导言
近年来，微小型化的单片机技能开展一日千里，广泛运用于许多范畴。在铁路职业，结合单片机技能的高牢靠性体系得到了越来越多的运用和注重。安全型继电器是铁路信号设备中的重要器材之一，其牢靠性和安全性是铁路运输自动操控、长途操控信号设备正常运用的必要条件。因而，关于在铁路等重要场合运用的安全型继电器，需求选用高牢靠性的驱动电路体系。本文运用AVR单片机规划出一种具有高牢靠性的继电器驱动体系，具有实时性强、结构简练、本钱低一级特色。
1 冗余结构
1.1 结构介绍
本体系需求选用必定的冗余技能来确保体系的高牢靠性和高安全性。现在开展较为老练的冗余技能首要有双机热备结构和二乘二取二冗余结构。这两种结构在牢靠性、可用性、安全性等方面比较单机体系有着各自的特色和优越性，在铁路、工业等范畴有着广泛的运用。
双机热备体系一般由两个具有相同功用的子体系构成，接有可选的比较器和主备切换器，并能进行毛病检测。二乘二取二冗余结构由4个子体系组成，相同有比较器和主备切换器，两两比较输出后再次比较输出，其牢靠性更高;可是关于小型体系，与双机热备体系比较要消耗更多的资源，本钱加倍。因而，本体系选用双机热备体系。
双机热备体系结构示意图如图1所示。它的作业方法一般有3种：主备机形式、互备形式和双机双工形式(即双机冗余形式)。3种形式下的两个子体系均加电作业，每个子体系都具有毛病检测和确诊功用，并且3种结构均具有主备切换功用。但主备机形式下只要一个子体系能够操控被控目标，另一个子体系处于待命状况;互备形式为两子体系之间相互备份数据，但履行的是不同的使命，在一台毛病时，另一台接纳毛病机的使命并持续履行;双机双工形式的两个子体系均处于活动状况，均能操控被控目标，一起进行作业并完
成相同的功用，在输出前进行比较，成果一起则输出，不一起则报错，而主备机形式和互备形式时，体系在运转过程中两个单元的运转成果不进行比较。
1.2 结构挑选
本体系的首要功用为运用单片机体系驱动某类型安全型继电器，能够考虑的热备作业形式为主备机形式或双机双工形式，因而需比较两种形式的牢靠性。
体系的牢靠性R(t)为时刻和失功率的函数，指产品在规则时刻内和规则条件下，完结规则功用的概率。失功率指的是在规则时刻内和规则条件下的产品失效的概率，一般用λ表明。体系的牢靠性常随时刻的添加而削减，一般用均匀无毛病作业时刻(MTBF)来衡量。MTBF指体系相邻两次毛病间的均匀作业时刻，它的值为体系的牢靠性R(t)的希望。
在此，假定单机体系寿数遵守指数分布，则第i个子体系的寿数即牢靠度函数为Ri(t)=e-λt，则可知单机的均匀无毛病时刻为
。
主备机形式下，一个子体系作业，另一个不作业，它的体系牢靠度和均匀无毛病作业时刻别离为：
双机双工形式可看作两个子体系的并联，则此形式下体系的牢靠性取决于两个子体系中寿数较长者，其牢靠度函数和均匀无毛病作业时刻别离为：
能够看出，比较单机体系，两种形式下的双机热备体系的牢靠性均有明显进步，其间主备机形式下进步了3倍，双机双工形式下进步了1.5倍。因而，从确保体系更高牢靠性的视点来看，主备机形式具有必定优势，故本体系选用主备机形式。
2 体系概述
2.1 硬件结构
本体系选用Atmel公司的AT90CAN128单片机作为主控芯片，其内部现已集成了CAN操控器，因而无需运用CAN操控器SJA1000，只需选用TJA1050作为CAN高速收发器，大大简化了电路。其体系结构如图2所示。
本体系选用3片AT90CAN128单片机作为中心操控芯片，其间MCUA和MCUB构成双机热备体系，MCUC用于监测和状况显现。单片机MCUA和MCUB互为主备联系，需求接纳并处理上位机发送进来的CAN通讯信息，对信息进行比较同步处理，从而通过驱动电路驱动某安全型继电器。驱动电路可包含多组，每一组操控一个继电器，电路由主MCU操控。MCUA和MCUB把相关监测信息通过串口通讯传送给MCUC，MCUC监测A和B是否作业正常，并将其作业状况通过LED显现灯进行状况显现。3个CPU相互之间由串口进行通讯，并通过CAN总线与上位主机进行通讯。这样，整个体系就构成两套MCU操控回路构成主备联系，一套操控回路进行监测的体系架构。
2.2 软件结构
