CN104424680A - 一种门禁冗余控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种门禁冗余控制系统，包括主机、备机和通用异步收发传输器，所述的主机和备机结构相同，包括电源，以及与电源电连接的处理器、时钟芯片、CAN收发器接口芯片2个，所述电源输出电压为3.3V，所述的主机和备机通过CAN总线与就地控制器相连，所述的主机和备机之间通过通用异步收发传输器相连，所述的主机和备机通过通用IO端口分别引出一条心跳线连接到对方上，所述的处理器电连接有Flash芯片。在主控制器发生故障时，本发明中冗余的备份控制器可立即接管控制权，保证门禁系统的持续正确运行。

Description

一种门禁冗余控制系统

技术领域

本发明涉及一种轨道交通的门禁控制系统。

背景技术

目前，由于轨道交通对门禁系统的高要求，一般的门禁设计方案难以满足门禁出现故障时在安全和可靠性上的要求，因此，市场对在轨道交通门禁出现故障时的解决方案需求巨大。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种在轨道交通门禁出现故障时，能保证门禁正常使用的门禁控制系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种门禁冗余控制系统，包括主机、备机和通用异步收发传输器，所述的主机和备机结构相同，包括电源，以及与电源电连接的处理器、时钟芯片、CAN收发器接口芯片2个，

所述电源输出电压为3.3V，

所述的主机和备机通过CAN总线与就地控制器相连，

所述的主机和备机之间通过通用异步收发传输器相连，

所述的主机和备机通过通用IO端口分别引出一条心跳线连接到对方上，所述的处理器电连接有Flash芯片。

作为上述方案的进一步优化，所述CAN总线介质为双绞线或同轴电缆或光导纤维。

作为上述方案的进一步优化，所述CAN总线与就地控制器采用回环连接法进行连接，接口为CAN收发器接口，以便主机向就地控制器发送指令同时获取与就地控制器的通信状态。

作为上述方案的进一步优化，所述Flash芯片存储空间为12～20M，

所述Flash芯片为2～4片，用以保证有足够大的存储空间。

所述时钟芯片定期校准一次主机和备机的时间，如每隔1小时校准一次主机和备机的时间。

本发明的有益效果主要表现为：基于轨道交通门禁的特殊要求设计的门禁冗余控制器，在主控制器发生故障时，冗余的备份控制器可立即接管控制权，保证门禁系统的持续正确运行。

附图说明

图1为本发明结构组成示意图。

图2是本发明在门禁异常时主机/备机身份切换的流程图。

图3是本发明运行时内部工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的描述。

参照图1、2和3所示，本发明一种门禁冗余控制系统，包括主机、备机和通用异步收发传输器，所述的主机和备机结构相同，包括电源，以及与电源电连接的处理器、时钟芯片、CAN收发器接口芯片2个，所述电源输出电压为3.3V，所述的主机和备机通过CAN总线与就地控制器相连，所述的主机和备机之间通过通用异步收发传输器相连，所述的主机和备机通过通用IO端口分别引出一条心跳线连接到对方上，所述的处理器电连接有Flash芯片。

所述CAN总线介质为双绞线或同轴电缆或光导纤维。

所述CAN总线与就地控制器采用回环连接法进行连接。

所述Flash芯片存储空间为16M，所述Flash芯片为2片。

所述时钟芯片每隔1小时校准一次主机和备机的时间。

本发明的主机和备机通过TCP/IP协议与服务器通信，通过CAN总线与就地控制器通信。门禁控制系统采用冗余设计，当主机出现意外故障时，备机能立即无缝的接上，保证前端门禁控制功能的正常。同时会对后台计算机发出告警、提醒信息处理。在核电站、电厂等场所，如果控制系统瘫痪将会造成重大影响，但拥有冗余功能的门禁控制系统可以很好解决这个难题。

