CN101000591A

CN101000591A - 基于嵌入式cpu的双机冗余系统

Info

Publication number: CN101000591A
Application number: CN 200610148786
Authority: CN
Inventors: 刘赟; 吕健; 黄鹤; 段征; 刘予学; 彭宁华; 陈亚杰
Original assignee: 711th Research Institute of CSIC
Current assignee: 711th Research Institute of CSIC
Priority date: 2006-12-30
Filing date: 2006-12-30
Publication date: 2007-07-18

Abstract

本发明公开一种基于嵌入式CPU的双机冗余系统，用以实现两个嵌入式CPU模块对一总线的访问权切换，其包括主CPU模块和辅CPU模块，分别具有一总线接口；看门狗电路，监测主CPU模块和辅CPU模块的运行状态，并输出分别表示它们运行状态的看门狗信号；总线切换单元，其具有控制端口、第一总线接口、第二总线接口和外部总线接口，第一总线接口、第二总线接口分别与主CPU模块和辅CPU模块的总线接口连接，外部总线接口与外部总线连接，总线切换单元从控制端口接收看门狗电路的看门狗信号，根据看门狗信号在主CPU模块和辅CPU模块之间切换外部总线读写权。本发明的双机冗余系统的优点是可以实现自动的切换，切换的内容简化，切换的稳定性增强，性价比高。

Description

基于嵌入式CPU的双机冗余系统

技术领域

本发明涉及一种应用于船舶上的双机冗余系统，尤其涉及一种基于嵌入式CPU的双机冗余系统。

背景技术

双机冗余系统在工业现场有很多应用实例，在电信、炼油、发电、配电及水库监测等行业的大量实例表明，在大型系统上的双机冗余一般采用网络冗余的方式，即两台互为冗余的主机通过通信服务器和其他设备联网，两台主机同时工作，但只有第一主机对网络设备有读写权限，第二主机只有读的功能，它向下发的数据或命令被通信服务器阻断。

双机冗余在船舶上的应用却并不采用这种方案，主要原因是：

1.通信服务器的价格比较高，而需要冗余的节点数据容量不大，不可能采用成本过高的设备或者方案；

2.需冗余的监测机上带有大量的I/O数据，不适合采用这种服务器方案。

目前船舶的核心监测PC机采用切换接口箱的方式进行双机冗余，即将两台机器的外围接口连接到一个接口箱采用继电器切换的方法。其主要的缺点是：当第一主机故障时，需要人工判断主机的故障，手动的切换两机；切换设备的可靠性不高，切换过程不稳定，切换时间长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可提高船舶网络系统性能的基于嵌入式CPU的双机冗余系统。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种基于嵌入式CPU的双机冗余系统，用以实现两个嵌入式CPU模块对一总线的访问权切换，所述系统包括：主CPU模块和辅CPU模块，分别具有一总线接口；看门狗电路，其输入端分别与主CPU模块、辅CPU模块连接，以监测主CPU模块和辅CPU模块的运行状态，其输出端输出分别表示主CPU模块、辅CPU模块运行状态的主CPU看门狗信号和辅CPU看门狗信号；总线切换单元，其具有控制端口、第一总线接口、第二总线接口和外部总线接口，第一总线接口、第二总线接口分别与主CPU模块和辅CPU模块的总线接口连接，外部总线接口与外部总线连接，所述总线切换单元从控制端口接收看门狗电路的主CPU看门狗信号和辅CPU看门狗信号，根据所述看门狗信号在主CPU模块和辅CPU模块之间切换外部总线读写权。

上述的基于嵌入式CPU的双机冗余系统中，所述总线切换单元包括：第一门控单元，连接在所述第一总线接口和所述外部总线接口之间，所述第一门控单元具有一接收第一门控信号的控制端，第一门控单元根据从控制端接收的第一门控信号对第一总线接口与外部总线接口之间的信号传输进行封锁或解除封锁；第二门控单元，连接在所述第二总线接口和所述外部总线接口之间，所述第二门控单元具有一接收第二门控信号的控制端，第二门控单元根据从控制端接收的第二门控信号对第二总线接口与外部总线接口之间的信号传输进行封锁或解除封锁；门控信号产生单元，其输入端为所述控制端口，其输出端分别与第一门控单元和第二门控单元的控制端连接，所述门控信号产生单元根据所述主CPU看门狗信号和辅CPU看门狗信号产生所述第一门控信号和第二门控信号。

