CN105471645B - 一种主备双机共用通信接口及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种主备双机共用通信接口，包括驱动芯片、第一总线驱动器、第二总线驱动器、第一隔离电阻、第二隔离电阻。输出信号经第一总线驱动器和第二总线驱动器隔离，输入串口信号经隔离电阻和隔离电阻隔离，通过上述隔离方法可实现主机和备机无干涉地共用外部通信接口，适用于单接口工作环境，有效地发挥系统效能，提高工作效率。

Description

一种主备双机共用通信接口及方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种双机备份系统中的接口。

背景技术

目前某些需要满足高可靠性要求的系统通常会采取双机备份的方案。双机备份分为冷备份和热备份两种不同的形式，冷备份是指主机工作，备机不工作的冗余备份方式，热备份是指主机备机同时处于工作状态的冗余备份方式。采用冷备份的工作模式，其优点是当主机工作时，备机不工作，这样既能提高系统冗余度，又不会产生额外功耗，以节省能源开销。采取冷备份或热备份的电子系统，主机和备机通常通过总线或各自独立的接口与外界进行通信，在某些特定应用环境中，当仅能通过单个特定接口（如串口或网口）与某个外部功能模块进行通信时，主机和备机在通信链路上就会存在干涉的风险。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种主备双机共用通信接口，能够实现主备双机无干涉地共用单个通信接口。

一种主备双机共用通信接口，包括驱动芯片、第一总线驱动器、第二总线驱动器、第一隔离电阻、第二隔离电阻；所述第一总线驱动器的使能端连接主机第一控制信号、备机第一控制信号，所述第二总线驱动器的使能端连接主机第二控制信号、备机第二控制信号；所述第一总线驱动器的输入端连接主机的输出信号，输出端连接所述驱动芯片的内部输入端，所述第二总线驱动器的输入端连接备机的输出信号，输出端连接所述驱动芯片的内部输入端，所述主机的输出信号、备机的输出信号经所述驱动芯片转换后输出至外部设备；所述第一隔离电阻的一端连接所述驱动芯片的内部输出端，另一端连接主机，所述第二隔离电阻的一端连接所述驱动芯片的内部输出端，另一端连接备机，外部设备发送的输入信号经所述驱动芯片转换后，经所述第一隔离电阻进入主机，经第二隔离电阻进入备机。

一种主备双机共用通信接口的方法，主机的输出信号连接第一总线驱动器，备机的输出信号连接第二总线驱动器，所述第一总线驱动器的使能端由主机和备机分别控制，主机和备机中有一方使能该第一总线驱动器，该第一总线驱动器即工作，所述第二总线驱动器的使能端由主机和备机分别控制，主机和备机中有一方使能该第二总线驱动器，该第二总线驱动器即工作，所述第一总线驱动器和第二总线驱动器不能同时处于使能状态。

相较于现有技术，本发明提供的主备双机共用通信接口及方法可保证主备双机无干涉地共用外部通信接口，适用于单接口工作环境，有效地发挥系统效能，提高工作效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的双机冷热备份自主切换的控制与信息处理系统结构框图。

图2为本发明实施例提供的双机冷热备份自主切换的控制与信息处理系统的串行接口模块结构框图。

图3为本发明实施例提供的双机冷热备份自主切换的控制与信息处理系统的电源控制模块结构框图。

图4为本发明实施例提供的双机冷热备份自主切换的控制与信息处理系统的人机交互接口结构框图。

主要元件符号说明

控制与信息处理系统	10	第一AD采样芯片~第八AD采样芯片	550~557
				主机	100	外部功能模块接口	600
主FPGA	110	远程通信接口	700
				主处理器	120	人机交互接口	800
备机	200	按键输入信号接口	810
				备FPGA	210	第三总线驱动器	820
备处理器	220	第四总线驱动器	830
				网络交换模块	300	图像信号输出接口	840
串行接口模块	400	电源输入接口	900
				串口驱动芯片	410	电源输出接口	910
第一总线驱动器	430	第一隔离电阻~第四隔离电阻	R1~R4
				第二总线驱动器	420	外部功能模块	20
电源控制模块	500	外部电源	30
				第一继电器~第四继电器	510~513	按键	40
第一译码器~第四译码器	520~523	液晶显示屏	50
				第一测量电阻~第三测量电阻	530~532	外部通信网络	60
第一电压放大器~第四电压放大器	540~543

