??? 摘?? 要：主備倒換技術(shù)是提高系統(tǒng)可靠性的一項重要技術(shù),。本文以提高控制系統(tǒng)的可靠性為出發(fā)點,，提出了應(yīng)用于該系統(tǒng)中的一種高可靠主備倒換技術(shù)的設(shè)計。?

??? 關(guān)鍵詞： 控制系統(tǒng),； 可靠性； 主備倒換技術(shù)

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??? 當(dāng)今電子信息處理系統(tǒng)向高可靠,、大容量,、高速化發(fā)展，高可靠,、高速化電子信息處理系統(tǒng)是市場需求的發(fā)展趨勢,。隨著嵌入式智能設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展和普及，電子信息處理系統(tǒng)的可靠性設(shè)計變得越來越重要,，特別是嵌入式智能控制系統(tǒng),，如果電子信息處理系統(tǒng)出現(xiàn)故障，其后果不堪設(shè)想,，造成的損失可能是無法估量,。1993年3月10日，浙江省寧波市北侖發(fā)電廠因控制系統(tǒng)失靈,，導(dǎo)致一號機(jī)組發(fā)生特大鍋爐爆炸事故,，造成傷亡幾十人。1996年6月,，歐洲“阿麗亞娜”號航天飛機(jī)因智能控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障,，使航天飛機(jī)墜毀，造成了數(shù)億美元的巨大損失,。每一次慘痛教訓(xùn)都提醒人們要重視控制系統(tǒng)的可靠性,。因此，主備倒換技術(shù)就是為克服完善設(shè)計無法解決這類高可靠要求的困難發(fā)展起來的,，其設(shè)計思想是允許故障存在,，并能自動地消除其影響?？梢哉f,，主備倒換技術(shù)從根本上開辟了一條實現(xiàn)系統(tǒng)可靠性的途徑,。本文對一種高可靠的主備倒換技術(shù)設(shè)計進(jìn)行闡述，并對其在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究,。?

1 主備倒換電路設(shè)計?

1.1 主備倒換邏輯控制圖?

??? 主備倒換邏輯控制框圖如圖1所示,具有人工倒換,、軟件倒換、自動倒換功能,。?

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??? 主備用狀態(tài)控制板各信號的功能如下：?

??? (1)復(fù)位信號：單板的復(fù)位信號,，當(dāng)復(fù)位信號為低時，該板變?yōu)閭溆冒?，用于人工倒換,。?

??? (2) 軟件控制位：單板的軟件控制信號，它是由單板軟件控制,，初始化為高,，當(dāng)CPU把該位改為低時，該板變?yōu)閭溆冒?，對方控制板變?yōu)橹饔冒?。這樣可以實現(xiàn)快速軟件倒換。?

??? (3) 心跳狀態(tài)位：CPU必須在500 μs內(nèi)至少訪問CPLD一次,，使CPLD輸出心跳波形,。心跳波形環(huán)回CPLD的心跳檢測電路，CPU如果在500 μs內(nèi)沒有訪問CPLD,，CPLD就沒有輸出心跳波形,。當(dāng)有心跳時，心跳狀態(tài)位為1,；當(dāng)沒有心跳時,，心跳狀態(tài)位為0，通過這個方法就可以監(jiān)控CPU是否正常運行,，如果CPU沒有正常運行,，該板就變?yōu)閭溆冒鍫顟B(tài)。?

??? (4) 本板主備用狀態(tài)位：該位為0 狀態(tài)時,，本板為主用,；該位為1狀態(tài)時，本板為備用,。當(dāng)該狀態(tài)位發(fā)生改變時,，CPLD會產(chǎn)生中斷INT告訴CPU，CPU會查詢該狀態(tài)位,，以便知道本板的主備用狀態(tài),。?

??? (5) 對方板主備用狀態(tài)位：該位為0 狀態(tài)時，對方板為主用,；該位為1狀態(tài)時,，對方板為備用,。當(dāng)該狀態(tài)位發(fā)生改變時，CPLD會產(chǎn)生中斷INT告訴CPU,，CPU會查詢該狀態(tài)位,，以便知道對方板的主備用狀態(tài)。?

