1 引 言
在工业自动化领域中，大型化工、石化、冶金、电力等企业，对操控体系长期有用、牢靠运转有着特别的要求。冗余是重要的容错技能之一，是进步整机及体系牢靠性的一种重要规划技能，特别是关于杂乱的、有高牢靠性和长寿数要求的大、中型设备和无法修理或要求不停机修理的操控体系或设备。由于操控器是操控体系的中心，因而操控器完结冗余关于操控体系的高牢靠性有着重要作用。
针对有中心判决器双模冗余操控器一旦判决电路呈现毛病，依然会形成操控体系停机的问题，本文对双模板热备份技能（双模冗余技能）的完结办法进行新的测验，即在操控器上与背板接口处，运用CPLD（Complex Programmable Logic Dvice，杂乱可编程逻辑器材）芯片规划冗余切换办理模块，完结对严峻毛病呈现后冗余切换信息的办理。文中给出了一种能完结冗余功用的依据ARM的嵌入式操控器结构，以及冗余切换办理模块的规划和仿真验证。
2 双模冗余操控器与单个操控器牢靠性比较
双模冗余操控器是在操控体系中添加一个操控器作为备份，两个操控器一起插在背板上，经过背板总线进行彼此间以及与其它I/O模块的通讯。
可修产品牢靠性的主要指标有牢靠度函数R（t）和均匀毛病间隔时刻MTBF（Mean Time Between Failure） ＝ 
冗余操控器的总牢靠度函数是Rn（t）=1-（1- R1（t））n，其间：n＝冗余度+1，R1（t）为单个操控器的牢靠度函数。冗余度是指冗余部件所用的硬件数与作业部件的硬件数的比值。
设单个操控器寿数遵守参数为λ的指数分布，即R1（t）=e-λt，其间0《λ《1，则由以上公式核算可得：MTBF1＝1/λ，R2（t）=2e-λt- e-2λt≈e-λt（1+λ）》 e-λt=R1（t），MTBF2=3/（2λ）。由此得出结论：榜首，双模冗余操控器总牢靠度比单个操控器牢靠度高；第二，双模冗余操控器总均匀毛病间隔时刻是单操控器时的1.5倍，相当于运用寿数增至单个操控器的1.5倍；第三，双模冗余操控器满意操控体系对单操控器毛病不停机修理的要求。
3 无中心判决器操控器体系结构
双模冗余操控器在详细完结上分有中心判决器和无中心判决器两种。有中心判决器双模冗余是在两个操控器之外参加判决电路，将两个操控器的输出先进行比较，成果相同才输出到背板总线上，判决电路作为两个操控器的共用电路，一旦呈现毛病，则整个操控体系将无法持续作业。无中心判决器双模冗余没有判决电路，是在每个操控器上添加冗余切换办理逻辑，使得两个操控器在物理层面彻底彼此独立，任何一个操控器呈现毛病都不会影响到整个操控体系的正常运转。
本文选用杂乱可编程逻辑器材（CPLD）规划冗余切换办理模块，完结了一种无中心判决器双模冗余操控器。在操控体系中，冗余的两个相同操控器一起作业，在任一时刻只要一个操控器（主操控器）的输出有用。操控器结构如图1，信号阐明如下：
（1）冗余的两个操控器之间的互联通道有AT91M40800的串口USART0和一组冗余切换信息，这组冗余切换信息别离包含两个操控器的主用、切换和备份信息： master_I、switch_I 和backup_I接纳来自另一个操控器的冗余信息，而master_O、switch_O和backup_O则送出本操控器的冗余信息。
（2） CPU送给CPLD的信号线，时钟clk、复位reset、片选cs、读read、体系检测信号test、和看门狗溢出信号nwdovf；
（3）CPLD送给CPU的信号，冗余信息向量表（data）、自检恳求信号selftest_req、操控器输出操控信号output_con。
（4）其他信号，背板电路供给的槽号信号bank（低电平为‘0’号操控器，高电平为’1’号操控器）、人为复位信号reset_man、人为切换信号switch_man、3.3V和5.0V电压监控power33和power5。
4 冗余切换办理模块规划与仿真
4.1 冗余切换办理模块规划
冗余切换办理模块用来完结接纳严峻毛病信号以及对冗余信息检测和切换办理，即当主操控器检测出毛病时，冗余切换办理模块给出切换信号，备操控器的冗余切换办理模块接纳到该信号后，经过output_con送给CPU进行中止处理，将当时备操控器转成为主操控器。
冗余切换办理模块如图2，其各模块功用如下：
（1）延时和切换毛病向量办理模块
冗余的两个操控器在发动时为了防止彼此竞争产生的不确定性，对‘1’号操控器（bank=’1’）上CPU送来的检测成果信号test进行延时处理，而将‘0’号操控器（bank=’0’）设为默许的主操控器。’1’号操控器在发动正常作业后，马上屏蔽掉推迟电路。
