摘   要： 本文探討了用CPLD實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)控制裝置控制器的熱備冗余切換和通信容錯(cuò),，并給出了具有冗余切換和通信容錯(cuò)功能的控制器結(jié)構(gòu)以及冗余切換和通信容錯(cuò)模塊的具體實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞： 冗余  容錯(cuò)  可靠性  CPLD  控制器

　　在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域里的大型化工,、石化,、冶金、電力等企業(yè),，控制系統(tǒng)控制裝置控制器的冗余和容錯(cuò)是控制系統(tǒng)高可靠性得以實(shí)現(xiàn)的保證,。其中控制器要求具有完全在線冗余的功能，即系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí),，當(dāng)前運(yùn)行的主控制器如果出現(xiàn)故障可立即切換到備用控制器,，然后從背板上取下故障控制器進(jìn)行維修,，系統(tǒng)在整個(gè)過程中的正常運(yùn)行不受任何影響。要達(dá)到這樣的要求,，在二個(gè)控制器之間的快速切換是關(guān)鍵,。
　　控制系統(tǒng)的控制器與I/O模塊的通信容錯(cuò)是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)高可靠性的又一種重要方法。在控制器與I/O模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí),，發(fā)送方對(duì)待發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算,，獲得冗余校驗(yàn)位；接收方則對(duì)接收到的數(shù)據(jù)和冗余校驗(yàn)位進(jìn)行運(yùn)算,，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果來判斷接收到的數(shù)據(jù)的正確性,，以便對(duì)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)糾正。
本文對(duì)雙機(jī)/雙模板熱備份技術(shù)(雙模冗余技術(shù))和控制器與I/O模塊通信容錯(cuò)應(yīng)用進(jìn)行了新的探討,，在控制器與背板接口處通過使用復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Dvice,，CPLD）芯片增加了冗余切換模塊和通信容錯(cuò)模塊，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了控制器的在線冗余和與I/O的數(shù)據(jù)通信容錯(cuò),。控制系統(tǒng)的冗余連接如圖1所示,。

1  無中心裁決器雙模冗余容錯(cuò)控制器系統(tǒng)模型
1.1 無中心裁決器控制器雙模冗余
　　冗余設(shè)計(jì)的思想是在系統(tǒng)或設(shè)備完成任務(wù)起關(guān)鍵作用的地方,，增加一套以上功能完全相同的通道、單元或元件,。當(dāng)該部分出現(xiàn)故障時(shí),，使系統(tǒng)仍能正常工作[1]。以減少系統(tǒng)的故障率,，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高可靠性,。
　　控制器雙模冗余是指控制系統(tǒng)中存在2個(gè)相同的控制器，它們同時(shí)工作,，互為熱備份,，在任一時(shí)刻只有一個(gè)控制器（主控制器）在有效地輸出[2]。
　　控制器雙模冗余在具體實(shí)現(xiàn)上有中心裁決器雙模冗余和無中心裁決器雙模冗余,。有中心裁決器雙模冗余是在2個(gè)控制器之外加入比較電路,，將2個(gè)控制器的輸出進(jìn)行比較，結(jié)果相同才輸出到背板總線上,。這樣一旦比較電路出現(xiàn)故障,，整個(gè)控制系統(tǒng)將無法繼續(xù)工作，因此比較電路的加入限制了控制器的在線冗余能力,。無中心裁決器雙模冗余沒有比較電路,，是在每個(gè)控制器上增加冗余切換邏輯，一旦主控制器出現(xiàn)故障立刻切換到備用控制器,，任何一個(gè)控制器出現(xiàn)故障都不會(huì)影響到整個(gè)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行,，充分體現(xiàn)了控制器的在線冗余能力,。無中心裁決器雙模冗余容錯(cuò)控制器的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。其模塊功能說明如下,。