??? (6) 中斷信號INT: 當(dāng)對方板主備用狀態(tài)或本板主備用狀態(tài)發(fā)生改變時,，CPLD會產(chǎn)生中斷信號INT通知CPU,保證CPU及時知道對方板主備用狀態(tài)或本板主備用狀態(tài),，以保證系統(tǒng)正常運行。?

??? (7) CPLD通信總線：就是CPU通過該總線與CPLD通信,，通過該總線完成CPLD的心跳,，同時通過該總線完成對方板主備用狀態(tài)或本板主備用狀態(tài)的查詢。?

??? (8) 數(shù)據(jù)同步端口：該數(shù)據(jù)同步端口就是網(wǎng)絡(luò)通信端口,，主要是同步兩塊主備用狀態(tài)控制板的數(shù)據(jù),，保證在主備板都是運行同一數(shù)據(jù)和程序,，只是主用板有控制權(quán),，備用板沒有控制權(quán)，倒換后,，使得原來備用板能夠無縫運行原來主用板的程序,，保證系統(tǒng)的可靠性。?

1.2 主備用工作原理?

??? 工作原理是：兩塊主備用狀態(tài)控制板的U2A的第3腳先為低的控制板為主用,。在主備倒換邏輯控制圖中,，當(dāng)主備用狀態(tài)控制板1的復(fù)位信號、軟件控制位,、心跳狀態(tài)位較主備用狀態(tài)控制板2的復(fù)位信號,、軟件控制位、心跳狀態(tài)位先都為高時,，這時主備用狀態(tài)控制板1的U1B的第6腳為高,，主備用狀態(tài)控制板2的U1B的第6腳輸出為低，導(dǎo)致主備用狀態(tài)控制板1的U2A的第3腳為低,，主備用狀態(tài)控制板2的U2A的第3腳為高,。則主備用狀態(tài)控制板1為主用，主備用狀態(tài)控制板2為備用,。反之,，當(dāng)主備用狀態(tài)控制板2的復(fù)位信號、軟件控制位,、心跳狀態(tài)位較主備用狀態(tài)控制板1的復(fù)位信號,、軟件控制位、心跳狀態(tài)位先都為高時,，主備用狀態(tài)控制板2為主用,，主備用狀態(tài)控制板1為備用,。?

1.3 CPLD的邏輯實現(xiàn)?

??? CPLD邏輯設(shè)計圖如圖2所示。當(dāng)CPU向心跳產(chǎn)生寄存器寫入0X55,，心跳波形輸出低電平,，寫入0XAA，心跳波形則輸出高電平,，這樣就能產(chǎn)生心跳脈沖輸出,。這個心跳脈沖就能監(jiān)控單板內(nèi)關(guān)鍵器件的好壞，如FPGA,、時鐘,、電源等。如果這些被監(jiān)控的芯片,、信號或電源出現(xiàn)問題,，那這個心跳脈沖就不能環(huán)回CPLD的心跳波形輸入腳，則CPLD的心跳檢測電路就不能檢測到心跳的存在,，即CPLD的心跳狀態(tài)位為0,，根據(jù)圖1的主備倒換邏輯控制圖，該主備用狀態(tài)控制板只能作為備用,。這樣主備用狀態(tài)就能夠?qū)崿F(xiàn)自動倒換,。心跳脈沖監(jiān)控FPGA、時鐘,、電源邏輯圖如圖3所示,。?

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2 軟件主備用倒換過程的實現(xiàn)?

??? 主備用狀態(tài)控制板啟動程序流程圖如圖4所示。如果主用板要通過軟件進(jìn)行倒換,，只要主用板把軟件控制位設(shè)置為0,，向備用板表明自己變?yōu)閭溆茫瑐溆冒宓倪壿嫲l(fā)中斷告訴備用板CPU,，備用板進(jìn)行中斷處理,，通過狀態(tài)寄存器檢測對方是否變?yōu)閭溆茫瑒t原備用板將軟件控制位置為1,，原備用板升為主用,。?

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3 主備用狀態(tài)控制板的倒換波形?

