一種基于多DSP協(xié)同工作的控制系統(tǒng)

1、    一種基于多DSP協(xié)同工作的控制系統(tǒng)        馮伍伍，和 瑋，陳輝林，張 時間:2008年06月10日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        摘要：關(guān)鍵詞：1 系統(tǒng)的構(gòu)成1.1 CAN總線CAN(Controller Area Netwo

2、rk)屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線有效地支持安全可靠的分布式實時控制系統(tǒng)，通信方式靈活、抗干擾能力強、可靠性高，直接通信距離最遠可達10km(傳輸率5kbps以下)，通信速率最高達1Mbps(通信距離40m以內(nèi))，網(wǎng)上節(jié)點數(shù)可達110個。CAN總線為多主工作方式，可以方便地構(gòu)成多機備份系統(tǒng)4。1.2 數(shù)字信號處理器TMS320F2812 DSP是工業(yè)控制領(lǐng)域的一種高端產(chǎn)品，具有速度快、功耗低、接口方便靈活、易于開發(fā)、精度高、兼容性好、資源豐富等特點。F2812采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有32位高性能的CPU，時鐘頻率為150MHz并支持動態(tài)改變鎖相環(huán)的頻率，擁有Flash等多種類型存儲器、PI

3、E中斷模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、事件管理器、SCI口、SPI口、eCAN總線和McBSP通信模塊等豐富的外圍設(shè)備，可以滿足各種應(yīng)用的需求。1.3 基于DSP的嵌入式子系統(tǒng)的硬件構(gòu)成基于TMSF2812 DSP的嵌入式子系統(tǒng)(見圖1)是為滿足實時多任務(wù)而設(shè)計的，硬件、軟件可根據(jù)需要進行裁剪，可靠性高、響應(yīng)速度快、自動化程度高。三個子系統(tǒng)的硬件設(shè)計完全相同，除DSP片上資源外，每個子系統(tǒng)都擴展了非易失性存儲器(E2PROM或鐵電隨機存儲器)、SRAM、四路RS422接口(兩路RS232可選)、實時時鐘等輔助模塊。1.4 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)是由三個基于F2812 DSP的嵌入式子系統(tǒng)A、B、C通過CA

4、N總線構(gòu)成同構(gòu)異步的分布式系統(tǒng)(見圖2)。三個子系統(tǒng)沒有主從關(guān)系，各子系統(tǒng)的功能根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)，通過任務(wù)分配策略，用軟件配置。三個子系統(tǒng)與硬件、軟件互為備份，提高了系統(tǒng)的可靠性。三個子系統(tǒng)之間主要通過CAN總線進行信息交換，變化較慢的數(shù)據(jù)也可以通過UART串口進行交換。每個子系統(tǒng)都能夠同時接收信號，也能夠輸出控制信號。通過特殊的硬件設(shè)計，每個子系統(tǒng)都具有故障隔離的功能，可以防止因為一個子系統(tǒng)出現(xiàn)故障而影響整個系統(tǒng)的工作。2 分布式系統(tǒng)的協(xié)同工作分布式系統(tǒng)的資源位于不同的位置，系統(tǒng)需要不斷監(jiān)視各組件的狀態(tài)，檢查資源的使用情況。當一個處理器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)應(yīng)該立即響應(yīng)，重新調(diào)配資源，規(guī)劃任務(wù)分配方案

5、，確定任務(wù)分配策略，重構(gòu)系統(tǒng)，必要時犧牲系統(tǒng)的某些性能，以保證系統(tǒng)正常工作。2.1 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)包括每個子系統(tǒng)各個模塊的工作狀態(tài)(CPU、UART的工作狀態(tài)、片上存儲器(SDRAM、FLASH等)和片外存儲器(SRAM)、非易失性存儲器的分配情況)、每個子系統(tǒng)之間的通信狀態(tài)等。分布式系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)難以確定系統(tǒng)的狀態(tài)。為此，網(wǎng)絡(luò)上的每個子系統(tǒng)應(yīng)定時向其他子系統(tǒng)廣播，將各自的狀態(tài)通知其他子系統(tǒng)(見圖3)。如果在規(guī)定的時間內(nèi)沒有收到某個子系統(tǒng)的消息，則認為該子系統(tǒng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)應(yīng)重新配置系統(tǒng)資源、重新分配任務(wù)，重構(gòu)系統(tǒng)。圖3中：SCAB表示子系統(tǒng)A到B通信的情況。通過A、B、C之間的相互通

6、信，確定系統(tǒng)的狀態(tài)。不失一般性，令三個子系統(tǒng)的狀態(tài)的集合為SA、SB、SC，則系統(tǒng)狀態(tài)SS為：SS=(SASBSC)=Si|0iN(1)其中：(A)表示A的冪集，N=|SS|2.2 任務(wù)分配策略一般情況下，多處理機任務(wù)分配問題是NP-完全的，通常是根據(jù)具體應(yīng)用需求，確定一個可行的、比較滿意的任務(wù)分配策略。任務(wù)分配的目的是合理配置系統(tǒng)資源，設(shè)法減少系統(tǒng)中各處理器間的通信開銷和執(zhí)行模塊所需的開銷。均衡負載是將系統(tǒng)承擔的任務(wù)合理地分配給系統(tǒng)中各處理機，最大限度地提高系統(tǒng)的吞吐量。一般來說，減少系統(tǒng)的通信量和均衡負載是相互矛盾的。因此，任務(wù)分配策略也就是最大限度地減少系統(tǒng)中各子系統(tǒng)間的通信量，同時均衡

