一種高可靠性單片機冗余系統(tǒng)設計

1、一種高可靠性單片機冗余系統(tǒng)設計繇 HYPERLINK 2008 年 10 月 31 日 社區(qū)交流雙Excel服務器-用Excel做管理系統(tǒng)關(guān)鍵字：巡檢儀煙霧報警器電子血壓計環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控驗電器本文扼要分析了帶專用檢測轉(zhuǎn)換電路的單片機雙機冗余系統(tǒng)存在的可靠性問題，提出了利用單 片機串行口替換專用檢測轉(zhuǎn)換電路，通過串行通信相互檢測主備機工作狀態(tài)，由軟件完成備機切換 成主機的設計思想，并給出了此類系統(tǒng)的軟件模板。饕戲既既既戲既 1冗余系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)冗余技術(shù)是計算機系統(tǒng)可靠性設計中常采用的一種技術(shù)，是提高計算機系統(tǒng)可靠性的最 有效方法之一。本文重點介紹一種高效、實用的單片機冗余系統(tǒng)設計技術(shù)。在進行冗余系

2、統(tǒng)設計之前，要綜合考慮系統(tǒng)的可靠性要求和合理的價格兩方面，確定采 用元器件冗余還是采用全系統(tǒng)冗余。對于一類要求連續(xù)不間斷工作的對可靠性有特殊要求的 單片機小型應用系統(tǒng)，由于系統(tǒng)的成本不是主要的設計考慮因素，因此，采用包括單片機、 擴展電路、電源和外設雙備份的全系統(tǒng)冗余，不但可簡化設計方案，還可大大地提高應用系 統(tǒng)的可靠性。這種冗余系統(tǒng)具有如下圖所示的典型硬件結(jié)構(gòu)。在上圖所示的系統(tǒng)中，U1和U2單元的軟硬件結(jié)構(gòu)完全相同。如有必要，在設計各單 元時，通過采用自診斷技術(shù)，軟件陷阱或Watch dog等系統(tǒng)自行恢復措施可使單元可靠性 達到最大限度的提高。系統(tǒng)正常運行時，U1和U2中的一個單元處于正常工

3、作狀態(tài)（把該 單元稱為主機），完成應用功能，而另一個單元（備機）處于等待備用狀態(tài)。當檢測轉(zhuǎn)換電 路檢測到主機不能正常工作時，自動啟動備機進入正常運行狀態(tài)，完成應用功能。此時，可 對故障單元進行脫線維護，在排除其故障后，可使其聯(lián)機進入等待備用狀態(tài)。顯然，這種冗 余系統(tǒng)已大大提高了應用系統(tǒng)的可靠性，并基本保證了應用系統(tǒng)的不間斷運行。但仔細分析， 就會發(fā)現(xiàn)存在以下不足之處：.系統(tǒng)存在可靠性瓶頸，當檢測轉(zhuǎn)換電路自身出現(xiàn)故障時，不能監(jiān)視主備機狀態(tài)，也無 法完成主備機自動切換功能；.對于某些冗余系統(tǒng)，當備機需要實時保留主機的數(shù)據(jù)備份時，檢測轉(zhuǎn)換電路無法完成 主備機之間的數(shù)據(jù)通信功能；.由于需要設計檢測轉(zhuǎn)換

4、電路，系統(tǒng)設計和實現(xiàn)復雜，引入了附加的不可靠因素。2改進設計方案針對上圖所示的雙機冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和缺點，筆者實現(xiàn)了一個簡單高效、具有更高可靠性 和主備機數(shù)據(jù)通信功能的改進設計方案。其基本設計思想是：不改變上述冗余系統(tǒng)的基本結(jié) 構(gòu)，但完全去掉專用的檢測轉(zhuǎn)換電路，利用主備機雙方的串行口和軟件相結(jié)合的方法，實現(xiàn) 檢測轉(zhuǎn)換電路的功能和主備機之間的數(shù)據(jù)通信功能。在此改進的設計方案中，主備單元的硬 件和軟件結(jié)構(gòu)完全相同，各單元的主備工作狀態(tài)由上電順序確定，先上電的一方自動進入主 機工作狀態(tài)，后上電者則進入備機狀態(tài)。主機在其工作過程中除實現(xiàn)應用功能外，定期向備 機發(fā)送反映其工作正常的狀態(tài)數(shù)據(jù)，當需要備份的數(shù)據(jù)

