雙機(jī)熱備單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部通信接口的簡化設(shè)計(jì)

摘 要? 分析了工業(yè)測控系統(tǒng)中雙機(jī)熱備單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部通信的特點(diǎn)，以簡化設(shè)計(jì)、降低成本、降低系統(tǒng)復(fù)雜度為目標(biāo)，給出了內(nèi)部通信接口的兩種設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞? 測控系統(tǒng) 雙機(jī)熱備份 單片機(jī)系統(tǒng) 通信
 
單片機(jī)以其高可靠性和高性價(jià)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(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。在測控系統(tǒng)中，有時(shí)對單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性有非常嚴(yán)格的要求。除了在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中采用多種措施以提高其可靠性之外，雙機(jī)熱備份是一種非常有效且經(jīng)常被采用的方法。在雙機(jī)熱備份系統(tǒng)中，兩個單片機(jī)必須保持工作狀態(tài)的完全一致，需要隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通?？梢允褂枚鄦纹瑱C(jī)信息共享技術(shù)來實(shí)現(xiàn)兩個單片機(jī)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜，硬件成本高1。大多數(shù)單片機(jī)都提供通用串行收發(fā)器(UART)，在單片機(jī)系統(tǒng)不與其他設(shè)備(如上位機(jī))進(jìn)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(dāng)然也可以擴(kuò)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(jī)本身的資源，最大程度地簡化內(nèi)部通信的接口設(shè)計(jì)非常值得研究。在單片機(jī)家族的眾多成員中，MCS-51單片機(jī)以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)、高可靠性和高性價(jià)比，在工業(yè)測控領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用，本文即以MCS-51單片機(jī)為例?給出兩種雙機(jī)通信的簡化接口設(shè)計(jì)。
 
1 通過單片機(jī)的P0口進(jìn)行內(nèi)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(jī)的P0口之間，作為內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈0口既是分時(shí)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(yīng)用時(shí)應(yīng)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(jī)運(yùn)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(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，通常反映ALE信號的有無。這里約定U1ERR和U2ERR為0時(shí)表示單片機(jī)正常運(yùn)行(即有ALE信號)。U1P12、U1P11、U2P12、U2P11用來進(jìn)行單片機(jī)之間的聯(lián)絡(luò)，約定高電平有效。任一單片機(jī)發(fā)生故障，則其P1.1的信號無法傳到另一單片機(jī)的P1.2端。DIR受兩個單片機(jī)的P1.3控制，決定數(shù)據(jù)是由單片機(jī)1送往單片機(jī)2還是由單片機(jī)2送往單片機(jī)1。也受兩個單片機(jī)的P1.3控制，但同時(shí)受U1ERR和U2ERR控制，任一單片機(jī)發(fā)生故障，則為1?74LS245被關(guān)閉。

1.1 工作原理

以單片機(jī)1請求傳送數(shù)據(jù)給單片機(jī)2為例，其工作過程如下：

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

2　單片機(jī)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(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送請求，同時(shí)也將其P1.3置1。這時(shí)74LS245的為0?DIR為1，數(shù)據(jù)可以從單片機(jī)1的P0口送往單片機(jī)2的P0口?

3　單片機(jī)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(jī)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(jī)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(jié)束傳送。

數(shù)據(jù)由單片機(jī)2送往單片機(jī)1的過程與上類似，只不過單片機(jī)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(shè)計(jì)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(yīng)用中可以根據(jù)實(shí)際情況重新設(shè)計(jì)。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(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和單片機(jī)故障時(shí)，使總線收發(fā)器處于關(guān)閉狀態(tài)；

(3)兩個單片機(jī)應(yīng)有聯(lián)絡(luò)信號，以決定什么時(shí)候進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)通信。

按照以上原則，實(shí)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(luò)信號，而聯(lián)絡(luò)信號的輸入接到單片機(jī)的外部中斷輸入端，這樣單片機(jī)以中斷的方式響應(yīng)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送請求，可以進(jìn)一步提高傳送速度。