操控器上或许呈现的每一种需求切换的严峻毛病，将其监测信号线连接到CPLD上，每根信号线的状况称为一个切换毛病向量，一切向量的调集称为切换毛病向量表。试验体系界说的切换毛病向量包含：
①CPU可控毛病，指主、备操控器之间可以正常通讯，主操控器在运转进程中当检测出严峻毛病时，可以自动正常给出切换毛病信息test，送给CPLD。
②电源毛病，操控器中电源办理模块对每种电源的电压进行监控和办理，power33和power5别离监控3.3V和5.0V电压。
③CPU毛病，对如程序跑飞等软件要素形成的CPU毛病，由看门狗经过nwdovf送来低电平脉冲。
④人为设置毛病，包含人为的复位（reset_man）和切换（switch_man）。
操控器在运转期间，延时和切换毛病向量办理模块依据切换毛病向量表的内容，向下一级模块送出体系是否正常作业的信号sgood。
（2）切换信号产生模块
假如操控器呈现毛病，需求切换，此刻依据备操控器是否可用（backupb）决议是否产生切换信号送给备操控器。
（3） 切换信号接纳模块
当时操控器假如是备操控器，该模块时刻监控来自主操控器送过来的切换信息（switchb）是否有用，假如有用，则送给CPU一个操控器输出操控中止。
（4） 接口办理模块
寄存操控器的冗余向量表，包含本操控器产生的冗余向量——MASTER_CUR、SWITCH_CUR、BACKUP_CUR和来自冗余的操控器的冗余向量——MASTER_R、SWITCH_R和BACKUP_R。CPU可以读取冗余向量表的内容。
4.2操控器的冗余切换办理模块仿真验证
CPLD编程是在AcTIve HDL 6.1环境下，选用器材95108－7，运用VHDL言语［3］编写完结。冗余的两个操控器的切换办理模块仿真验证成果如图2，其间信号*0是‘0’号操控器的信号；信号*1是‘1’号操控器的信号。在整个仿真进程中，两个操控器各自的时钟不同步，但频率相同为16MHz。作业进程如下：
（1）双操控器一起上电发动：‘0’号操控器为默许的主操控器（master0=‘1’，backup0=‘0’）， ‘1’号操控器为备用操控器（master1=‘0’，backup1=‘1’）。
（2）作业进程中，假定‘0’号操控器CPU检测到毛病产生 （test_0由‘1’变成‘0’），马上给出低电平切换脉冲（switch0= ‘0’），一起给本操控器CPU发自检恳求（selftest_req=‘1’）并修正输出操控信号（output_con=‘0’），使当时‘0’号操控器不再是主操控器（master0=‘0’）；而‘1’号操控器检测到低电平的switch0后成为主操控器（master1=‘1’， backup1=‘0’），一起向CPU宣布输出操控中止请求（output_con=’1’）。
5 结束语
本文给出了一种依据CPLD的操控器冗余的完结办法，测验在嵌入式操控器中参加冗余切换办理模块，对操控器上或许呈现的严峻毛病进行监控并对冗余切换信息进行办理。
试验体系操控器CPU选用AT91M40800-33AI［4］，体系时钟16MHz，CPLD芯片选用XC95108PQ100－7。在试验中，别离针对CPU能否正确给出切换毛病信息的受控和非受控毛病状况，规划了软件处理数据中止毛病、以太网堵截线路毛病、看门狗溢出毛病、屏蔽供电的电源掉电毛病、人为切换毛病、硬件人为复位和拔除主操控器毛病，操控器冗余的操控体系依然可以正常运转。
经过在试验体系中的运用标明，冗余切换办理模块的参加，首要，使得两个操控器在物理层面上彻底彼此独立，任何一个操控器毛病都不会影响操控体系的正常运转。处理了有中心判决器的冗余完结办法中，一旦判决器呈现毛病，依然会引起操控体系停机的问题。其次，将原先由软件勘探来完结的对冗余切换信息进行办理的功用下放到硬件电路，由CPLD来完结，加快了对严峻毛病的检测和反应速度，缩短了冗余操控器的切换时刻。第三，完结了对由于CPU毛病而不能正确给出毛病信息的操控器非受控毛病的办理，即设计时，将但凡能引起操控器切换的、软件无法处理的硬件毛病的监控信号，都连接到CPLD上，这样即便CPU由于毛病而不能正确给出毛病信息，CPLD还可以及时的供给切换信息。
操控器冗余功用的完结，满意了操控体系对不停机修理的需求，延长了操控体系的毛病间隔时刻，使得操控体系的高牢靠性及长寿数得以完结。
责任编辑：gt
