雙機熱備單片機系統內部通信接口的簡(jiǎn)化設計

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

關(guān)鍵詞 測控系統 雙機熱備份 單片機系統 通信

單片機以其高可靠性和高性?xún)r(jià)比在工業(yè)控制、數據采集系統、智能化儀表、辦公自動(dòng)化等諸多領(lǐng)域得到極為廣泛的應用。在測控系統中，有時(shí)對單片機系統的可靠性有非常嚴格的要求。除了在系統設計、生產(chǎn)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。在雙機熱備份系統中，兩個(gè)單片機必須保持工作狀態(tài)的完全一致，需要隨時(shí)進(jìn)行數據交換。通?？梢允褂枚鄦纹瑱C信息共享技術(shù)來(lái)實(shí)現兩個(gè)單片機的數據交換，如信箱存儲系統、共享存儲器等，但這些方法實(shí)現復雜，硬件成本高1。大多數單片機都提供通用串行收發(fā)器(UART)，在單片機系統不與其他設備(如上位機)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(huì )增加。因此，在滿(mǎn)足系統性能的條件下，充分利用單片機本身的資源，最大程度地簡(jiǎn)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(shù)、高可靠性和高性?xún)r(jià)比，在工業(yè)測控領(lǐng)域中有著(zhù)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(jiǎn)化接口設計。

1 通過(guò)單片機的P0口進(jìn)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(jiǎn)單示意圖?？偩€(xiàn)收發(fā)器74LS245接在兩個(gè)單片機的P0口之間，作為內部數據傳輸的通道。P0口既是分時(shí)的地址/數據總線(xiàn)，又可作為I/O口使用。由于P0口為開(kāi)路輸出，作為I/O口應用時(shí)應加上拉電阻，為了簡(jiǎn)潔，圖1中未畫(huà)?？偩€(xiàn)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(xiàn)，和指示單片機運行情況的兩個(gè)信號U1ERR和U2ERR。為方便起見(jiàn)，先將邏輯控制單元的邏輯方程寫(xiě)出。

U2P12＝U1P11U1ERR
U1P12＝U2P11U2ERR
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(wú)。這里約定U1ERR和U2ERR為0時(shí)表示單片機正常運行(即有ALE信號)。U1P12、U1P11、U2P12、U2P11用來(lái)進(jìn)行單片機之間的聯(lián)絡(luò )，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(wú)法傳到另一單片機的P1.2端。DIR受兩個(gè)單片機的P1.3控制，決定數據是由單片機1送往單片機2還是由單片機2送往單片機1。也受兩個(gè)單片機的P1.3控制，但同時(shí)受U1ERR和U2ERR控制，任一單片機發(fā)生故障，則為174LS245被關(guān)閉。

1.1 工作原理

以單片機1請求傳送數據給單片機2為例，其工作過(guò)程如下：

1　單片機1將其P1.1置1，表示請求發(fā)送數據，同時(shí)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，表示響應數據發(fā)送請求，同時(shí)也將其P1.3置1。這時(shí)74LS245的為0DIR為1，數據可以從單片機1的P0口送往單片機2的P0口

3　單片機1將要傳送的數據送上P0口，并將其P1.1置為0，表示一字節數據發(fā)出

4　單片機2檢測到其P1.2的低電平后，將數據從P0口讀入，并將其P1.1置為0，表示數據已被接收

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

數據由單片機2送往單片機1的過(guò)程與上類(lèi)似，只不過(guò)單片機1在接收到數據傳送請求后是把其P1.3置為低電平以使74LS245的DIR為低電平數據傳送方向與上相反。與圖3給出的電路相比，這種設計方式有著(zhù)更高的傳輸速率。

1.2 接口電路說(shuō)明

圖1所示電路是為敘述方便而簡(jiǎn)化的，應用中可以根據實(shí)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(lèi)電路需共同遵循的原則是：

(1)使用總線(xiàn)收發(fā)器以進(jìn)行數據的并行雙向傳送；

(2)總線(xiàn)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)行數據傳送和單片機故障時(shí)，使總線(xiàn)收發(fā)器處于關(guān)閉狀態(tài)；

(3)兩個(gè)單片機應有聯(lián)絡(luò )信號，以決定什么時(shí)候進(jìn)行內部數據通信。

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(xiàn)外，P3口未用的口線(xiàn)以及P2口未用的高位地址線(xiàn)也可以使用。例如，可以使用P3口的一根口線(xiàn)輸出聯(lián)絡(luò )信號，而聯(lián)絡(luò )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據傳送請求，可以進(jìn)一步提高傳送速度。