上述的基于嵌入式CPU的双机冗余系统中，所述总线是ISA总线。

上述的基于嵌入式CPU的双机冗余系统中，所述主CPU模块和辅CPU模块还分别具有一通信接口，主CPU模块和辅CPU模块通过其通信接口互相连接。所述通信接口可以是RS232接口。

上述的基于嵌入式CPU的双机冗余系统中，所述主CPU模块和辅CPU模块是ETX CPU模块。

上述的基于嵌入式CPU的双机冗余系统中，所述切换单元由CPLD构成。

上述的基于嵌入式CPU的双机冗余系统还包括一连接于所述外部总线的接口转换模块。所述接口转换模块是一现场总线接口卡。

本发明由于采用单机箱、双CPU、双外围接口的架构，通过切换内部总线的方法，达到双CPU和双外围接口的切换。该结构相比现有的双机冗余技术的优点是可以实现自动的切换，切换的内容简化，切换的稳定性增强，选用的部件性价比高。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明的特征和优点，其中：

图1是本发明一个实施例的双机冗余系统的结构框图；

图2是本发明一个实施例的切换单元的结构框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的双机冗余系统包括基板10、主CPU模块11、辅CPU模块12、看门狗电路13以及总线切换单元14。其中主CPU模块11、辅CPU模块12、看门狗电路13和总线切换单元14均安装在基板10上且互相连接。下面详细描述每个部件的结构。

主CPU模块11和辅CPU模块12是集成了CPU芯片、芯片组、显示芯片等部件的模块，其功能类似于PC机主板。在一个实施例中，主CPU模块11和辅CPU模块12均采用ETX(Embedded Technology eXtended，嵌入式技术扩展) CPU模块，在CPU模块中已经集成了芯片组、南北桥、显示芯片、网络芯片、音频控制器、Super I/O控制器等，CPU模块的接口采用了标准的ETX接口，即采用4根100芯的接插件连接外围电路，这4×100的接插件包括了标准的键盘、鼠标、VGA、USB、IDE、PCI、ISA等PC接口。其中本发明中选择ISA接口111、121作为需要切换的总线信号，由于其他接口并非本发明的重点，为简化起见，其他接口并未在图1中示出。

主CPU模块11和辅CPU模块12作为需要切换的CPU，通过ETX接口安装在基板10上，基板10上扩展PC的常规接口如：键盘、鼠标、VGA、USB、IDE、ISA等，使用由鼠标、键盘等输入设备和显示器等输出设备构成的外部设备21、22，通过基板10分别与主CPU模块11和辅CPU模块12连接，可组成分别以主CPU模块11和辅CPU模块12为核心的PC机。同时，主CPU模块11和辅CPU模块12的ISA接口111、121连接到总线切换单元14，总线切换单元14用于实现ISA信号的切换，将两路ISA总线101、102变为一路外部ISA总线103，连接到基板10的ISA插槽(图未示)上，用作外部接口。

请参阅图1所示，看门狗电路13分别与主CPU模块11和辅CPU模块12连接，用于监测其运行状态，例如CPU模块是否掉电、死机等，并发出主CPU看门狗信号w1和辅CPU看门狗信号w2。主CPU模块11和辅CPU模块12的电源都连接到看门狗电路13，当主CPU模块11(或辅CPU模块12)电源掉电后一定时间，看门狗电路13输出的主CPU看门狗信号w1(或辅CPU看门狗信号w2)。CPU模块11、12死机的情况通过软件和硬件组合的方式实现，CPU模块11、12分别定时的给看门狗电路13发出喂狗信号s1、s2，当主CPU模块11(或辅CPU模块12)死机的时候，看门狗电路13在规定的时间收不到喂狗信号s1(或s2)，就会自动输出一个脉冲信号，作为主CPU看门狗信号w1(或辅CPU看门狗信号w2)。CPU模块11、12发出的喂狗信号通过一个I/O端口输出。在一个实施例中，看门狗电路13可包括两个看门狗芯片MAX813，主CPU模块11和辅CPU模块12的电源是接到芯片MAX813的PFI通道。本发明中的看门狗芯片MAX813仅作为举例说明，对看门狗电路的选择和使用，是本领域技术人员的常识。