　　(1)冗余切換模塊：實(shí)現(xiàn)冗余監(jiān)控和管理,，即當(dāng)主控制器檢測(cè)出故障時(shí)，冗余切換模塊給出切換信號(hào),，備用控制器的冗余切換模塊接收到切換信號(hào)后,，使備用控制器成為主用控制器。
　　(2)容錯(cuò)發(fā)送和接收模塊：容錯(cuò)發(fā)送模塊對(duì)控制器輸出到背板總線上的數(shù)據(jù)加上冗余校驗(yàn)位,，容錯(cuò)接收模塊則對(duì)從背板總線上接收到的含有冗余校驗(yàn)位的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò),。
　　(3)信號(hào)名稱：①master_I、②switch_I,、③backup_I,、④master_O、⑤switch_O,、⑥backup_O,、⑦clk、⑧noe,、⑨t(yī)_nr,。
1.2 控制器與I/O模塊通信容錯(cuò)
　　控制系統(tǒng)控制裝置控制器經(jīng)常工作在電磁干擾非常強(qiáng)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，控制器數(shù)據(jù)通過背板與其他模塊進(jìn)行通信時(shí),，外界的強(qiáng)干擾容易造成通信信息“0”和“1”的翻轉(zhuǎn),，導(dǎo)致接收到的數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤。但通過在控制器上與背板總線接口處增加錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正（Error Detection And Correction,，EDAC）模塊,，可以減少通信過程中因?yàn)橥饨珉姶鸥蓴_而造成的“0”和“1”的翻轉(zhuǎn)情況。
　　錯(cuò)誤檢測(cè)和糾錯(cuò)的基本原理是基于數(shù)據(jù)通信中的糾錯(cuò)編碼,。糾錯(cuò)編碼的目的是降低誤碼率[3],，即在控制器準(zhǔn)備輸出到背板總線上的信息碼中增加一些冗余校驗(yàn)位，在接收端通過對(duì)接收到的信號(hào)(包括冗余位)進(jìn)行運(yùn)算以判斷接收到的信息的正確性,。如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)出錯(cuò),，則立即糾正，再將正確的數(shù)據(jù)送給所控制的控制電路,。
2  冗余切換模塊
      (1)冗余切換模塊信號(hào)說明
　　clk：時(shí)鐘,；reset：系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)（低電位復(fù)位）；bank：槽號(hào)（bank=‘0’為0號(hào)控制器,，否則為1號(hào)控制器）,；test：系統(tǒng)送來的模板自檢信號(hào)(低電位模板無故障）；sysgood：系統(tǒng)啟動(dòng)后由系統(tǒng)功能電路送過來系統(tǒng)完好情況信號(hào)（低電位表示系統(tǒng)完好）,；selftest_req：當(dāng)控制器在工作過程中發(fā)生錯(cuò)誤時(shí),，給出請(qǐng)求模板自檢信號(hào)(此時(shí)為高電平),；switch_man：人為切換信號(hào)（高電位有效）。reset_man：人為復(fù)位當(dāng)前控制器（高電位復(fù)位）,；master_I：接收冗余控制器是否主用情況,；switch_I：接收冗余控制器的切換信號(hào)；backup_I：接收冗余控制器的備用信息,；master_O：當(dāng)前控制器產(chǎn)生的主用情況,；switch_O：當(dāng)前控制器產(chǎn)生的切換信號(hào)；backup_O：當(dāng)前控制器產(chǎn)生的的備用信息,。
　　(2)控制器的冗余切換模塊驗(yàn)證
　　2個(gè)相同控制器的切換邏輯模塊驗(yàn)證電路圖如圖3所示,。其中雙向信號(hào)?鄢0：是0號(hào)控制器產(chǎn)生的輸出信號(hào)，作為1號(hào)控制器的輸入信號(hào),；雙向信號(hào)?鄢1：是1號(hào)控制器產(chǎn)生的輸出信號(hào),，作為0號(hào)控制器的輸入信號(hào)。
　　仿真波形使用軟件Active HDL 6.1,，器件選擇Xilinx公司的95108PQ100和95144PQ100,，速度等級(jí)選擇-7。
　　圖3冗余切換模塊的驗(yàn)證仿真波形如圖4所示,。工作過程說明如下,。

