雙機熱備單片機系統(tǒng)內部通信接口的簡化設計

摘 要? 分析了工業(yè)測控系統(tǒng)中雙機熱備單片機系統(tǒng)內部通信的特點，以簡化設計、降低成本、降低系統(tǒng)復雜度為目標，給出了內部通信接口的兩種設計方案。

關鍵詞? 測控系統(tǒng) 雙機熱備份 單片機系統(tǒng) 通信
 
單片機以其高可靠性和高性價比在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能化儀表、辦公自動化等諸多領域得到極為廣泛的應用。在測控系統(tǒng)中，有時對單片機系統(tǒng)的可靠性有非常嚴格的要求。除了在系統(tǒng)設計、生產中采用多種措施以提高其可靠性之外，雙機熱備份是一種非常有效且經(jīng)常被采用的方法。在雙機熱備份系統(tǒng)中，兩個單片機必須保持工作狀態(tài)的完全一致，需要隨時進行數(shù)據(jù)交換。通?？梢允褂枚鄦纹瑱C信息共享技術來實現(xiàn)兩個單片機的數(shù)據(jù)交換，如信箱存儲系統(tǒng)、共享存儲器等，但這些方法實現(xiàn)復雜，硬件成本高1。大多數(shù)單片機都提供通用串行收發(fā)器(UART)，在單片機系統(tǒng)不與其他設備(如上位機)進行通信的情況下，使用UART是非常方便的，但不幸的是絕大多數(shù)情況下UART已被使用。當然也可以擴展串行和并行通信接口，但硬件成本又會增加。因此，在滿足系統(tǒng)性能的條件下，充分利用單片機本身的資源，最大程度地簡化內部通信的接口設計非常值得研究。在單片機家族的眾多成員中，MCS-51單片機以其優(yōu)越的性能、成熟的技術、高可靠性和高性價比，在工業(yè)測控領域中有著廣泛應用，本文即以MCS-51單片機為例?給出兩種雙機通信的簡化接口設計。
 
1 通過單片機的P0口進行內部通信

這種通信接口可以在只使用一片74LS245的情況下獲得較高的傳輸速率。圖1給出了這種接口的簡單示意圖?？偩€收發(fā)器74LS245接在兩個單片機的P0口之間，作為內部數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。P0口既是分時的地址/數(shù)據(jù)總線，又可作為I/O口使用。由于P0口為開路輸出，作為I/O口應用時應加上拉電阻，為了簡潔，圖1中未畫?？偩€收發(fā)器的使能端和方向控制端DIR均受邏輯控制單元控制。邏輯控制單元的輸入是P1口的三根口線，和指示單片機運行情況的兩個信號U1ERR和U2ERR。為方便起見，先將邏輯控制單元的邏輯方程寫出。

U2P12＝U1P11?U1ERR
U1P12＝U2P11?U2ERR
E＝(U1P13+U2P13)?U1ERR U2ERR
DIR＝U1P13 U2P13

U1ERR和U2ERR指示單片機的運行狀態(tài)，通常反映ALE信號的有無。這里約定U1ERR和U2ERR為0時表示單片機正常運行(即有ALE信號)。U1P12、U1P11、U2P12、U2P11用來進行單片機之間的聯(lián)絡，約定高電平有效。任一單片機發(fā)生故障，則其P1.1的信號無法傳到另一單片機的P1.2端。DIR受兩個單片機的P1.3控制，決定數(shù)據(jù)是由單片機1送往單片機2還是由單片機2送往單片機1。也受兩個單片機的P1.3控制，但同時受U1ERR和U2ERR控制，任一單片機發(fā)生故障，則為1?74LS245被關閉。

1.1 工作原理

以單片機1請求傳送數(shù)據(jù)給單片機2為例，其工作過程如下：

1　單片機1將其P1.1置1，表示請求發(fā)送數(shù)據(jù)，同時將其P1.3置1?