对于轨道门禁系统，可靠性和可用性是两个非常重要的指标。为了满足这些指标要求，在提高门禁系统绝对可靠性的基础上,系统或结构上采取一些冗余设计也是提高系统整体可靠性和可用性的重要措施。本发明如图1所示，互为备份的主机和备机采用完全相同的结构，通过CAN总线与就地控制器相连，通过网络与服务器通信。正常工作时，主、备机从CAN总线上同时接收数据，但只有主机可以通过CAN总线向外部输出指令及控制数据。

主备机之间通过异步收发传输器（UART）相连，实现双机之间数据监测和同步等功能。在主机和备机的通用IO端口（GPIO口）分别引出一条“心跳”线，主机定时发出脉冲信号，备机用来检查判断对方设备是否具备基本运行能力。双机进行切换时，通过仲裁逻辑电路改变双机系统的当班权，完成系统的切换操作。

本系统运行时，状态分为三种：

1.系统启动时主机和备机权限处理

首先初始化系统，然后等待服务器分配IP，首先得到IP的控制器为主机，并通知另一个控制器切换为备机。

2.异常发生时主从切换，如图2所示

一旦主机发出IO（I/O端口）心跳信号异常，备机通过UART读取主机运行状态和错误信息并切换为主机，告知原主机切换为备机，然后通知服务器。若UART出现通信异常则备机直接切换为主机并通知服务器，服务器将控制原主机切换为备机。

3．系统正常运行状态。

系统无异常，则主机和备机与服务器和就地控制器完成通信和控制。

本系统中核心程序实现的功能如下:

1.控制器（主机和备机）程序相同, 平时主机和备机通过IO心跳和UART实现监测和同步，主机和从机都接入交换机，但只有主机与上位机通信，备机只侦听不做回应。

2.平时仅主机接收CAN数据，从机（备机）不接收CAN数据。

3.可区分主机、备机还是单机工作，并保存异常前的数据

4.数据同步主要采用了两种机制：静态同步和动态同步机制。

<1> 静态同步机制。每个flash芯片的扇区状态用一个字节的标志位来表示。主机程序中数据同步检测任务不断地检测主机flash芯片标志位，若扇区有数据则把扇区数据同步给备机。并将同步过的扇区标志位置1。若所有扇区同步完成则停止此任务，除非备机被换成新的，则重新此任务。

<2> 动态同步机制。当某一扇区的数据有变化时，记录下此扇区的编号，加入同步任务队列等待同步，当队列中任务达到7个的时候，与备机同步这些扇区的数据。

其中动态同步机制可实主机和备机现数据的实时同步，静态同步机制可保证备机更换或其他异常时能保证备机与主机数据一致。

5.本系统通电后的运行流程见图3，先对系统和硬件设备-控制器进行初始化，然后从Flash读取配置信息数据，同时根据服务器发来的IP“身份”信息获取主备机权限分配，建立“心跳”信号。正常运行时，主机一方面负责服务器和就地控制器的通信，另一方面主机与备机进行通信，同步运行状态。当主机出现异常时，备机通过通信获取主机异常信息并接过控制权变为主机，原主机切换为备机；然后通知服务器发生的异常，设备继续运行处理相关业务。

系统正常运行时一个控制器作为主机，另一个作为备机，两个控制器通过UART和IO口进行发送和接收“心跳”并同步运行状态。主机通过CAN总线和就地控制器通信，备机侦听CAN总线但是不做处理。一旦主机出现运行故障，备机可以立即无缝切换接过权限并保证和主机运行时所有数据和配置一致，保证门禁系统持续、安全运行。

当门禁系统控制器正常运行时，门禁系统的主控制器与就地控制器通过CAN总线通信并处理服务器发来的信息，系统正常运行。主控制器与冗余控制器之间通过GPIO进行“心跳”传递信号，同时通过UART进行通信。当门禁主控制器异常时，包括Flash读写错误，心跳信号异常，通信出现严重错误等情况发生时，备机收到的心跳信号异常或收到主机的身份切换请求时，备机将立即接过控制权扮演主机角色并通知原主机切换为备机，然后通知服务器发生的异常情况，保证系统持续运行。