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将对本发明实施例提供的主备双机共用通信接口及方法作进一步说明。

请参阅图1，本发明第一实施例提供一种双机冷热备份自主切换的控制与信息处理系统10，包括：主机100、备机200、网络交换模块300、串行接口模块400、电源控制模块500、外部功能模块接口600、远程通信接口700、人机交互接口800、电源输入接口900和电源输出接口910。

所述主机100包括主处理器120和主FPGA110，所述备机200包括备处理器220和备FPGA210。所述主处理器120和主FPGA110相互连接，所述备处理器220和备FPGA210相互连接。所述主机100和备机200间通过连接主FPGA110、备FPGA210的数字信号线进行状态信息的交互，以此作为对对方工作状态进行判断并进行工作状态切换的依据。所述主FPGA110、备FPGA210间的状态信息交互采用但不限于采用串口协议进行，可同时支持使用推送和查询的方式进行，所述使用推送即向对方FPGA主动推送状态信息，所述查询即等待对方FPGA发送查询信息后返回状态信息。所述交互的状态信息包括处理器是否正常、要求对方处于何种工作状态等，当发现某一FPGA未推送有效状态信息及多次查询未返回有效状态信息时可认为该FPGA已失效。

所述主处理器120用于进行主机100的信息处理。所述主处理器120通过自身网络控制器与网络交换模块300相连，进而通过以太网与外部功能模块20和外部通信网络60进行通信。所述主处理器120通过自身串口控制器与主FPGA110实现通信，并依托主FPGA110实现与外部功能模块20通信、对电源的控制以及获取按键40信息。所述主处理器120通过自身图像信号控制器输出图像信息至人机交互接口800以控制液晶显示屏50。

所述主FPGA110通过串口协议和主处理器120进行通信，通信信息包括问询主处理器120工作状态，连接主处理器120和外部功能模块接口600中的串口，实现主处理器120和外部功能模块20的串口通信，将主处理器120输出的电源控制信息进行转换以输出至电源控制模块500，将按键触发信息进行转换输出至主处理器120。所述主FPGA通过数字信号线连接电源控制模块500，实现对电源的通断控制及电压电流检测。所述主FPGA通过与人机交互接口800中按键信号接口连接获取按键触发信息并通过串口传送至主处理器120；通过输出控制信号使能或关闭串行接口模块400和人机交互接口800中的总线驱动器，以间接控制主机100和备机200输出的串口信号和图像信号，避免主机100和备机200间输出信号的相互干扰；通过数字信号线与备FPGA210连接并进行信息交互。

所述备处理器220用于进行备机200的信息处理。所述备处理器220通过自身网络控制器与网络交换模块300相连，进而通过以太网与外部功能模块20和外部通信网络60进行通信。所述备处理器220通过自身串口控制器与备FPGA210实现通信，并依托备FPGA210实现与外部功能模块20通信、对电源的控制以及获取按键40信息。所述备处理器220通过图像信号控制器输出图像信息至人机交互接口800以控制液晶显示屏50。

所述备FPGA210通过串口协议和备处理器220进行通信，通信信息包括问询备处理器220工作状态，连接备处理器220和外部功能模块接口600中的串口，实现备处理器220和外部功能模块30的串口通信，将备处理器220输出的电源控制信息进行转换以输出至电源控制模块500，将按键触发信息进行转换输出至备处理器220；通过数字信号线连接电源控制模块500实现对电源的通断控制及电压电流检测；通过与人机交互接口800中按键信号接口连接获取按键触发信息并通过串口传送至备处理器220；通过输出控制信号使能或关闭串行接口模块400和人机交互接口800中的总线驱动器，以间接控制主机100和备机200输出的串口信号和图像信号，避免主机100和备机200间输出信号的相互干扰；通过数字信号线与主FPGA110连接并进行信息交互。