2　單片機2檢測到其P1.2口的高電平后，將其P1.1置為高電平，表示響應數(shù)據(jù)發(fā)送請求，同時也將其P1.3置1。這時74LS245的為0?DIR為1，數(shù)據(jù)可以從單片機1的P0口送往單片機2的P0口?

3　單片機1將要傳送的數(shù)據(jù)送上P0口，并將其P1.1置為0，表示一字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)出?

4　單片機2檢測到其P1.2的低電平后，將數(shù)據(jù)從P0口讀入，并將其P1.1置為0，表示數(shù)據(jù)已被接收?

5　單片機1檢測到其P1.2的低電平后?可以開始下一字節(jié)的傳送或結束傳送。

數(shù)據(jù)由單片機2送往單片機1的過程與上類似，只不過單片機1在接收到數(shù)據(jù)傳送請求后是把其P1.3置為低電平?以使74LS245的DIR為低電平?數(shù)據(jù)傳送方向與上相反。與圖3給出的電路相比，這種設計方式有著更高的傳輸速率。

1.2 接口電路說明

圖1所示電路是為敘述方便而簡化的，應用中可以根據(jù)實際情況重新設計。因此，上述電路及方程都不是唯一的。

但此類電路需共同遵循的原則是：

(1)使用總線收發(fā)器以進行數(shù)據(jù)的并行雙向傳送；

(2)總線收發(fā)器的使能端和方向控制端受邏輯控制電路的控制，且能在不進行數(shù)據(jù)傳送和單片機故障時，使總線收發(fā)器處于關閉狀態(tài)；

(3)兩個單片機應有聯(lián)絡信號，以決定什么時候進行內部數(shù)據(jù)通信。

按照以上原則，實際電路是多種多樣的?？刂菩盘柍丝梢允褂肞1口的口線外，P3口未用的口線以及P2口未用的高位地址線也可以使用。例如，可以使用P3口的一根口線輸出聯(lián)絡信號，而聯(lián)絡信號的輸入接到單片機的外部中斷輸入端，這樣單片機以中斷的方式響應內部數(shù)據(jù)傳送請求，可以進一步提高傳送速度。

邏輯控制單元可以由門電路構成，但許多情況下都使用可編程邏輯器件如GAL降低整個系統(tǒng)的成本，提高可靠性。

圖2是筆者設計的接口電路在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用實例?為簡潔?未畫出P0口所需的上拉電阻　。在這個系統(tǒng)中?P1、P3口全部被占用，且擴展了2K字節(jié)的外部靜態(tài)RAM，系統(tǒng)需要對16路數(shù)字輸入量進行采集。因此，邏輯控制使用P2口的高位地址線A13A12A11 A12A11為00～10時選通存儲器和輸入通道。邏輯控制單元使用了一片GAL16V8。GAL16V8兼做地址譯碼器，實現(xiàn)對靜態(tài)RAM和輸入通道的選通(圖中只畫出了與內部通信相關的輸出)。GAL16V8的邏輯方程中與內部通信相關的六個方程如下(按FAST-MAP格式)?2：

U1P27＝U2P26
U1P27.OE＝/U2ERR
U2P27＝U1P26
U2P27.OE＝/U1ERR
245E＝U1A12 U1A11 U2A12 U2A11
245DIR＝U1A13 U2A13

由上述邏輯方程可以看出，只有兩個單片機成功地進行聯(lián)絡后才能打開總線收發(fā)器進行數(shù)據(jù)傳送。當一個單片機出現(xiàn)故障后其聯(lián)絡信號被GAL置為高阻狀態(tài)?另一單片機不能與之聯(lián)絡，總線收發(fā)器處于關閉狀態(tài)?不會影響正常單片機的工作。

2 通過單片機的UART進行內部通信

當單片機的UART被用于與其他設備?如上位機　進行通信時?可以分時用于內部通信。這種設計方法硬件電路最為簡單。為提高通信距離和防止干擾，單片機系統(tǒng)與其他設備的通信多使用RS-485通信。下面以此為例介紹內部通信接口的設計。圖3直接示出了這種接口的一個電路實例。