本实施例中处理器（CPU），采用TI公司的LM3S9B92芯片，ARM Cortex-M3处理器内核，80MHz主频，100DMIPS性能，ARM Cortex系统定时器，嵌套向量中断控制器，256KB单周期Flash，96KB单周期SRAM，高级加密标准（AES）密钥表格，循环冗余校验 (CRC) 错误检测功能；电源采用LM2575芯片，电压输入范围4.74～40V；CAN通信采用TJA1050作为收发器与就地控制器进行通信；实时时钟采用DS1302为系统提供时钟，同时周期性的从服务器获取准确时间进行校准；Flash芯片采用两片MX25L6405D共16M字节存储空间，保证数据的大量存储；网络采用LM3S9B92自带的PHY和MAC实现；内部采用LWIP协议实现和服务器的TCP通信。

CAN（Controller Area Network）即控制器局域网络，是应用在现场、在微机化测量设备之间实现双向串行多节点数字通讯系统，是一种开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。 CAN协议建立在ISO/OSI模型之上，其模型结构有三层。协议分为Can2.0A，CAN2.0B，CANopen几种。

 CAN-BUS即CAN总线技术，全称为“控制器局域网总线技术（Controller Area Network-BUS）”。通讯距离与波持率有关，最大通讯距离可达１０ｋｍ，最大通讯波持率可达１Ｍｄｐｓ。CAN总线仲裁采用１１位标识和非破坏性仲裁总线结构机制，可以确定数据块的优先级，保证在网络节点冲突时最高优先级节点不需要冲突等待。CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。

冗余技术，就是增加备用的设备，以保证系统更加可靠、安全地工作。冗余的分类方法多种多样，按照在系统中所处的位置，冗余可分为元件级、部件级和系统级；按照冗余的程度可分为１：１冗余、１：２冗余、１：ｎ冗余等多种。

冗余技术可提高系统或设备的任务可靠性，但会降低系统或设备的基本可靠性。 冗余技术分为工作冗余和非工作冗余（备用冗余）两类。 

双机热备份，概况地说，就是用网络把两台服务器连接起来，平时互相备份，共同执行同一服务。当一台服务器停机时，可以由双机中的另一台服务器自动将停机服务器的业务接管，从而在不需要人工干预的情况下，保证系统能持续提供服务。

双机热备份系统采用“心跳”方法保证主系统与备用系统的联系。所谓“心跳”，指的是主从系统之间相互按照一定的时间间隔发送通讯信号，表明各自系统当前的运行状态。一旦“心跳”信号停止表明主机系统发生故障，或者备用系统无法收到主机系统的“心跳” 信号，则系统的高可用性管理软件认为主机系统发生故障，主机停止工作，并将系统资源转移到备用系统上，备用系统将替代主机发挥作用，以保证网络服务运行不间断。

上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (7)

1.一种门禁冗余控制系统，包括主机、备机和通用异步收发传输器，所述的主机和备机结构相同，包括电源，以及与电源电连接的处理器、时钟芯片、CAN收发器接口芯片2个，

所述电源输出电压为3.3V，

所述的主机和备机通过CAN总线与就地控制器相连，

所述的主机和备机之间通过通用异步收发传输器相连，

所述的主机和备机通过通用IO端口分别引出一条心跳线连接到对方上，所述的处理器电连接有Flash芯片。

2.根据权利要求1所述的一种门禁冗余控制系统，其特征在于，所述CAN总线介质为双绞线或同轴电缆或光导纤维。

3.根据权利要求1所述的一种门禁冗余控制系统，其特征在于，所述CAN总线与就地控制器采用回环连接法进行连接。

4.根据权利要求1所述的一种门禁冗余控制系统，其特征在于，所述Flash芯片存储空间为12～20M。

5.根据权利要求4所述的一种门禁冗余控制系统，其特征在于，所述Flash芯片为2～4片。

6.根据权利要求1所述的一种门禁冗余控制系统，其特征在于，所述时钟芯片定期校准一次主机和备机的时间。

7.根据权利要求6所述的一种门禁冗余控制系统，其特征在于，所述时钟芯片每隔1小时校准一次主机和备机的时间。