　　①雙控制器同時(shí)上電啟動(dòng)：0號(hào)控制器成為默認(rèn)的主控制器（master0=‘1’,，backup0=‘0’），1號(hào)控制器成為備用控制器（master1=‘0’,，backup1=‘1’）,。
　　②工作過程中0號(hào)控制器發(fā)生故障,，切換到1號(hào)控制器,。為了得到此種情況的仿真波形，這里假設(shè)：檢測(cè)電路檢測(cè)出故障(test_0=‘1’),，0號(hào)控制器立刻給出切換脈沖（switch0=‘1’）,，要求自檢（selftest_req=‘1’），同時(shí)當(dāng)前0號(hào)控制器不再是主控制器（master0=‘0’）,；1號(hào)控制器接到切換信號(hào)后成為主控制器（master1=‘1’,，backup1=‘0’）。
　?、郛?dāng)0號(hào)控制器自檢通過后（test_0=‘0'）,，成為備用控制器（backup0=‘1’）。
　?、茉谡麄€(gè)仿真過程中,，2個(gè)控制器各自的時(shí)鐘不同步,，但頻率相同都為20MHz。
　　(3)冗余切換部分程序代碼
　?、僦骺刂破髟诔霈F(xiàn)故障時(shí)產(chǎn)生切換信號(hào)程序
　　if(switch_man=′1′or reset_man=′1′orreset_switch=′1′or
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　sysgood=′1′)
　　then --如果主控制器出現(xiàn)故障,，
　　　    mos_en<=′0′；--修改變本卡的主用信息
    　　　master_en<=′0′,；
　　　    switch_cur<=′1′,；
      　　　if(backupback=′1′)then--如果備用控制器完好，則向備用控制器發(fā)送切換信號(hào)
　　　　　      switch<=′1′,；
　　      else
　　　　　      switch<=′0′,；
　　      end if；
　　else--當(dāng)前主控制器完好,，則保持該控制器的主用信息
      　　mos_en<=′1′,；
      　　master_en<=′1′；
      　　switch_cur<=′0′,；
      　　switch<=′0′,；
　　end if；
　?、趥溆每刂破鹘邮罩骺刂破鳟a(chǎn)生的切換信號(hào)程序片斷
　　if(switch=′1′)then--備用控制器時(shí)刻檢測(cè)主控制器送過來的切換信號(hào),，如果有效則修改本控制器為主控制器

　　mos<=′1′；
    　master<=′1′,；
　　else--如果切換信號(hào)無效,，則維持本控制器的備用狀態(tài)
        　mos<=′0′；
      　  master<=′0′,；
　　end if,；
3  容錯(cuò)模塊
　　本容錯(cuò)模塊針對(duì)16位的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用漢明SEC-DED碼,，增加6位校驗(yàn)位,，接收端具有自動(dòng)糾正1位錯(cuò)和檢測(cè)出2位錯(cuò)的能力。
3.1 容錯(cuò)發(fā)送模塊仿真波形
　　容錯(cuò)發(fā)送仿真波形如圖5所示,。其工作過程說明：待發(fā)送信息0XA9D9,，經(jīng)過容錯(cuò)發(fā)送模塊發(fā)送的信息為0X07A9D9，增加的6位二進(jìn)制校驗(yàn)位為0B000111,。

　　容錯(cuò)發(fā)送模塊信號(hào)功能如表1所示,。容錯(cuò)發(fā)送模塊程序略。

3.2 容錯(cuò)接收模塊仿真波形
　　容錯(cuò)接收模塊仿真波形如圖6所示,。其工作過程說明：接收到的信息為0X07A9D9（校驗(yàn)位為0B000111）,，經(jīng)過容錯(cuò)接收模塊后送給本控制器控制電路的是去掉校驗(yàn)碼的信息0XA9D9。容錯(cuò)接收模塊信號(hào)功能如表2所示。容錯(cuò)接收模塊程序略,。

　　本文嘗試用CPLD器件設(shè)計(jì)了工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)控制裝置控制器的熱備冗余切換模塊和容錯(cuò)模塊,，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)控制裝置控制器的在線冗余和控制器與I/O模塊的數(shù)據(jù)通信容錯(cuò)。相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列,，CPLD的開關(guān)矩陣路徑設(shè)計(jì)使得信號(hào)通過芯片的延遲時(shí)間可以確定,，因此使CPLD更適合于控制器上的電路設(shè)計(jì)[4]。
參考文獻(xiàn)
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2   尹征琦.雙模冗余系統(tǒng)及其自動(dòng)切換控制邏輯.電子技術(shù)，1997,；（4）
3   張宗橙.糾錯(cuò)編碼原理和應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社,，2003
4   Ziedman B著，趙宏圖譯.基于FPGA&CPLD數(shù)字IC設(shè)計(jì)方法.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,，2004