2.1 工作原理

兩個單片機與其他設備的通信通過RS-485收發(fā)器SN75174進行，圖3中U1ERR和U2ERR的含義同圖2。IT1、IT2是內部通信聯(lián)絡信號，TE1、RE1分別是單片機1控制外部RS-485通信的發(fā)送和接收信號，TE2、RE2與此類似，皆使用P3口的I/O口線。其內部通信接口由一片GAL16V8實現(xiàn)。GAL16V8完成以下功能：

①為兩個單片機提供三態(tài)的內部通信接口，當其中一個單片機出現(xiàn)故障時即阻塞內部通信接口；
②為兩個單片機提供聯(lián)絡信號，當其中之一要求進行通信時，及時通知另一個單片機；
③對兩個單片機的對外通信接口進行控制，內部通信時將單片機與RS-485總線隔離。
為敘述方便，現(xiàn)將GAL的邏輯方程中與此相關的部分以FAST-MAP的格式給出：
RXD1＝TXD2
RXD1.OE＝IT1 IT2
RXD2＝TXD1
RXD2.OE＝IT1 IT2
IT1＝/TE2 RE2 /U2ERR
IT2＝TE1 RE1 /U1ERR
TE10＝TE1 /U1ERR
TE20＝TE2 /U2ERR
假設單片機1發(fā)起與單片機2的內部通信?其工作過程如下?
①單片機1禁止對外數(shù)據(jù)收發(fā)。即使得TE1為低電平?RE1為高電平，從而使得IT2為高電平，向單片機2提出內部通信請求；
②單片機2在檢測到單片機1的內部通信請求后，禁止對外數(shù)據(jù)收發(fā)，使得TE2為低電平?RE2為高電平，從而使得IT1為高電平，響應單片機１的內部通信請求，這時，兩個單片機的串行數(shù)據(jù)收發(fā)通過GAL互連，內部通信接口打開；
③單片機1在檢測到IT1為高電平后，通過串行口發(fā)送數(shù)據(jù)；
④通信完成后，兩個單片機打開對外的數(shù)據(jù)收或數(shù)據(jù)發(fā)，從而使得內部通信接口處于高阻狀態(tài)。
從上述方程和通信過程可以看出，內部通信和外部通信是分時進行的，且互相隔離，互不干擾。當一個單片機出現(xiàn)故障后，由于使用了U1ERR和U2ERR信號，相應的內部通信聯(lián)絡信號總是無效的，對外數(shù)據(jù)發(fā)信號也是無效的，從而使得內部通信接口總是處于高阻狀態(tài)，且不會發(fā)送數(shù)據(jù)到RS-485總線。因此不會影響另一個單片機的對外通信和與故障單片機相連的RS-485總線。

2.2 接口電路說明
可編程邏輯器件在單片機系統(tǒng)中的應用是系統(tǒng)設計的發(fā)展方向，本文以GAL為例介紹接口的設計，但只要能完成上述的邏輯功能，也可以使用其他器件。而且，單片機與其他設備的通信也不一定是RS-485通信，但電路的設計與此類似。這類接口電路都需解決的問題是?
①內部通信應在單片機與其他設備通信的間隙進行，避免數(shù)據(jù)丟失；
②內部通信與外部通信的信號應良好隔離，防止相互干擾；
③當一個單片機出現(xiàn)故障時，應當自動與另一個單片機隔離，防止通過內部通信接口影響另一個單片機的對外通信。

上述第一個問題可以根據(jù)通信協(xié)議由軟件解決，后兩個問題由硬件電路解決。

本文給出了內部通信接口的兩種簡化設計方案，同時給出了電路實例。設計中GAL不是專為接口電路而設的，可以與其他邏輯功能合并使用。兩種通信接口在筆者設計的多個單片機系統(tǒng)中得到了應用，實際應用證明達到了簡化設計、降低成本、降低系統(tǒng)復雜度的目標，具有一定的實用價值。

參考文獻
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