所述网络交换模块300可以为网络交换机，包括网络交换芯片及其外围电路。该网络交换模块300与主处理器120、备处理器220、外部功能模块接口600、远程通信接口700通过数字信号线连接，实现网络信息交互。

请参见图2，所述串行接口模块400连接所述主FPGA110、备FPGA210以及外部功能模块接口600，将所述主FPGA110或备FPGA210发送的输出串口信号进行转换与隔离后送入所述外部功能模块接口600，以及将所述外部功能模块接口600接收到的输入串口信号经转换与隔离后送入所述主FPGA110或备FPGA210。请参见图2，所述串行接口模块400包括串口驱动芯片410、第一总线驱动器430、第二总线驱动器420、隔离电阻R1和隔离电阻R2。所述主FPGA110和备FPGA210对同一串口输出的信号线分别连接至第一总线驱动器430和第二总线驱动器420，经由该第一总线驱动器430或第二总线驱动器420后共同连接到串口驱动芯片410的输入端，由该串口驱动芯片410进行信号转换并输出到外部功能模块接口600的串行信号接口。所述第一总线驱动器430和第二总线驱动器420起到隔离作用，所述第一总线驱动器430和第二总线驱动器420各自的使能端口由主FPGA110和备FPGA210分别控制，即主FPGA110和备FPGA210中有一方使能第一总线驱动器430，该第一总线驱动器430便可正常工作，同样地，主FPGA110和备FPGA210中有一方使能第二总线驱动器420，该第二总线驱动器420便可正常工作。第一总线驱动器430和第二总线驱动器420不能同时处于使能状态。串口驱动芯片410对由外部功能模块接口600输入的串行信号进行信号转换，转换后的信号通过隔离电阻R1连接到主FPGA110，通过隔离电阻R2连接到备FPGA210。输出串口信号经第一总线驱动器430和第二总线驱动器420隔离，输入串口信号经隔离电阻R1和隔离电阻R2隔离，通过上述的隔离方法便可实现主FPGA110和备FPGA210无干涉地共用一个串口。

请参见图3，所述电源控制模块500包括第一继电器~第四继电器510~513、第一译码器~第四译码器520~523以及电压电流检测电路，本实施例中所述电压电流检测电路包括第一测量电阻~第三测量电阻530~532、第一电压放大器~第四电压放大器540~543和第一AD采样芯片~第八AD采样芯片550~557。所述主FPGA110输出控制第一继电器510第二和继电器511通断的控制信号，该控制信号通过控制信号线连接至第一译码器520和第二译码器521的输入端，经由第一译码器520和第二译码器521译码后控第一制继电器510和第二继电器511通断。同样地，备FPGA210输出的控制信号第三经译码器522和第四译码器523译码后控制第三继电器512和第四继电器513通断。第一继电器510控制备机供电，第四继电器513控制主机供电，第二继电器511和第三继电器512并联后连接到电源输出接口910，控制外部功能模块20供电。所述电压电流检测电路用于检测主机供电、备机供电和外部供电的电压电流。供电电压由第一、四、五、八AD采样芯片550、553、554、557回采后传送至主FPGA110或备FPGA210，供电电流由第一测量电阻~第三测量电阻530~532转换为电压，经第一电压放大器~第四电压放大器540~543放大后传送至第二、三、六、七AD采样芯片551、552、555、556并传送至主FPGA110或备FPGA210。现以备机供电检测为例进行说明，经第一继电器510输出的电压由第一AD采样芯片550回采后通过信息交互接口传送至主FPGA110，经第一继电器510输出的电流由第一测量电阻530转换为待测电压，经第一电压放大器540放大后传送至第二AD采样芯片551，后第二通过AD采样芯片551的信息交互接口将测量信息传送至主FPGA110，由此可获取备机供电的电压、电流信息，主机供电和外部供电的电压电流检测原理与此相同。