5、發(fā)生變化時，主機及時向備機發(fā)送已 更新的數(shù)據(jù)。此外，主機也定期接收來自備機的狀態(tài)數(shù)據(jù)，當發(fā)生接收超時時，主機認為備 機已發(fā)生故障，并通過本單元的顯示裝置向用戶給出通知信號，以便及時對備機進行脫線維 護。備機在其工作過程中不完成應用功能，但定期接收來自主機的狀態(tài)數(shù)據(jù)，當發(fā)生接收超 時時，備機認為主機已發(fā)生故障，自動切換進入主機工作狀態(tài)，并通過本單元顯示裝置通知 用戶，以便對原主機單元進行脫線維護。此外，備機還自動接收來自主機的備份數(shù)據(jù)并進行 存儲備份。3軟件模板下面的軟件模板給出了筆者已實現(xiàn)的單片機雙機冗余系統(tǒng)的軟件框架，和應用系統(tǒng)實現(xiàn) 密切相關(guān)的部分用自然語言簡單描述，其余部分為C51源代碼，

6、因此，這一軟件模板很容 易移植到相似結(jié)構(gòu)的冗余系統(tǒng)中。該軟件模板以89C52為單片機對象進行程序設計，使用12MHz的時鐘頻率。常量OK， REQ，ACK和NACK分別表示主備機工作狀態(tài)正常，備份數(shù)據(jù)發(fā)送請求，肯定應答和否定 應答信息的字符常量，MAIN，STANDBY分別是表示工作單元為主機或備機的常量標志。 全局變量timeout用于設定以毫秒為單位的超時間隔，而Update，CpuStatus和Failure分 別是表示備份數(shù)據(jù)是否更新，主備機狀態(tài)和主備機是否發(fā)生故障的標志位變量。定時器0編程為工作方式1,產(chǎn)生每隔1ms的定時中斷，每次中斷將全局變量timeout的值 減1,減到0時即關(guān)

7、閉定時器0。所有需要軟件超時機制或延時功能的程序模塊都可在設定 timeout的值后開啟定時器0，并通過判斷該變量的值是否為零而實現(xiàn)定時功能。定時器1 編程為工作方式2，用作串行口波特率發(fā)生器，波特率編程為15.625K。定時器2工作于自動重裝的定時方式，產(chǎn)生每隔50ms的定時中斷。每次中斷，主備單 元的中斷服務程序都向?qū)Ψ絾卧l(fā)送表示自身工作狀態(tài)正常的OK字符，同時也接收對方單 元發(fā)送的OK字符，若連續(xù)三次中斷都未能成功接收，則本單元認為對方單元出了故障，并 將表示對方單元工作狀態(tài)的全局變量Failure置為常量Yes，否則，置為No；若為備機， 還將表示主備身份的標志變量CpuStatus

8、的值置為Main，從而為備機程序切換和給出原主 機故障提示設置判斷標志。若備機在中斷服務程序中接收到字符REQ，則置表示備份數(shù)據(jù) 是否更新的標志變量Update為Yes，并立即退出中斷服務程序，以便主程序及時接收備份 數(shù)據(jù)幀。主函數(shù)在完成應用系統(tǒng)的公共初始化和單片機硬件初始化后，主備單元的定時器2在 后臺產(chǎn)生定時中斷并通過串行通信進行相互檢測，由于規(guī)定兩個單元的上電時間間隔大于5 00ms，因此，利用中斷服務程序的檢測結(jié)果必能自動確定初始的主備身份。主函數(shù)延時50 0ms后，即根據(jù)當前的主備身份自動進入主機的前臺監(jiān)控例程或備機的前臺監(jiān)控例程。主 機的前臺監(jiān)控例程除完成應用功能外，當應用功能改變

