CN100539716C - 一种主备单板自动监测和切换的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在有主备单板互相保护的设备中利用单片机CPU和现场可编程器件FPGA监测工作状态并进行自动切换的方法，主备单板上各自的单片机CPU和可编程器件FPGA相互有效监测，而且主备单板上的单片机CPU相互监测对应单板的工作状态，使具有主备单板的设备能更稳定可靠地运行。
Description
技术领域
本发明涉及通信系统中互为备份的主备单板设备的工作状态监测和切换方法，具体地涉及利用单板上单片机和现场可编程器件监测工作状态并进行自动切换的方法。
背景技术
目前随着通信业的迅速发展，各种通信设备的运用越来越多，为了使通信设备在通信网络中稳定可靠的工作，在现有的通信设备中，对于某些核心功能的单板都采取了1+1的热备份，即当主用单板出现故障时，能自动切换到备用单板工作，以保证通信设备不中断而正常运行。这种主备单板的互相保护，是基于对每个单板上的可能出现的故障点进行有效监测，然后主备单板之间再进行通信应答，以确保单板的正常工作。通常对单板上的故障点的监测都是用单板上的单片机CPU来完成，而单板上的现场可编程器件FPGA互送工作状态的应答信号，如果在单片机CPU一切都正常的情况下，这个监测工作可以正常进行，但是如果单片机CPU进入到了非正常状态，而现场可编程器件FPGA输出的应答信号此时很可能是错误的信号；或现场可编程器件FPGA进入到了非正常状态，单片机CPU无法通过现场可编程器件FPGA获取正常的应答信号，这两种故障任一个发生，单盘的故障监测工作就无法正常进行，从而主备单板的保护就不能正常实施，设备中存在这样的隐患会给设备的运行带来不正常的操作，使通信网络有可能处于中断状态，给网络运营商和用户带来不可估量的损失。
因此，需要解决有主备保护的单板的单片机CPU和现场可编程器件FPGA的相互故障监测，使主备单板能正确切换，保证设备能稳定可靠的运行。
发明内容
本发明目的是提供的一种在主备单板保护中单片机CPU及现场可编程器件FPGA工作状态的监测及自动切换的方法，下面解释本发明的工作原理。
本发明是软件程序和硬件电路设计相结合，单板上必须有单片机CPU、现场可编程器件FPGA，主备单板之间必须有相互应答的连线。
本发明的软件程序是单板上的单片机CPU在软件程序中需要添加产生被监测用脉冲的程序，同时CPU除了监测单板上其它器件的工作状态外，还要监测来自另一块单板的工作状态(通过监测另一块单板的CPU的输出脉冲)；CPU通过监测本单板上其它器件的工作状态来改变本单板的工作状态输出标志，CPU通过监测另一块单板的工作状态来指示本单板上一个发光二级管LED的显示。
本发明的硬件电路设计是在FPGA中增加监测CPU工作状态的电路，增加逻辑器件可使CPU和FPGA都能改变本单板的工作状态标志的输出，本单板增加一个发光二级管LED用来显示另一块单板的故障。
单板上的单片机CPU软件以固定时间间隔周期产生并输出一定速率(如50Hz)的脉冲，本单板上的现场可编程器件FPGA接受并监测该脉冲，同时通过两块单板之间的连线将该脉冲输出给另一块单板，如果本单板的FPGA没有监测到该脉冲，现场可编程器件FPGA将本单板输出的工作状态标志改变并输出给另一块单板，通过主备单板之间的相互应答的连线，就能正确实施主备单板的保护动作；单片机CPU通过监测本单板上的现场可编程器件FPGA中特征标志寄存器，来判断现场可编程器件FPGA的工作是否正常，如果不正常，单片机CPU将本单板输出的工作状态标志改变，通过主备单板之间相互应答的连线，也能正确实施主备单板的保护动作。