请参阅图1所示，本发明的总线切换单元14具有控制端口141、第一总线接口142(图中简称ISA)、第二总线接口143和外部总线接口144(图中简称ISA)，其中第一总线接口142、第二总线接口143分别通过ISA总线101、102与主CPU模块11和辅CPU模块12的ISA总线接口111、121(图中简称ISA)连接，外部总线接口144与外部ISA总线103连接，控制端口141则用于接收看门狗电路1 3的主CPU看门狗信号w1和辅CPU看门狗信号w2。总线切换单元14根据看门狗信号w1、w2所表示的CPU模块运行状态，在主CPU模块和辅CPU模块之间切换外部总线读写权。在系统正常工作时，默认的主CPU模块11可通过ISA总线正常的读写数据，而辅CPU模块12由于总线切换单元14的作用，不能从ISA总线中读写数据。看门狗模块实时的监测主CUP模块11与辅CPU模块12的运行状态，当看门狗电路13监测到主CPU模块11发生故障时，迅速向总线切换单元14发出脉冲，总线切换单元14使总线控制权权转移到辅CPU模块12(假设其当前无故障)，使其具有完整的总线读写权，并保证切换时的无扰动性。

总线切换单元14一个实施例的内部结构如图2所示，其包括门控信号产生单元145、第一门控单元146、第二门控单元147。门控信号产生单元145的输入端为控制端口141，其接收两个看门狗信号w1、w2作为输入，其输出端分别连接到第一门控单元146和第二门控单元147的控制端连接，用以输出第一门控信号c1和第二门控信号c2。门控信号c1、c2是由看门狗信号w1、w2的组合逻辑关系产生，在一实施例中，其逻辑关系如下面的真值表1所示：

主CPU看门狗信号(1代表CPU故障)	辅CPU看门狗信号(1代表CPU故障)	第一门控信号(0代表门控有效，总线接通)	第二门控信号(1代表门控无效，总线封锁)
主CPU看门狗信号(1代表CPU故障)	辅CPU看门狗信号(1代表CPU故障)	第一门控信号(0代表门控有效，总线接通)	第二门控信号(1代表门控无效，总线封锁)	1	0	1	0
0	1	0	1	1	0	1	0
0	1	0	1	0	0	0	1
1	1	0	1	0	0	0	1

在表1中，只有当主CPU模块11出现故障，而辅CPU模块12无故障时，第二门控信号c2才有效，其他时候，均为第一门控信号c1有效。依据表1所设计的门控信号产生单元145的逻辑电路如图2所示。

第一门控单元146连接在第一总线接口142和外部总线接口144之间，其具有一接收第一门控信号c1的控制端，第一门控单元146根据从控制端接收的第一门控信号c1对第一总线接口142与外部总线接口144之间的总线信号传输进行封锁或解除封锁。第一门控单元146是通过逻辑电路实现封锁的，以ISA总线101的一条线为例，当第一门控信号c1为0(门控有效)时，ISA总线101和外部ISA总线103接通，当第一门控信号c1为1时，ISA总线101与外部ISA总线103之间呈现高阻态。由此在ISA总线101与外部ISA总线103之间实现双向三态控制。

第二门控单元147连接在第二总线接口143和外部总线接口144之间，其具有一接收第二门控信号c2的控制端，第二门控单元147根据从控制端接收的第二门控信号c2对第二总线接口143与外部总线接口144之间的信号传输进行封锁或解除封锁，其原理与第一门控单元147类似，因此不再叙述。

在一个实施例中，总线切换单元14可由CPLD(Complex ProgrammableLogic Device，复杂可编程逻辑器件)经过编程获得。

值得注意的是ISA总线一种主从结构的总线，ISA的接口卡不是智能的，ISA总线的访问必须通过CPU来完成，即只有CPU主动的向ISA接口卡发送数据和请求数据，而不能由ISA接口卡主动发起数据的传输。因此主CPU模块11和辅CPU模块12还各包括互相连接的RS232通信接口112、122，当主CPU模块11收到外部ISA总线103的信号后，通过RS232接口向辅CPU模块12发送刚刚接收到的信号，这样辅CPU模块12就可以收到外部ISA总线103的信号了。

