摘 要： 針對重要系統(tǒng)可靠性要求，特設(shè)計(jì)了一種雙CPU控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，兩個(gè)CPU彼此獨(dú)立運(yùn)行，可以自動或手動實(shí)現(xiàn)雙機(jī)的主輔切換，只有主CPU能正常讀寫外部RAM數(shù)據(jù)和控制輸出。
關(guān)鍵詞 雙CPU 切換 監(jiān)控 控制
單片微機(jī)具有小巧靈活、易擴(kuò)展成為功能強(qiáng)大的控制系統(tǒng)。目前，一些監(jiān)控終端以及許多獨(dú)立的控制系統(tǒng)（如：發(fā)電機(jī)的微機(jī)勵(lì)磁裝置）多以單片微機(jī)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(jì)的單片微機(jī)也難以保證控制系統(tǒng)能長期可靠的運(yùn)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(yùn)行就尤為重要。顯然，采用雙CPU冗余設(shè)計(jì)是非常有效的一種解決辦法。由于單片微機(jī)的功能強(qiáng)大，價(jià)格低廉，為設(shè)計(jì)雙機(jī)冗余系統(tǒng)提供了很好的條件。為此，我們設(shè)計(jì)了一種由兩片單片微機(jī)組成的雙機(jī)容錯(cuò)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(jì)方法實(shí)現(xiàn)了雙機(jī)的互為備用及相互切換。在該雙機(jī)冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，其關(guān)鍵問題是雙機(jī)系統(tǒng)的重構(gòu)策略和雙機(jī)系統(tǒng)的仲裁邏輯切換。
1 傳統(tǒng)的多CPU系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
傳統(tǒng)的多CPU系統(tǒng)的常用設(shè)計(jì)方法有三種：
① 利用雙口RAM實(shí)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(shí)聯(lián)接兩個(gè)CPU，這樣通過雙口RAM可以實(shí)現(xiàn)多CPU之間通信。
② 利用共享內(nèi)存的方法實(shí)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(shí)現(xiàn)對RAM的訪問，而這種方法是利用不同的時(shí)序?qū)崿F(xiàn)內(nèi)存共享的。
③ 利用總線方法實(shí)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(shí)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(jì)方法完全不同，它由兩片Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51 CPU構(gòu)成，雙機(jī)互為備用，彼此獨(dú)立并行運(yùn)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(jī)冗余系統(tǒng)，一個(gè)CPU 作為另一CPU的熱備份 ，雙機(jī)在任務(wù)上同步運(yùn)行。所有輸入信號通過輸入接口同時(shí)送給兩個(gè)CPU，但CPU 運(yùn)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(shí)，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(bào)警。此時(shí)，系統(tǒng)或自動或人工切換到另一個(gè)備用的CPU，并同時(shí)打開其輸出通道，備用機(jī)變?yōu)橹鳈C(jī)運(yùn)行狀態(tài)，控制系統(tǒng)這時(shí)降級為單機(jī)運(yùn)行。人們可以將原主機(jī)拔離系統(tǒng)以便進(jìn)行維修。從圖中可知，兩個(gè)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(gè)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(shí)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
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表1 雙機(jī)仲裁切換邏輯真值表
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3 雙機(jī)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(shí)運(yùn)行，一臺為主機(jī)，另一臺為備份機(jī)。在雙CPU都正常運(yùn)行的情況下，系統(tǒng)默認(rèn)CPU1為主機(jī)， CPU2為備份機(jī)。當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，要求系統(tǒng)能自動切換到備份機(jī)，使備份機(jī)提升成為主機(jī)，從而代替原主機(jī)從故障發(fā)生處連續(xù)運(yùn)行并發(fā)出報(bào)警信號。同時(shí)要求能通過手動開關(guān)人為選定主機(jī)運(yùn)行。設(shè)判別兩個(gè)CPU是否正常工作的信號分別為ST1、ST2，工作正常時(shí)它們的狀態(tài)為1，工作不正常時(shí)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(jī)的控制開關(guān)為S，當(dāng)兩個(gè)CPU都工作正常時(shí)，可通過S開關(guān)自動選擇或指定主機(jī)（當(dāng)S開關(guān)狀態(tài)為1時(shí)為自動默認(rèn)CPU1為主機(jī)，當(dāng)S開關(guān)狀態(tài)為0時(shí)則強(qiáng)制CPU2為主機(jī)）；當(dāng)兩個(gè)CPU中任意一個(gè)工作不正常時(shí)，則此時(shí)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(gè)CPU都不正常時(shí)，仲裁切換電路的兩個(gè)輸出都為1，兩個(gè)CPU都不能正常讀寫數(shù)據(jù)和輸出控制。這樣當(dāng)兩個(gè)CPU中任何一個(gè)或全正常時(shí)就能保證只有一個(gè)CPU能正常讀寫數(shù)據(jù)和輸出控制，當(dāng)兩個(gè)CPU都不正常時(shí)，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(gè)功能：
① 看門狗計(jì)時(shí)器功能。當(dāng)看門狗輸入信號在1.6s內(nèi)無變化時(shí)，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(shí)，產(chǎn)生掉電輸出；
③ 上電復(fù)位功能。當(dāng)上電時(shí)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(shí)，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：
① MR：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；
② Vcc：+5v電源；
③ GND：電源地；
④ PFI：電源檢測輸入端；
⑤ PFO：電源檢測輸出端，電源正常時(shí)，保持高電平；
⑥ WDI：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；
⑦ RST：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(shí)，RST保持高電平；
⑧ WDO：看門狗輸出端。正常工作時(shí)輸出高電平，當(dāng)WDI信號在1.6s內(nèi)不能及時(shí)送入并反向時(shí)，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(jì)時(shí)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(shí)間內(nèi)定時(shí)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(jī)。圖4為用MAX813L為CPU1接的看門狗電路，當(dāng)CPU1工作正常時(shí)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(shí)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(gè)CPU都可以通過RS232串行口與上位機(jī)通信，兩片CPU彼此獨(dú)立運(yùn)行，通過雙機(jī)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(kuò)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(dú)特，兩個(gè)CPU彼此獨(dú)立運(yùn)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(shí)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(shí)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(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到自行研制的電腦樣板切割機(jī)上取得了較滿意的結(jié)果。