监测单片机CPU的工作状态按照如下规则去定义：在一定时间内(1s)检测到n次0～1或1～0跳变，当n>m(m＝50)次认为单片机CPU工作正常；否则认为单片机CPU工作异常。其中检测时间长短的取舍与可靠性是成正比的，检测的时间长一些，可靠性相对高一些。
本发明的一种主备单板自动监测及切换方法，该方法包括步骤：
单板上单片机以固定周期输出脉冲信号；
单板上现场可编程器件接受并监测该脉冲信号，现场可编程器件根据脉冲信号判断单片机工作正常时，现场可编程器件将该脉冲信号输出给互为备份的对应的单板，现场可编程器件根据脉冲信号判断单片机工作不正常时，则现场可编程器件通过或门输出工作状态改变信号，通知互为备份的对应单板改变为主工作状态，并将本单板改变为保护状态；
单板上单片机监测现场可编程器件的特征标记寄存器，当读取的特征标记寄存器数值为预定的特征数值时，表示现场可编程器件工作正常，当读取的特征标记寄存器数值不等于预定的特征数值时，单片机通过或门输出工作状态改变信号，通知互为备份的对应单板改变为主工作状态，并将本单板改变为保护状态；
单板上单片机监测来自互为备份的对应单板的脉冲信号，如果判断来自互为备份的对应单板的周期性脉冲信号不正常，则判断互为备份的对应单板失效，本单板上单片机输出工作状态改变信号，并将本单板改变为主工作状态。
本发明的上述主备单板自动监测及切换方法，其特征在于：现场可编程器件对单片机输出的周期性脉冲信号的监测通过计数器进行，在预定时间周期内计数器计量的脉冲数值超过预定数值，则判断单片机工作正常，在预定时间周期内计数器计量的脉冲数值少于等于预定数值，则判断单片机工作不正常。
本发明的上述主备单板自动监测及切换方法，其特征在于：现场可编程器件监测单片机的预定时间周期为1秒，脉冲信号的预定数值为50次。
本发明的上述主备单板自动监测及切换方法，其特征在于：单片机输出的工作状态改变信号为“0”表示不改变工作状态，工作状态改变信号为“1”表示改变工作状态；现场可编程器件的工作状态改变信号为“0”表示不改变工作状态，工作状态改变信号为“1”表示改变工作状态。
本发明的上述主备单板自动监测及切换方法，其特征在于：单片机输出的工作状态改变信号和现场可编程器件输出的工作状态改变信号通过或门后输出给互为备份的对应单板。
本发明的上述主备单板自动监测及切换方法，其特征在于：或门输出的工作状态改变信号为“0”表示不改变互为备份的对应单板的工作状态，或门输出的工作状态改变信号为“1”表示改变互为备份的对应单板的工作状态。
本发明的上述主备单板自动监测及切换方法，其特征在于：单板上单片机监测来自互为备份的对应单板的周期性脉冲信号时，在预定时间周期内监测到的脉冲数值超过预定数值，则判断互为备份的对应单板工作正常，在预定时间周期内监测到的脉冲数值少于等于预定数值，则判断互为备份的对应单板工作不正常。
本发明的上述主备单板自动监测及切换方法，其特征在于：单板上单片机监测来自互为备份的对应单板的周期性脉冲信号时，预定时间周期为1秒，脉冲信号的预定数值为50次。
本发明的上述主备单板自动监测及切换方法，其特征在于：单板上单片机监测来自互为备份的对应单板的周期性脉冲信号时，在判断互为备份的对应单板工作不正常时，在本单板上点亮发光二极管以表示对应单板故障。
本发明的有益效果在于：该方法使单板上对可能出现的故障点的监测更全面，使主备单板的互相保护动作更稳定可靠，从而保证有主备单板保护的设备能更可靠稳定地工作。
附图说明
图1是本发明的方法所应用的单板的结构示意图；