7、各子系統(tǒng)的負載，以此提高整個系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)的任務(wù)分配有兩種方式：自動方式和人工方式。自動分配方式是根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和各子系統(tǒng)任務(wù)量的估計確定任務(wù)分配策略，通過軟件自動為各子系統(tǒng)分配任務(wù)。人工分配方式是測控中心通過指令為子系統(tǒng)分配任務(wù)。不妨假設(shè)系統(tǒng)是由N個組件構(gòu)成的一個分布式系統(tǒng)，承擔的任務(wù)為T，則：T=Ti|0iM，Ti為最小任務(wù)分割。構(gòu)造任務(wù)分配集合V：確定任務(wù)分配策略TAS(Task Allocate Strategy)：在實際應(yīng)用中，任務(wù)分配策略受多種因素的制約和影響，如空間限制、信號干擾、通信距離等，所以，只能在一定條件下最大限度地滿足負載均衡、任務(wù)間最小通信量等任務(wù)分配原則。在該系統(tǒng)的

8、具體應(yīng)用中，考慮到信號干擾和數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅瑢⑾到y(tǒng)承擔的任務(wù)主要分為信號的采集/預(yù)處理(SP)、信號運算(SC)、過程控制(SO)。SP任務(wù)主要承擔23路模擬信號的采集、AD轉(zhuǎn)換、信號濾波等；SC任務(wù)主要承擔各類信號的運算；SO任務(wù)主要承擔過程控制的參數(shù)計算、控制信號輸出、與測控中心實時交互等。經(jīng)過測試，CPU對于SP、SC、SO任務(wù)的負載基本均衡，三個子系統(tǒng)之間的通信量基本相同。將承擔SP任務(wù)的子系統(tǒng)盡量放置在信號源附近，將承擔SO任務(wù)的子系統(tǒng)盡量放置在控制部件附近，可以減小信號的干擾，同時也能減少數(shù)據(jù)的通信量?；谝陨弦蛩氐目紤]，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)，確定如表1所示的任務(wù)分配策略。2.3 系統(tǒng)的協(xié)

9、同工作系統(tǒng)協(xié)同工作包括系統(tǒng)資源的統(tǒng)一調(diào)配(CPU、各類存儲器、事件管理器、GPIO等)、根據(jù)實際需求和系統(tǒng)狀態(tài)確定任務(wù)分配策略以及為各子系統(tǒng)分配任務(wù)。當系統(tǒng)狀態(tài)變化時，重新配置系統(tǒng)資源、確定任務(wù)分配策略，為每個子系統(tǒng)重新分配任務(wù)(見圖4)。該系統(tǒng)正常工作時，三個子系統(tǒng)分別承擔信號采集/預(yù)處理、信號運算和過程控制任務(wù)；當一個或兩個子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)通過CAN總線檢測各子系統(tǒng)情況，確定系統(tǒng)的狀態(tài)，根據(jù)任務(wù)分配策略，由其余子系統(tǒng)代替故障子系統(tǒng)的任務(wù)。當線路出現(xiàn)故障時，由測控中心通過串口發(fā)送指令，人工分配任務(wù)，保證系統(tǒng)正常工作。2.4 輔助通信、與測控中心交互系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)構(gòu)成，每個子系統(tǒng)有四路

10、RS422串口，記作Ai、Bi、Ci(i=1、2、3、4)。根據(jù)任務(wù)的需求，Ai、Bi、Ci連接在一起，分別完成信息采集、子系統(tǒng)之間輔助通信、與測控中心交互的任務(wù)。與測控中心實時交互的目的是：一方面將系統(tǒng)狀態(tài)和各種參數(shù)傳送到測控中心；另一方面，測控中心可以發(fā)送指令，完成指定的任務(wù)。測控中心實時監(jiān)視系統(tǒng)的工作狀態(tài)。當CAN總線工作正常時，系統(tǒng)自動完成任務(wù)分配等任務(wù)；當CAN總線出現(xiàn)斷路或其他線路故障時，測控中心發(fā)送指令給系統(tǒng)，人工分配任務(wù)，保證系統(tǒng)正常工作。根據(jù)任務(wù)的需求，三個子系統(tǒng)的串口Ai、Bi、Ci(i=1、2、3、4)連接在一起發(fā)送數(shù)據(jù)時會發(fā)生沖突，因此，系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)各串口的工作狀態(tài)確定線路狀態(tài)，根據(jù)線路狀態(tài)決定對串口的讀寫。本文介紹了由三個DSP嵌入式子系統(tǒng)構(gòu)成的基于CAN總線的分布式系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計方案，著重分析了各子系統(tǒng)之間協(xié)同工作的方式。該系統(tǒng)