一種基于多DSP協(xié)同工作的控制系統

　　盡管數字信號處理器(DSP)的性能越來(lái)越強，基于DSP嵌入式系統的功能也越來(lái)越多，但對于實(shí)時(shí)性、容錯性、可靠性要求很高的多任務(wù)信號處理及多路過(guò)程控制方面的應用，單個(gè)DSP嵌入式系統的處理能力是不夠的。分布式系統處理能力強、可靠性高，采用多個(gè)DSP嵌入式子系統構成分布式系統，利用分布式系統的并發(fā)性實(shí)現多個(gè)DSP的并行處理，滿(mǎn)足多任務(wù)、實(shí)時(shí)性的要求。同時(shí)，通過(guò)硬件和軟件冗余設計，保證了系統的可靠性。

　　本文采用TMS320F2812 DSP實(shí)現了三個(gè)同構的、具有多種實(shí)時(shí)信號處理和多個(gè)過(guò)程控制功能的嵌入式子系統A、B、C，以CAN總線(xiàn)為通信網(wǎng)絡(luò )構成分布式系統。該系統能夠與外部測控中心實(shí)時(shí)交互，同時(shí)完成23路模擬信號的實(shí)時(shí)采集/預處理、16路數字信號處理、16路數字信號的輸出、1路脈沖信號處理、多路過(guò)程控制參數的實(shí)時(shí)計算、各種狀態(tài)及參數的實(shí)時(shí)記錄等。三個(gè)子系統的硬件設計完全相同，通過(guò)CAN總線(xiàn)與RS422串口交換信息，通過(guò)軟件配置為各子系統分配資源、動(dòng)態(tài)分配任務(wù)，有效地均衡了各處理機的負載。三個(gè)子系統資源共享、互為備份，提高了整個(gè)系統的可靠性。

　　在實(shí)時(shí)系統中，如果系統的運行不能滿(mǎn)足響應時(shí)間的要求，將會(huì )導致整個(gè)系統的崩潰。因此，分布式系統各組件之間的通信和協(xié)調工作是實(shí)現系統各組件并發(fā)處理、系統資源共享、均衡系統各組件的負載、提高整個(gè)系統的吞吐量、保證系統可靠工作的關(guān)鍵。

　　本文重點(diǎn)討論了各子系統之間的通信方式、系統的任務(wù)分配和系統的協(xié)調工作機制。

　　1 系統的構成

　　1.1 CAN總線(xiàn)

　　CAN(Controller Area Network)屬于總線(xiàn)式串行通信網(wǎng)絡(luò )。CAN總線(xiàn)有效地支持安全可靠的分布式實(shí)時(shí)控制系統，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?xún)?，網(wǎng)上節點(diǎn)數可達110個(gè)。CAN總線(xiàn)為多主工作方式，可以方便地構成多機備份系統[4]。

　　1.2 數字信號處理器

　　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(kāi)發(fā)、精度高、兼容性好、資源豐富等特點(diǎn)。F2812采用哈佛總線(xiàn)結構，具有32位高性能的CPU，時(shí)鐘頻率為150MHz并支持動(dòng)態(tài)改變鎖相環(huán)的頻率，擁有Flash等多種類(lèi)型存儲器、PIE中斷模塊、A/D轉換模塊、事件管理器、SCI口、SPI口、eCAN總線(xiàn)和McBSP通信模塊等豐富的外圍設備，可以滿(mǎn)足各種應用的需求。

　　1.3 基于DSP的嵌入式子系統的硬件構成

　　基于TMSF2812 DSP的嵌入式子系統(見(jiàn)圖1)是為滿(mǎn)足實(shí)時(shí)多任務(wù)而設計的，硬件、軟件可根據需要進(jìn)行裁剪，可靠性高、響應速度快、自動(dòng)化程度高。

　　三個(gè)子系統的硬件設計完全相同，除DSP片上資源外，每個(gè)子系統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(shí)時(shí)時(shí)鐘等輔助模塊。

　　1.4 系統的體系結構

　　該系統是由三個(gè)基于F2812 DSP的嵌入式子系統A、B、C通過(guò)CAN總線(xiàn)構成同構異步的分布式系統(見(jiàn)圖2)。三個(gè)子系統沒(méi)有主從關(guān)系，各子系統的功能根據系統狀態(tài)，通過(guò)任務(wù)分配策略，用軟件配置。三個(gè)子系統與硬件、軟件互為備份，提高了系統的可靠性。

　　三個(gè)子系統之間主要通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行信息交換，變化較慢的數據也可以通過(guò)UART串口進(jìn)行交換。每個(gè)子系統都能夠同時(shí)接收信號，也能夠輸出控制信號。通過(guò)特殊的硬件設計，每個(gè)子系統都具有故障隔離的功能，可以防止因為一個(gè)子系統出現故障而影響整個(gè)系統的工作。

　　2 分布式系統的協(xié)同工作

　　分布式系統的資源位于不同的位置，系統需要不斷監視各組件的狀態(tài)，檢查資源的使用情況。當一個(gè)處理器出現故障時(shí)，系統應該立即響應，重新調配資源，規劃任務(wù)分配方案，確定任務(wù)分配策略，重構系統，必要時(shí)犧牲系統的某些性能，以保證系統正常工作。

　　2.1 系統狀態(tài)監視

　　系統狀態(tài)包括每個(gè)子系統各個(gè)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(gè)子系統之間的通信狀態(tài)等。

　　分布式系統中，各子系統難以確定系統的狀態(tài)。為此，網(wǎng)絡(luò )上的每個(gè)子系統應定時(shí)向其他子系統廣播，將各自的狀態(tài)通知其他子系統(見(jiàn)圖3)。如果在規定的時(shí)間內沒(méi)有收到某個(gè)子系統的消息，則認為該子系統出現故障，系統應重新配置系統資源、重新分配任務(wù)，重構系統。

　　圖3中：SCAB表示子系統A到B通信的情況。通過(guò)A、B、C之間的相互通信，確定系統的狀態(tài)。

　　不失一般性，令三個(gè)子系統的狀態(tài)的集合為SA、SB、SC，則系統狀態(tài)SS為：

　　SS=ρ(SA∪SB∪SC)={Si|0≤i≤N}　　　　(1)

　　其中：ρ(A)表示A的冪集，N=|SS|