图2是现场可编程器件FPGA使用计数器监测单片机CPU输出周期性脉冲信号示意图；
图3是互为备份的主备单板之间相互传输脉冲信号和工作状态改变信号的示意图；
图4是本发明方法所使用的单板上的单片机CPU运行程序的流程图。
具体实施方式
图1为应用本发明方法的单板结构示意图。图1中单片机CPU的监测有两处，其一单片机CPU在软件运行中由看门狗监测，以保证程序的正常运行；其二单片机CPU上电正常工作后，单片机CPU就按照图4的程序流程，在单片机CPU的一个I/O口输出50Hz的脉冲给现场可编程器件FPGA，现场可编程器件FPGA按照图2所示的原理，对单片机CPU输出的脉冲信号进行监测。当检测到单片机CPU发出的正常脉冲信号，现场可编程器件FPGA就向或门输出“0”表示正常，不改变本单板的工作状态标志，当检测到单片机CPU发出的脉冲信号不正常，现场可编程器件FPGA就向或门输出“1”表示单片机CPU不正常，同时改变本单板的工作状态标志，当备单板通过主备之间的应答线监测到主单板通过或门输出的工作状态改变信号后，马上将备单板工作状态改变为主单板工作状态，这样成功进行主备切换。
在此同时单片机CPU也以固定的周期通过数据线(Data)来读取现场可编程器件FPGA中的特征寄存器的数值，当从现场可编程器件FPGA中读取的数是事先约定好特征数值时，单片机CPU的I/O口就向或门输出“0”表示正常，不改变本单板的工作状态标志，当没有读取到寄存器的预定特征数值时，单片机CPU的I/O口就向或门输出“1”表示现场可编程器件FPGA处于不正常状态，同时改变本单板的工作状态标志。
单片机CPU或现场可编程器件FPGA任一个发生不正常情况，都向单板上的“或门”逻辑电路发送工作状态改变信号以改变本单板的工作状态，并同时通知原来处于备用状态的对应单板改变为主工作状态，以达到主备顺利切换的目的。
图2表示在现场可编程器件FPGA中对单片机CPU监测的原理。用本单板上现场可编程器件内的计数器对单片机CPU的周期性脉冲信号进行计数，在预定例如1秒内对脉冲信号计数超过例如50个脉冲数值，则判断单片机CPU工作正常，否则判断单片机CPU工作不正常。当检测到脉冲信号并判断单片机CPU工作正常时，现场可编程器件FPGA向或门输出“0”表示单片机CPU正常，当没有检测到脉冲信号或脉冲数值未达到预定数值时，现场可编程器件FPGA向或门输出“1”表示单片机CPU不正常。
图3是主备单板之间必须有的应答连线，主备单板只有通过之间的连线才能获取对应单板的当前工作状态，根据对应单板的工作状态判断对应单板是否正常，进行有效的主备切换，一旦监测到对应单板有故障发生，指示本单板的一个发光二级管LED灯亮。互为备份的主备单板，根据来自对应单板的工作状态改变信号改变工作状态实现主备之间相互切换，或者根据来自对应单板的脉冲信号判断对应单板工作不正常而改变工作状态实现主备之间相互切换。
图4是单片机CPU产生脉冲及监测现场可编程器件FPGA的流程图。参照图1的单板结构示意图，当单板正常工作时，单片机CPU在处理工作程序的时侯还要监测单板上其它器件的工作状态，同时以固定周期从一个I/O口输出被监测用一定速率脉冲(如50Hz)，一旦发现其它器件有不正常的工作状态就主动停止发送脉冲，并将本单板的工作状态标志改变；CPU用另一个I/O口接受对应单板送来的脉冲，并通过程序中的定时中断(如10ms定时中断，采样率为100Hz)来采样，检测送过来的脉冲，如果没有检测到脉冲则认为对应单板失效，同时可以将本单板的备用状态改变成主工作状态。CPU按照如下规则去定义：在一定时间内(1s)检测到n次0～1或1～0跳变，当n>m(m＝50)次认为对应单板工作状态正常；否则认为对应单板工作异常。其中检测时间长短的取舍与可靠性是成正比的，与电路受影响程度成反比。检测的时间长，可靠性相对高，避免检测的时间过短，可能有一个瞬间的不稳态导致频繁的切换。互为备份的主备单板上单片机CPU相互监测对应单板的工作状态并在各自单板上用点亮发光二级管的方式显示对应单板的故障。