程序选用C言语模块化规划，C言语作为一种结构式的高档言语，具有表达方法灵敏、可移植性强、代码质量高级长处，模块化的规划也增强了程序的可读性。其主程序流程图如图3所示。
为了满意高牢靠性、安全性的要求，程序中对MCU加入了CPU自检模块，因而3个CPU一起具有的模块包含设备初始化模块、通讯处理模块和CPU自检模块，并通过自界说收集量完结延时去抖等。通过在主程序中设置Flag标志位来对各个模块进行调用。关于MCUA和MCUB，因为二者互为冗余，它们的软件规划结构根本一起，别的包含同步信息处理模块和驱动模块。担任监测的MCUC则包含信息存储模块、LED显现模块。
3 模块规划
(1)设备初始化模块
该模块首要完结体系的准备作业、体系的上电自检和自检后的处理3步。其间，准备作业首要有上电延时(约0.5 s)、MCU引脚方向寄存器的设置、数据区初始化、A/D转换器参数设置、定时器参数设置、地址码读取。体系上电自检包含MCU自检、开中止、同步电路自检、地址码自检。自检完毕后处理初始化与MCUC通讯的参数设置、自检毛病处理或初始化CAN总线。
(2)自检和毛病处理模块
该模块首要用于对整个体系的内部自检及毛病后的处理，包含MCUA和MCUB之间的CAN总线通讯自检、地址校核和各个CPU的自检，CPU的自检又包含CPU本身运算符的自检和数据区的自检，自检成果若呈现过错，则置位相应过错标识。
(3)通讯处理模块
该模块用于处理上位机通过CAN总线下发的通讯指令，包含指令的解析、指令帧指令的合法性查看、转换成有用的驱动指令3部分。界说通讯协议每一帧包含10个字节，第1个字节为板地址号，第2个字节为功用码，第3个字节为通讯序号，第4～8个字节为本帧要发送的首要数据信息，帧尾(最终两个字节)为CRC校验位。其间发送的首要数据信息包含继电器的动作信息、状况信息和MCU的状况信息等。
(4)同步处理模块
该模块首要用于主机和备机间发送和接纳同步指令帧以及向MCUC发送监测信息帧，发送方对需发送的数据打包发送，接纳方对同步数据的接纳解包，每30 s同步一次，通过MCU之间的串口通讯进行，每一帧都要进行CRC校验。
(5)驱动模块
安全型继电器是一种新式直流24 V继电器系列，因而驱动电路选用直流24 V电源。它是一种我国自行规划和制作的信号继电器，具有结构新颖、重量轻、体积小等特色。图4所示为继电器驱动模块结构示意图。关于本多组驱动热备体系，只需将多组此结构的电路别离衔接至MCUA和MCUB即可，MCUA和MCUB的硬件结构完全相同。
本驱动电路由CPU操控，通过JF和JZ衔接某安全型继电器。电路中由两个光电阻隔器材K1和K2串联，别离通过QD1和QD2两引脚接入MCU，由单片机软件操控光电阻隔的导通，并由光电阻隔的导通次序决议%&&&&&%C1和C2的先后充电放电，继而导通由JF和JZ衔接的继电器。QD1和QD2的凹凸电平先后导通时序如图5所示。
继电器正常运作过程中，驱动模块需按图5所示的导通时序多个周期重复运转。驱动时主机和备机每5个周期同步一次，依据图3(a)的主程序流程图，驱动模块在主标志方位为QD CHECK时开端动作。依据驱动电路导通时序别离将MCU上对应的驱动引脚置为高电平或低电平。据此编写程序，驱动模块单周期软件流程图如图6所示。因为需求在测验时屡次实验找出继电器动作时最恰当的占空比，在此没有选用定时器，而是用计数的方法进行延时。其间，依据图5所示的导通时序，QD2的MAX值须为QD1的两倍。
(6)LED显现模块
该模块用于对各种状况信息的显现，包含电源指示灯、毛病指示灯、继电器吸起/落下指示灯。硬件电路选用共阳极LED显现电路，软件通过MCU将相应二极管阴极置为低电平完成对该LED的导通。受单片机引脚所限，MCUA和MCUB只要各自的电源和毛病灯，其他功用指示灯衔接至MCUC。
(7)MCUC的存储模块
该模块用于MCUC对接纳到MCUA和MCUB的监测信息帧的处理，包含接纳信息、处理信息。处理信息时，假如呈现异常则会在体系自检时报错。
结语
本规划选用Atmel公司的AVR单片机AT90CAN128作为中心操控器，通过剖析运算，选取了牢靠性较高的双机热备结构主备机形式作为体系作业形式，建立了一个第三方监测下的双机热备结构安全型继电器驱动体系。经测验证明，本体系具有较好的作业功能，能够满意牢靠性要求。
