??? 摘?? 要：主備倒換技術(shù)是提高系統(tǒng)可靠性的一項(xiàng)重要技術(shù)。本文以提高控制系統(tǒng)的可靠性為出發(fā)點(diǎn)，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(jì)。?

??? 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(chǎng)需求的發(fā)展趨勢(shì)。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(jì)變得越來(lái)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(wú)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(hào)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(hào)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(jì)無(wú)法解決這類(lèi)高可靠要求的困難發(fā)展起來(lái)的，其設(shè)計(jì)思想是允許故障存在，并能自動(dòng)地消除其影響?？梢哉f(shuō)，主備倒換技術(shù)從根本上開(kāi)辟了一條實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性的途徑。本文對(duì)一種高可靠的主備倒換技術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，并對(duì)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(jì)?

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(dòng)倒換功能。?

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??? 主備用狀態(tài)控制板各信號(hào)的功能如下：?

??? (1)復(fù)位信號(hào)：?jiǎn)伟宓膹?fù)位信號(hào)，當(dāng)復(fù)位信號(hào)為低時(shí)，該板變?yōu)閭溆冒?，用于人工倒換。?

??? (2) 軟件控制位：?jiǎn)伟宓能浖刂菩盘?hào)，它是由單板軟件控制，初始化為高，當(dāng)CPU把該位改為低時(shí)，該板變?yōu)閭溆冒?，?duì)方控制板變?yōu)橹饔冒?。這樣可以實(shí)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(wèn)CPLD一次，使CPLD輸出心跳波形。心跳波形環(huán)回CPLD的心跳檢測(cè)電路，CPU如果在500 μs內(nèi)沒(méi)有訪問(wèn)CPLD，CPLD就沒(méi)有輸出心跳波形。當(dāng)有心跳時(shí)，心跳狀態(tài)位為1；當(dāng)沒(méi)有心跳時(shí)，心跳狀態(tài)位為0，通過(guò)這個(gè)方法就可以監(jiān)控CPU是否正常運(yùn)行，如果CPU沒(méi)有正常運(yùn)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(shí)，本板為主用；該位為1狀態(tài)時(shí)，本板為備用。當(dāng)該狀態(tài)位發(fā)生改變時(shí)，CPLD會(huì)產(chǎn)生中斷INT告訴CPU，CPU會(huì)查詢(xún)?cè)摖顟B(tài)位，以便知道本板的主備用狀態(tài)。?

??? (5) 對(duì)方板主備用狀態(tài)位：該位為0 狀態(tài)時(shí)，對(duì)方板為主用；該位為1狀態(tài)時(shí)，對(duì)方板為備用。當(dāng)該狀態(tài)位發(fā)生改變時(shí)，CPLD會(huì)產(chǎn)生中斷INT告訴CPU，CPU會(huì)查詢(xún)?cè)摖顟B(tài)位，以便知道對(duì)方板的主備用狀態(tài)。?

??? (6) 中斷信號(hào)INT: 當(dāng)對(duì)方板主備用狀態(tài)或本板主備用狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，CPLD會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào)INT通知CPU,保證CPU及時(shí)知道對(duì)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(yùn)行。?

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

??? (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(yùn)行同一數(shù)據(jù)和程序，只是主用板有控制權(quán)，備用板沒(méi)有控制權(quán)，倒換后，使得原來(lái)備用板能夠無(wú)縫運(yùn)行原來(lái)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(hào)、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(hào)、軟件控制位、心跳狀態(tài)位先都為高時(shí)，這時(shí)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(hào)、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(hào)、軟件控制位、心跳狀態(tài)位先都為高時(shí)，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(shí)現(xiàn)?

??? CPLD邏輯設(shè)計(jì)圖如圖2所示。當(dāng)CPU向心跳產(chǎn)生寄存器寫(xiě)入0X55，心跳波形輸出低電平，寫(xiě)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(gè)心跳脈沖就能監(jiān)控單板內(nèi)關(guān)鍵器件的好壞，如FPGA、時(shí)鐘、電源等。如果這些被監(jiān)控的芯片、信號(hào)或電源出現(xiàn)問(wèn)題，那這個(gè)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(cè)電路就不能檢測(cè)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(dòng)倒換。心跳脈沖監(jiān)控FPGA、時(shí)鐘、電源邏輯圖如圖3所示。?

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2 軟件主備用倒換過(guò)程的實(shí)現(xiàn)?

??? 主備用狀態(tài)控制板啟動(dòng)程序流程圖如圖4所示。如果主用板要通過(guò)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?，備用板的邏輯發(fā)中斷告訴備用板CPU，備用板進(jìn)行中斷處理，通過(guò)狀態(tài)寄存器檢測(cè)對(duì)方是否變?yōu)閭溆?，則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(guò)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(shí)間軸每格20 ns，則倒換時(shí)間大約20 ns就可以實(shí)現(xiàn)硬件完全倒換。實(shí)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(cè)試?

??? (1)手動(dòng)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(shí), 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(shí)間約為20 ns，軟件同步切換時(shí)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(shí), 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(shí)間約為20 ns，軟件同步切換時(shí)間約為1 μs。這樣可以實(shí)現(xiàn)快速軟件倒換。?

??? (3)自動(dòng)倒換：由于CPU必須在500?μs內(nèi)，至少訪問(wèn)CPLD一次，使CPLD輸出心跳波形，CPU如果在500 μs內(nèi)沒(méi)有訪問(wèn)CPLD，CPLD就沒(méi)有輸出心跳波形，當(dāng)沒(méi)有心跳時(shí)，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(wèn)CPLD, 這時(shí), 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(shí)間為20 ns左右，軟件同步切換時(shí)間為10 ms左右。這樣可以實(shí)現(xiàn)可靠的自動(dòng)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(chǎng)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(shí)間不超過(guò)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(wú)法滿足要求的，需要對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行主備份，主備用設(shè)備通過(guò)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(shí)，熱切換到備份設(shè)備，使系統(tǒng)能不間斷運(yùn)行。?

??? (1) 在數(shù)據(jù)采集處理方面的應(yīng)用如圖6所示，通過(guò)本板的主備用狀態(tài)位來(lái)控制總線，當(dāng)本板主用時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡的總線可以與本板的CPU通信，當(dāng)備用時(shí)，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(guò)本板的主備用狀態(tài)位來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)通信口切換開(kāi)關(guān)。如果服務(wù)器1為主用時(shí)，外部通信設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信口切換開(kāi)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(kāi)關(guān)斷開(kāi)，不與外部通信設(shè)備通信。當(dāng)兩個(gè)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(shí)，服務(wù)器1的網(wǎng)絡(luò)通信口切換開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，服務(wù)器2的CPU通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信口切換開(kāi)關(guān)與外部通信設(shè)備通信。?

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參考文獻(xiàn)?

[1] 蔡開(kāi)元.軟件可靠性工程基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1995.?

[2] 王珍熙.可靠性、主備倒換及容錯(cuò)技術(shù)[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，1991.?

[3] 錢(qián)華明,袁贛南.分布式數(shù)據(jù)總線及其在慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，1997，5(4).?

[4] MUSA J D. Software reliability: measurement, prediction,application. McgrawHill, New York,1987.?

[5] 張有志．可編程邏輯器件PLD原理與應(yīng)用．北京：中國(guó)鐵道出版社，1996.?

[6] 高傳善．接口與通信．上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1989.