(tǒng)設(shè)計中，其關(guān)鍵問題是雙機系統(tǒng)的重構(gòu)策略和雙機系統(tǒng)的仲裁邏輯切換。

1 傳統(tǒng)的多CPU系統(tǒng)設(shè)計方法

傳統(tǒng)的多CPU系統(tǒng)的常用設(shè)計方法有三種：

①利用雙口RAM實現(xiàn)CPU之間的通信。雙口RAM是一種高速的并行傳輸芯片，具有兩套I/O口和競爭裁決電路，可以同時聯(lián)接兩個CPU，這樣通過雙口RAM可以實現(xiàn)多CPU之間通信。

②利用共享內(nèi)存的方法實現(xiàn)CPU之間的通信。這種方法與上一種方法類似，所不同的是，上一種方法是利用雙口RAM的競爭裁決電路實現(xiàn)對RAM的訪問，而這種方法是利用不同的時序?qū)崿F(xiàn)內(nèi)存共享的。

③利用總線方法實現(xiàn)CPU之間的通信。通過接口芯片或CPU本身具備的SPI、I2C以及SMBus等接口實現(xiàn)CPU之間的通信。

2 該雙CPU系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

該雙CPU控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的多CPU系統(tǒng)的設(shè)計方法完全不同，它由兩片Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51 CPU構(gòu)成，雙機互為備用，彼此獨立并行運行，硬邏輯切換。其雙CPU控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

這是一種非表決式的雙機冗余系統(tǒng)，一個CPU 作為另一CPU的熱備份，雙機在任務(wù)上同步運行。所有輸入信號通過輸入接口同時送給兩個CPU，但CPU 運算、處理后的輸出量受到仲裁切換電路的控制，只有主CPU允許讀寫外部數(shù)據(jù)存貯器及輸出至外部設(shè)備，當(dāng)主CPU發(fā)生故障時，系統(tǒng)的自我檢測切換邏輯將發(fā)出信號，自動切斷其輸出通道，并通過CPU的工作指示系統(tǒng)報警。此時，系統(tǒng)或自動或人工切換到另一個備用的CPU，并同時打開其輸出通道，備用機變?yōu)橹鳈C運行狀態(tài)，控制系統(tǒng)這時降級為單機運行。人們可以將原主機拔離系統(tǒng)以便進行維修。從圖中可知，兩個CPU的地址、數(shù)據(jù)及控制總線都通過一組三態(tài)門（三態(tài)門 1、2）輸出與外部數(shù)據(jù)存貯器相接，兩個CPU的某些輸出控制I/O口都通過另一組三態(tài)門（三態(tài)門3、4）輸出與外部輸出控制設(shè)備相接，兩組三態(tài)門的控制端都同時受仲裁切換電路控制，而仲裁切換電路的兩路輸出互為反邏輯，即只有一路輸出能使所控制的對應(yīng)三態(tài)門（如三態(tài)門1、3）正常輸出，另一路輸出使所控制的對應(yīng)三態(tài)門（如三態(tài)門2、4）處于高阻狀態(tài)，從而不影響主CPU正常讀寫數(shù)據(jù)和向控制I/O口輸出數(shù)據(jù)。

圖1雙CPU控制系統(tǒng)原理框圖

3 雙機仲裁切換邏輯電路

在該雙CPU控制系統(tǒng)中，兩者互為熱備份，同時運行，一臺為主機，另一臺為備份機。在雙CPU都正常運行的情況下，系統(tǒng)默認(rèn)CPU1為主機， CPU2為備份機。當(dāng)主機出現(xiàn)故障時，要求系統(tǒng)能自動切換到備份機，使備份機提升成為主機，從而代替原主機從故障發(fā)生處連續(xù)運行并發(fā)出報警信號。同時要求能通過手動開關(guān)人為選定主機運行。設(shè)判別兩個CPU是否正常工作的信號分別為ST1、ST2，工作正常時它們的狀態(tài)為1，工作不正常時狀態(tài)為0。仲裁切換電路輸出為0的控制端控制工作正常的CPU的相應(yīng)三態(tài)門組使能，仲裁切換電路輸出為1的控制端控制另一CPU的相應(yīng)三態(tài)門組禁止輸出。自動或手動選擇主機的控制開關(guān)為S，當(dāng)兩個CPU都工作正常時，可通過S開關(guān)自動選擇或指定主機（當(dāng)S開關(guān)狀態(tài)為 1時為自動默認(rèn)CPU1為主機，當(dāng)S開關(guān)狀態(tài)為0時則強制CPU2為主機）；當(dāng)兩個CPU中任意一個工作不正常時，則此時與S開關(guān)的狀態(tài)無關(guān)，仲裁切換電路的輸出能確保只有與工作正常的CPU相連的三態(tài)門組的使能端為0，從而控制該正常CPU正常讀寫數(shù)據(jù)和輸出控制；當(dāng)兩個CPU都不正常時，仲裁切換電路的兩個輸出都為1，兩個CPU都不能正常讀寫數(shù)據(jù)和輸出控制。這樣當(dāng)兩個CPU中任何一個或全正常時就能保證只有一個CPU能正常讀寫數(shù)據(jù)和輸出控制，當(dāng)兩個CPU都不正常時，則理所當(dāng)然系統(tǒng)不能正常工作。按要求可得真值表如表1所示。