所述外部功能模块接口600为与外部功能模块20互连的接插件，包括串行信号接口和以太网接口。所述串行信号接口与串行接口模块400连接，所述以太网接口与网络交换模块300连接。

所述远程通信接口700为与外部通信网络60互连的接插件，包括以太网接口，所述远程通信接口700与网络交换模块300连接。

请参见图4，所述人机交互接口800接收主处理器120和备处理器220输出的人机交互信号，并将该人机交互信号送入对应的人机交互设备。所述人机交互设备包括按键40、液晶显示器50等。请参见图4，所述人机交互接口800包括按键输入信号接口810、第三总线驱动器820、第四总线驱动器830以及图像信号输出接口840。所述主处理器120和备处理器220输出的图像信号线分别连接至第三总线驱动器820和第四总线驱动器830，经由第三总线驱动器820和第四总线驱动器830后互连并连接到图像信号输出接口840，并进一步输出至液晶显示屏50。所述图像信号输出接口840为液晶显示屏50匹配的图像信号接插件。所述第三总线驱动器820和第四总线驱动器830起到隔离作用，所述第三总线驱动器820和第四总线驱动器830各自的使能端口由主FPGA110和备FPGA210分别控制，对同一输出图像信号线进行隔离的两个不同总线驱动器不能同时处于使能状态。所述外部输入按键信号经按键输入信号接口810后分别经隔离电阻R3连接到主FPGA110，经隔离电阻R4连接到备FPGA210。按键输入信号接口810为与外部按键40匹配的接插件。输出图像信号经第三总线驱动器820和第四总线驱动器830隔离，输入按键信号经隔离电阻R3和隔离电阻R4隔离，通过上述的隔离方法便可实现主FPGA110和备FPGA210无干涉地共用图像信号输出接口840和按键输入信号接口810。

所述电源输入接口900和电源输出接口910为电源输入输出的接插件，由电源接口构成。所述电源输出接口910与外部功能模块20连接，所述电源输入接口900与外部电源30连接。

需要说明的是，本实施例提供的双机冷热备份自主切换的控制与信息处理系统中，所述网络交换模块300、串行接口模块400、外部功能模块接口600、远程通信接口700以及人机交互接口800为均可选组件，换言之，本发明提供的双机冷热备份自主切换的控制与信息处理系统可以仅由主机100、备机200、电源控制模块500、电源输入接口900和电源输出接口910组成。

下面对本实施例提供的双机冷热备份自主切换的控制与信息处理系统的自主切换的方法进行说明。

一种双机冷热备份自主切换方法，包括以下步骤：

S1，提供一双机冷热备份自主切换的控制与信息处理系统10；

S2，给系统供电，主机100与备机200同时工作，进入开机自检状态，获取主处理器120与备处理器220的工作状态；

S3，根据获取到的主处理器120与备处理器220的工作状态判断系统将采取的工作模式，若主机100与备机200均正常工作，则主FPGA110控制电源控制模块500断开备机电源，系统进入冷备份工作模式；若主机100正常工作，备机200有异常，则主FPGA110控制电源控制模块500断开备机电源，并内部标记备机故障，系统进入主机单余度工作状态；若备FPGA210检出主机100异常，则备FPGA210控制电源控制模块500断开主机电源，系统进入备机单余度工作状态。

步骤S1中，所述机冷热备份自主切换的控制与信息处理系统10可以是包括实施例中的所有功能模块的最大系统，也可以是仅由主机100、备机200、电源控制模块500、电源输入接口900和电源输出接口910构成的最小系统，或者是上述最小系统以及部分功能模块的组合。