Claims (9)
1.一种主备单板自动监测和切换方法，所述单板上包括单片机、现场可编程器件、或门器件，该方法包括下列步骤：
单板上单片机以固定周期输出脉冲信号；
单板上现场可编程器件接受并监测该脉冲信号，现场可编程器件根据脉冲信号判断单片机工作正常时，现场可编程器件将该脉冲信号输出给互为备份的对应的单板，现场可编程器件根据脉冲信号判断单片机工作不正常时，则现场可编程器件通过或门输出工作状态改变信号，通知互为备份的对应单板改变为主工作状态，并将本单板改变为保护状态；
单板上单片机监测现场可编程器件的特征标记寄存器，当读取的特征标记寄存器数值为预定的特征数值时，表示现场可编程器件工作正常，当读取的特征标记寄存器数值不等于预定的特征数值时，单片机通过所述或门输出工作状态改变信号，通知互为备份的对应单板改变为主工作状态，并将本单板改变为保护状态；
单板上单片机监测来自互为备份的对应单板的脉冲信号，如果判断来自互为备份的对应单板的周期性脉冲信号不正常，则判断互为备份的对应单板失效，本单板上单片机输出工作状态改变信号，并将本单板改变为主工作状态。
2.根据权利要求1的主备单板自动监测和切换方法，其特征在于：现场可编程器件对单片机输出的周期性脉冲信号的监测通过计数器进行，在预定时间周期内计数器计量的脉冲数值超过预定数值，则判断单片机工作正常，在预定时间周期内计数器计量的脉冲数值少于等于预定数值，则判断单片机工作不正常。
3.根据权利要求2的主备单板自动监测和切换方法，其特征在于：现场可编程器件监测单片机的预定时间周期为1秒，脉冲信号的预定数值为50次。
4.根据权利要求1的主备单板自动监测和切换方法，其特征在于：单片机输出的工作状态改变信号为“0”表示不改变工作状态，工作状态改变信号为“1”表示改变工作状态；现场可编程器件的工作状态改变信号为“0”表示不改变工作状态，工作状态改变信号为“1”表示改变工作状态。
5.根据权利要求4的主备单板自动监测和切换方法，其特征在于：单片机输出的工作状态改变信号和现场可编程器件输出的工作状态改变信号通过所述或门后输出给互为备份的对应单板。
6.根据权利要求5的主备单板自动监测和切换方法，其特征在于：所述或门输出的工作状态改变信号为“0”表示不改变互为备份的对应单板的工作状态，所述或门输出的工作状态改变信号为“1”表示改变互为备份的对应单板的工作状态。
7.根据权利要求1的主备单板自动监测和切换方法，其特征在于：单板上单片机监测来自互为备份的对应单板的周期性脉冲信号时，在预定时间周期内监测到的脉冲数值超过预定数值，则判断互为备份的对应单板工作正常，在预定时间周期内监测到的脉冲数值少于等于预定数值，则判断互为备份的对应单板工作不正常。
8.根据权利要求7的主备单板自动监测和切换方法，其特征在于：单板上单片机监测来自互为备份的对应单板的周期性脉冲信号时，预定时间周期为1秒，脉冲信号的预定数值为50次。
9.根据权利要求1的主备单板自动监测和切换方法，其特征在于：单板上单片机监测来自互为备份的对应单板的周期性脉冲信号时，在判断互为备份的对应单板工作不正常时，在本单板上点亮发光二极管以表示对应单板故障。
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