邏輯控制單元可以由門電路構(gòu)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(shè)計(jì)的接口電路在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)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(kuò)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(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)對靜態(tài)RAM和輸入通道的選通(圖中只畫出了與內(nèi)部通信相關(guān)的輸出)。GAL16V8的邏輯方程中與內(nèi)部通信相關(guān)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(jī)成功地進(jìn)行聯(lián)絡(luò)后才能打開總線收發(fā)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。當(dāng)一個單片機(jī)出現(xiàn)故障后其聯(lián)絡(luò)信號被GAL置為高阻狀態(tài)?另一單片機(jī)不能與之聯(lián)絡(luò)，總線收發(fā)器處于關(guān)閉狀態(tài)?不會影響正常單片機(jī)的工作。

2 通過單片機(jī)的UART進(jìn)行內(nèi)部通信

當(dāng)單片機(jī)的UART被用于與其他設(shè)備?如上位機(jī)　進(jìn)行通信時(shí)?可以分時(shí)用于內(nèi)部通信。這種設(shè)計(jì)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(jī)系統(tǒng)與其他設(shè)備的通信多使用RS-485通信。下面以此為例介紹內(nèi)部通信接口的設(shè)計(jì)。圖3直接示出了這種接口的一個電路實(shí)例。

2.1 工作原理

兩個單片機(jī)與其他設(shè)備的通信通過RS-485收發(fā)器SN75174進(jìn)行，圖3中U1ERR和U2ERR的含義同圖2。IT1、IT2是內(nèi)部通信聯(lián)絡(luò)信號，TE1、RE1分別是單片機(jī)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(nèi)部通信接口由一片GAL16V8實(shí)現(xiàn)。GAL16V8完成以下功能：

①為兩個單片機(jī)提供三態(tài)的內(nèi)部通信接口，當(dāng)其中一個單片機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)即阻塞內(nèi)部通信接口；
②為兩個單片機(jī)提供聯(lián)絡(luò)信號，當(dāng)其中之一要求進(jìn)行通信時(shí)，及時(shí)通知另一個單片機(jī)；
③對兩個單片機(jī)的對外通信接口進(jìn)行控制，內(nèi)部通信時(shí)將單片機(jī)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(guān)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(shè)單片機(jī)1發(fā)起與單片機(jī)2的內(nèi)部通信?其工作過程如下?
①單片機(jī)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(jī)2提出內(nèi)部通信請求；
②單片機(jī)2在檢測到單片機(jī)1的內(nèi)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(yīng)單片機(jī)１的內(nèi)部通信請求，這時(shí)，兩個單片機(jī)的串行數(shù)據(jù)收發(fā)通過GAL互連，內(nèi)部通信接口打開；
③單片機(jī)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(jī)打開對外的數(shù)據(jù)收或數(shù)據(jù)發(fā)，從而使得內(nèi)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(nèi)部通信和外部通信是分時(shí)進(jìn)行的，且互相隔離，互不干擾。當(dāng)一個單片機(jī)出現(xiàn)故障后，由于使用了U1ERR和U2ERR信號，相應(yīng)的內(nèi)部通信聯(lián)絡(luò)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(nèi)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(jī)的對外通信和與故障單片機(jī)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(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，本文以GAL為例介紹接口的設(shè)計(jì)，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(jī)與其他設(shè)備的通信也不一定是RS-485通信，但電路的設(shè)計(jì)與此類似。這類接口電路都需解決的問題是?
①內(nèi)部通信應(yīng)在單片機(jī)與其他設(shè)備通信的間隙進(jìn)行，避免數(shù)據(jù)丟失；
②內(nèi)部通信與外部通信的信號應(yīng)良好隔離，防止相互干擾；
③當(dāng)一個單片機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)當(dāng)自動與另一個單片機(jī)隔離，防止通過內(nèi)部通信接口影響另一個單片機(jī)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(nèi)部通信接口的兩種簡化設(shè)計(jì)方案，同時(shí)給出了電路實(shí)例。設(shè)計(jì)中GAL不是專為接口電路而設(shè)的，可以與其他邏輯功能合并使用。兩種通信接口在筆者設(shè)計(jì)的多個單片機(jī)系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，實(shí)際應(yīng)用證明達(dá)到了簡化設(shè)計(jì)、降低成本、降低系統(tǒng)復(fù)雜度的目標(biāo)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)
1 何立民．單片機(jī)應(yīng)用文集． 北京：北京航空航天大學(xué)出版社?1993
2 張有志．可編程邏輯器件PLD原理與應(yīng)用．北京：中國鐵道出版社，1996
3 高傳善．接口與通信．上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1989
4 李 華．MCS-51系列單片機(jī)使用接口技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社?1999