邏輯控制單元可以由門(mén)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(gè)系統的成本，提高可靠性。

圖2是筆者設計的接口電路在數據采集系統中的應用實(shí)例為簡(jiǎn)潔未畫(huà)出P0口所需的上拉電阻　。在這個(gè)系統中P1、P3口全部被占用，且擴展了2K字節的外部靜態(tài)RAM，系統需要對16路數字輸入量進(jìn)行采集。因此，邏輯控制使用P2口的高位地址線(xiàn)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)現對靜態(tài)RAM和輸入通道的選通(圖中只畫(huà)出了與內部通信相關(guān)的輸出)。GAL16V8的邏輯方程中與內部通信相關(guān)的六個(gè)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(gè)單片機成功地進(jìn)行聯(lián)絡(luò )后才能打開(kāi)總線(xiàn)收發(fā)器進(jìn)行數據傳送。當一個(gè)單片機出現故障后其聯(lián)絡(luò )信號被GAL置為高阻狀態(tài)另一單片機不能與之聯(lián)絡(luò )，總線(xiàn)收發(fā)器處于關(guān)閉狀態(tài)不會(huì )影響正常單片機的工作。

2 通過(guò)單片機的UART進(jìn)行內部通信

當單片機的UART被用于與其他設備如上位機　進(jìn)行通信時(shí)可以分時(shí)用于內部通信。這種設計方法硬件電路最為簡(jiǎn)單。為提高通信距離和防止干擾，單片機系統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(gè)電路實(shí)例。

2.1 工作原理

兩個(gè)單片機與其他設備的通信通過(guò)RS-485收發(fā)器SN75174進(jìn)行，圖3中U1ERR和U2ERR的含義同圖2。IT1、IT2是內部通信聯(lián)絡(luò )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(lèi)似，皆使用P3口的I/O口線(xiàn)。其內部通信接口由一片GAL16V8實(shí)現。GAL16V8完成以下功能：

①為兩個(gè)單片機提供三態(tài)的內部通信接口，當其中一個(gè)單片機出現故障時(shí)即阻塞內部通信接口；
②為兩個(gè)單片機提供聯(lián)絡(luò )信號，當其中之一要求進(jìn)行通信時(shí)，及時(shí)通知另一個(gè)單片機；
③對兩個(gè)單片機的對外通信接口進(jìn)行控制，內部通信時(shí)將單片機與RS-485總線(xiàn)隔離。
為敘述方便，現將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
假設單片機1發(fā)起與單片機2的內部通信其工作過(guò)程如下
①單片機1禁止對外數據收發(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，禁止對外數據收發(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(shí)，兩個(gè)單片機的串行數據收發(fā)通過(guò)GAL互連，內部通信接口打開(kāi)；
③單片機1在檢測到IT1為高電平后，通過(guò)串行口發(fā)送數據；
④通信完成后，兩個(gè)單片機打開(kāi)對外的數據收或數據發(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(guò)程可以看出，內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。當一個(gè)單片機出現故障后，由于使用了U1ERR和U2ERR信號，相應的內部通信聯(lián)絡(luò )信號總是無(wú)效的，對外數據發(fā)信號也是無(wú)效的，從而使得內部通信接口總是處于高阻狀態(tài)，且不會(huì )發(fā)送數據到RS-485總線(xiàn)。因此不會(huì )影響另一個(gè)單片機的對外通信和與故障單片機相連的RS-485總線(xiàn)。

2.2 接口電路說(shuō)明
可編程邏輯器件在單片機系統中的應用是系統設計的發(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(lèi)似。這類(lèi)接口電路都需解決的問(wèn)題是
①內部通信應在單片機與其他設備通信的間隙進(jìn)行，避免數據丟失；
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(gè)單片機出現故障時(shí)，應當自動(dòng)與另一個(gè)單片機隔離，防止通過(guò)內部通信接口影響另一個(gè)單片機的對外通信。

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

本文給出了內部通信接口的兩種簡(jiǎn)化設計方案，同時(shí)給出了電路實(shí)例。設計中GAL不是專(zhuān)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(gè)單片機系統中得到了應用，實(shí)際應用證明達到了簡(jiǎn)化設計、降低成本、降低系統復雜度的目標，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻
1 何立民．單片機應用文集． 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原理與應用．北京：中國鐵道出版社，1996
3 高傳善．接口與通信．上海：復旦大學(xué)出版社，1989
4 李 華．MCS-51系列單片機使用接口技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社1999