如图1所示，本发明的双机冗余系统还包括一连接于外部ISA总线103的CAN(现场总线)接口卡15，作为接口转换模块。CAN接口卡15可连接CAN总线，由于CAN总线通常作为船舶设备的标准总线，因此通过CAN接口卡15可实现本系统与其他设备的互连。此外，可以利用232/CAN转换模块16将CAN接口卡15与一仿真计算机17相连，用以测试本系统的工作。

本发明的基于嵌入式CPU的双机冗余系统具有下列有益效果：

1.相比目前船舶的核心监测PC机采用的人工切换接口箱的方式，本发明的切换方式在监测到主CPU模块出现故障时实现自动的切换，切换速度快，并且切换的稳定性增强；

2.由于本系统只需对一种总线(ISA总线)进行切换，因此相比在常用的网络冗余的方式，切换内容简化，成本降低。

以上的实施例说明仅为本发明的较佳实施例说明，本领域技术人员可依据本发明的上述实施例说明而作出其它种种等效的替换及修改。然而这些依据本发明实施例所作的种种等效替换及修改，属于本发明的发明精神及由权利要求所界定的专利范围内。

Claims

1.一种基于嵌入式CPU的双机冗余系统，用以实现两个嵌入式CPU模块对一总线的访问权切换，其特征在于，所述系统包括：

主CPU模块和辅CPU模块，分别具有一总线接口；

看门狗电路，其输入端分别与主CPU模块、辅CPU模块连接，以监测主CPU模块和辅CPU模块的运行状态，其输出端输出分别表示主CPU模块、辅CPU模块运行状态的主CPU看门狗信号和辅CPU看门狗信号；

总线切换单元，其具有控制端口、第一总线接口、第二总线接口和外部总线接口，第一总线接口、第二总线接口分别与主CPU模块和辅CPU模块的总线接口连接，外部总线接口与外部总线连接，所述总线切换单元从控制端口接收看门狗电路的主CPU看门狗信号和辅CPU看门狗信号，根据所述看门狗信号在主CPU模块和辅CPU模块之间切换外部总线读写权。

2.如权利要求1所述的基于嵌入式CPU的双机冗余系统，其特征在于，所述总线切换单元包括：

第一门控单元，连接在所述第一总线接口和所述外部总线接口之间，所述第一门控单元具有一接收第一门控信号的控制端，第一门控单元根据从控制端接收的第一门控信号对第一总线接口与外部总线接口之间的信号传输进行封锁或解除封锁；

第二门控单元，连接在所述第二总线接口和所述外部总线接口之间，所述第二门控单元具有一接收第二门控信号的控制端，第二门控单元根据从控制端接收的第二门控信号对第二总线接口与外部总线接口之间的信号传输进行封锁或解除封锁；

门控信号产生单元，其输入端为所述控制端口，其输出端分别与第一门控单元和第二门控单元的控制端连接，所述门控信号产生单元根据所述主CPU看门狗信号和辅CPU看门狗信号产生所述第一门控信号和第二门控信号。

3.如权利要求1所述的基于嵌入式CPU的双机冗余系统，其特征在于，所述总线是ISA总线。

4.如权利要求1所述的基于嵌入式CPU的双机冗余系统，其特征在于，所述主CPU模块和辅CPU模块还分别具有一通信接口，主CPU模块和辅CPU模块通过其通信接口互相连接。

5.如权利要求4所述的基于嵌入式CPU的双机冗余系统，其特征在于，所述通信接口是RS232接口。

6.如权利要求1所述的基于嵌入式CPU的双机冗余系统，其特征在于，所述主CPU模块和辅CPU模块是ETX CPU模块。

7.如权利要求1或2所述的基于嵌入式CPU的双机冗余系统，其特征在于，所述切换单元由CPLD构成。

8.如权利要求1所述的基于嵌入式CPU的双机冗余系统，其特征在于，还包括一连接于所述外部总线的接口转换模块。

9.如权利要求8所述的基于嵌入式CPU的双机冗余系统，其特征在于，所述接口转换模块是一现场总线接口卡。