9、了需要備份的數(shù)據(jù)時，則調(diào)用send -frame函數(shù)關(guān)閉定時器2的中斷并發(fā)送備份數(shù)據(jù)幀。當備機的前臺監(jiān)控例程判斷出需要接收備份數(shù)據(jù)時，調(diào)用receive-frame函數(shù)關(guān)閉定時器2的中斷并接收備份數(shù)據(jù)幀。當備 機的前臺監(jiān)控例程監(jiān)視到主機故障時，備機的前臺監(jiān)控循環(huán)自動切換進入主機的前臺監(jiān)控循 環(huán)。主函數(shù)中的監(jiān)控切換代碼較難理解，應結(jié)合并發(fā)執(zhí)行的定時器2的中斷服務程序一起 分析。函數(shù)sendchar和receivechar通過串行口直接發(fā)送和接受單個字符。函數(shù)sendfram e和receiveframe分別發(fā)送和接受備份數(shù)據(jù)幀，它們具有將備份數(shù)據(jù)裝幀和拆幀、循環(huán) 冗余CRC效驗和超時處理功能，在

10、幀的發(fā)送和接受過程中均關(guān)閉定時器2，以免產(chǎn)生通信 干擾，通信成功時返回1,否則返回0。delay為以毫秒數(shù)為調(diào)用參數(shù)的延時函數(shù)。函數(shù)cr cgen和crcchk分別生成和效驗CRC。限于篇幅，本文僅給出完成檢測切換功能的主函數(shù)和定時器2的中斷服務函數(shù)，以及 相關(guān)數(shù)據(jù)的代碼，其它函數(shù)僅給出函數(shù)原型。代碼如下：#include#includeenum OK=0 xFF,REQ=0 xAA,ACK=0 xF0,NACK=0 x0F,MAIN = 0,STANDBY=1,NO = 0,YES=1 unsigned int data timeout；unsigned char bdata base=0；

11、sbit Update=base0，CpuStatus=base1，sbit Failure=base2；void delay(unsigned int time)，sendchar(unsigned char ch)；unsigned short crcgen(unsigned char *databuf,short len)；unsigned short crcchk(unsigned char *databuf,short len)；unsigned char * receivechar(unsigned char * ch)；unsigned char sendframe(void)，

12、receiveframe(void)；else Update=YES； /*以便在未來的備機聯(lián)機后再次發(fā)送備份數(shù)據(jù)*/while(1) /*切換到主機的前臺監(jiān)控循環(huán)中*/和應用系統(tǒng)實現(xiàn)相關(guān)的主機應用功能例程;if(應用例程修改了需要備份的數(shù)據(jù))Update=YES；if(Update=YES)&(Failure = = NO)&sendframe() Update = NO；if(Failure=YES)給出備機故障通知信號；Update=YES； void timer2interrupt(void) interrupt 5 /* 定時器 2 的 50ms 中斷服務程序 */ static u

13、nsigned char data count=0；unsigned char data ch = 0 x00； TF2 = 0； /* 清除定時器 2 的溢出標志位 */if(receivechar(&ch) = = NULL) count+ + ；if(count= = 3) /*三次接收字符不成功*/ count=0； Failure=YES； /*對方單元故障，如果本方為備機，準備切換*/if(CpuStatus= = STANDBY) CpuStatus=MAIN；else count=0； Failure=NO；if (ch = = REQ)&(CpuStatus= = STANDBY) /*如果備機接收到主機的備份數(shù)據(jù)幀*/ Update=YES； return； /*發(fā)送請求字符，立即返回，接收此備份數(shù)據(jù)幀*/4必要的補