由真值表可得仲裁切換電路的兩路控制三態(tài)門的控制信號邏輯CTL1、CTL2分別為：

，

構(gòu)成的仲裁切換電路如圖2所示。

4 CPU狀態(tài)監(jiān)控電路

監(jiān)控電路采用了具有電源監(jiān)控電路和看門狗功能的微處理芯片MAX813L，該芯片它具有4個功能：

①看門狗計時器功能。當(dāng)看門狗輸入信號在1.6s內(nèi)無變化時，產(chǎn)生看門狗輸出；

②電壓監(jiān)控功能。當(dāng)?shù)綦娀螂娫幢O(jiān)測電壓低于1.25V時，產(chǎn)生掉電輸出；

③電復(fù)位功能。當(dāng)上電時自動產(chǎn)生脈寬200ms的復(fù)位信號；

④人工復(fù)位功能。當(dāng)人工復(fù)位端輸入低電平時，產(chǎn)生復(fù)位信號輸出。

MAX813L采用DIP-8封裝，如圖3所示，引腳功能說明如下：

①MR：手工復(fù)位輸入端，可接人工復(fù)位按鈕，該端輸入低電平保持140ms以上，可產(chǎn)生復(fù)位（RST）信號；

②Vcc：+5v電源；

③GND：電源地；

④PFI：電源檢測輸入端；

⑤PFO：電源檢測輸出端，電源正常時，保持高電平；

⑥WDI：看門狗輸入端。俗稱“喂狗”信號，必須在1.6s內(nèi)使該端輸入反向信號；

⑦RST：復(fù)位輸出端。高電平有效，可輸出200ms的正脈沖，當(dāng)電源Vcc低于4.65v時，RST保持高電平；

⑧WDO：看門狗輸出端。正常工作時輸出高電平，當(dāng)WDI信號在1.6s內(nèi)不能及時送入并反向時，該端輸出低電平信號。

因AT89C51無看門狗功能，為了監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，在本系統(tǒng)中主要利用的是MAX813L的看門狗計時器功能。其中看門狗輸入端WDI由CPU的P3.4提供，CPU在規(guī)定的時間內(nèi)定時改變P3.4

的狀態(tài)，由看門狗輸出端WDO提供當(dāng)前CPU的狀態(tài)信號至仲裁切換電路的STi（i =1或2）端，從而由仲裁切換電路自動或手動確定主機。圖4為用MAX813L為CPU1接的看門狗電路，當(dāng)CPU1工作正常時能正常提供P3.4信號則WDO端ST1輸出高電平，D1亮D2滅；當(dāng)CPU1工作不正常時不能正常提供P3.4信號則WDO端ST1輸出低電平，D2亮D1滅。

5 系統(tǒng)硬件電路

圖5為利用本文介紹的雙CPU的切換及控制系統(tǒng)組成的一種硬件電路。從圖中可知，系統(tǒng)每個CPU都可以通過RS232串行口與上位機通信，兩片 CPU彼此獨立運行，通過雙機仲裁切換邏輯電路共享外部16KB RAM和控制8路I/O口輸出。利用這種方法還可以通過增加三態(tài)門組成更大容量（最大64KB）的外部RAM和更多的輸出控制I/O口或擴展I/O口。

圖5 一種雙CPU的切換及控制系統(tǒng)的硬件電路

6 結(jié)束語

該雙CPU控制系統(tǒng)構(gòu)思獨特，兩個CPU彼此獨立運行，但讀寫的都是同一塊外部RAM的數(shù)據(jù)，只是只有主CPU能實際讀寫數(shù)據(jù)，故不存在內(nèi)存數(shù)據(jù)交換和共享問題，同時也只有主CPU能輸出控制外部設(shè)備，可廣泛應(yīng)用于要求高可靠性控制的場合，作者將該項技術(shù)應(yīng)用到自行研制的電腦樣板切割機上取得了較滿意的結(jié)果。

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