??? 根據(jù)圖1原理框圖，示波器探頭的二通道接主備用狀態(tài)控制板1的U2A的第3腳(倒換前為低即主用),，示波器探頭的一通道接主備用狀態(tài)控制板2的U2A的第3腳(倒換前為高即備用),，通過把主備用狀態(tài)控制板1的軟件位置為低，兩塊主備用狀態(tài)控制板的主備用狀態(tài)發(fā)生改變,，其倒換波形如圖5所示,。從示波器的顯示可知，時間軸每格20 ns,，則倒換時間大約20 ns就可以實現(xiàn)硬件完全倒換,。實現(xiàn)了快速穩(wěn)定的倒換,，從而可在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。?

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4 主備用狀態(tài)控制板的倒換測試?

??? (1)手動倒換: 如圖1按下主用板(如主備用狀態(tài)控制板1為主用) 的復(fù)位鍵SW1,。這時, 原主用板(如主備用狀態(tài)控制板1為主用)重啟,變?yōu)閭溆?，原備用?如主備用狀態(tài)控制板2為備用)變?yōu)橹饔?硬件切換時間約為20 ns，軟件同步切換時間約為20? μs,。?

??? (2)軟件倒換：主用板(如主備用狀態(tài)控制板1為主用)的CPU置CPLD 的控制寄存器的軟件控制位為0,使CPLD 的軟件控制位引腳輸出為0,。這時, 原主用板(如主備用狀態(tài)控制板1為主用)變?yōu)閭溆冒?原備用板(如主備用狀態(tài)控制板2為備用)變?yōu)橹饔冒?硬件切換時間約為20 ns，軟件同步切換時間約為1 μs,。這樣可以實現(xiàn)快速軟件倒換,。?

??? (3)自動倒換：由于CPU必須在500?μs內(nèi)，至少訪問CPLD一次,，使CPLD輸出心跳波形,，CPU如果在500 μs內(nèi)沒有訪問CPLD，CPLD就沒有輸出心跳波形,，當(dāng)沒有心跳時,，心跳狀態(tài)位為0，短路主用板的內(nèi)存,，讓主用板死機(jī),，CPU不去訪問CPLD, 這時, 原主用板(如主備用狀態(tài)控制板1為主用)變?yōu)閭溆冒?原備用板(如主備用狀態(tài)控制板2為備用)變?yōu)橹饔冒?硬件切換時間為20 ns左右,，軟件同步切換時間為10 ms左右,。這樣可以實現(xiàn)可靠的自動倒換。?

5 主備用狀態(tài)控制板在工控領(lǐng)域的應(yīng)用?

??? 很多高可靠性要求的場合要求系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)為99.999%,，即系統(tǒng)一年的平均故障時間不超過3 min,。如電力控制系統(tǒng)、交通導(dǎo)航系統(tǒng)等,，系統(tǒng)僅靠提供元件的可靠性是無法滿足要求的,，需要對系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行主備份，主備用設(shè)備通過控制通信網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)備份,，使得主備用設(shè)備完全同步,，保證當(dāng)這些主備用設(shè)備出現(xiàn)故障時，熱切換到備份設(shè)備,，使系統(tǒng)能不間斷運行,。?

??? (1) 在數(shù)據(jù)采集處理方面的應(yīng)用如圖6所示，通過本板的主備用狀態(tài)位來控制總線,，當(dāng)本板主用時,，數(shù)據(jù)采集卡的總線可以與本板的CPU通信，當(dāng)備用時,，數(shù)據(jù)采集卡的總線不與本板的CPU通信,。?

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??? (2) 在網(wǎng)絡(luò)通信方面的應(yīng)用如圖7所示,，通過本板的主備用狀態(tài)位來控制網(wǎng)絡(luò)通信口切換開關(guān)。如果服務(wù)器1為主用時,，外部通信設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)通信口切換開關(guān)與服務(wù)器1的CPU通信,；服務(wù)器2為備用，網(wǎng)絡(luò)通信口的切換開關(guān)斷開,，不與外部通信設(shè)備通信,。當(dāng)兩個服務(wù)器發(fā)生倒換后，服務(wù)器1為備用,，服務(wù)器2為主用時,，服務(wù)器1的網(wǎng)絡(luò)通信口切換開關(guān)斷開，服務(wù)器2的CPU通過網(wǎng)絡(luò)通信口切換開關(guān)與外部通信設(shè)備通信,。?

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