步骤S2中，通过电源输入接口900给系统供电，主机100和备机200通过电源控制模块500获取电源开始工作，此时主机100和备机200均不对外进行信息交互。本实施例中所述获取主处理器120与备处理器220的工作状态的方法为：主处理器120和主FPGA110间通过串口进行心跳检测，主FPGA110获取主处理器120是否正常工作的信息，备处理器220和备FPGA210间通过串口进行心跳检测，备FPGA210获取备处理器220是否正常工作的信息。

步骤S3中，所述主FPGA110和备FPGA210通过互连信号线进行状态交互，根据获取到的主处理器120与备处理器220的工作状态判断系统将采取的工作模式。所述工作模式具体为：

1）若主机100、备机200均正常工作，则主FPGA110控制电源控制模块500中继电器510断开备机电源，系统进入冷备份工作模式。系统中如果包含串行接口模块400，则主FPGA110控制串行接口模块400中第二总线驱动器420处于不使能状态，第一总线驱动器430处于使能状态。系统中如果包含人机交互接口800，则主FPGA110控制人机交互接口800中第四总线驱动器830处于不使能状态，第三总线驱动器820处于使能状态。

2）若主机100正常工作，备机200有异常，则主FPGA110执行1）中断电操作对备机200断电，并内部标记备机200故障，系统进入主机100单余度工作状态。主FPGA110控制串行接口模块400和人机交互接口800中总线驱动器状态与冷备份模式时相同。

3）若备FPGA210检出主机100异常，则备FPGA210控制电源控制模块500中继电器513断开主机电源，系统进入备机200单余度工作状态。系统中如果包含串行接口模块400，则备FPGA210控制串行接口模块400中第二总线驱动器420处于使能状态，第一总线驱动器430处于不使能状态。系统中如果包含人机交互接口800，则备FPGA210控制人机交互接口800中第四总线驱动器830处于使能状态，第三总线驱动器820处于不使能状态。

进一步地，系统可以在冷备份模式与热备份模式之间切换。

1）冷备份模式切换热备份模式

开机自检若主机100和备机200均无异常，则系统进入冷备份工作模式，此时，主处理器120监控自身资源开销并通过电源控制模块500中的电压电流检测电路获取功耗信息，当资源开销过大且功耗尚有余量时，主机100控制电源控制模块500中继电器510闭合为备机供电并通过与备FPGA210互连信号线传递要求备机200工作于热备份模式的信息。备机200开机后检测互连信号线并工作于热备份模式。热备份模式下备机200同时承担部分计算工作，但不对外输出串口、网口、图像、电源控制等信息。

2）热备份模式切换冷备份模式

在热备份工作模式下，若主机100通过电源控制模块500中的电压电流检测电路检测到系统功耗超限，则可对备机200断电，系统进入冷备份工作模式。

需要说明的是，在无其他约束的情况下，上述双机冷热备份自主切换方法方法及冷备份模式与热备份模式的切换方法同样适用于多外部功能模块、多网口、多串口、多按键、多图像输出信号线的情况。

相较于现有技术，本发明第一实施例在传统冷备份和热备份技术的基础上，提出了双机冷热备份自主切换的控制与信息处理系统及方法，该系统可自主切换工作模式且主机与备机可无干涉地共用外部通信接口，避免了传统技术需要第三方机构控制系统工作模式切换的不足，更适用于单接口工作环境，在提高系统冗余度和可靠性的同时，还能自行在功耗、计算能力间达到平衡，更能有效地发挥系统效能，提高工作效率。

本发明第二实施例提供一种主备双机共用通信接口，包括驱动芯片、第一总线驱动器、第二总线驱动器、第一隔离电阻、第二隔离电阻。所述第一总线驱动器的使能端连接主机第一控制信号、备机第一控制信号，所述第二总线驱动器的使能端连接主机第二控制信号、备机第二控制信号。所述第一总线驱动器的输入端连接主机的输出信号，输出端连接所述驱动芯片的内部输入端，所述第二总线驱动器的输入端连接备机的输出信号，输出端连接所述驱动芯片的内部输入端，所述主机的输出信号、备机的输出信号经所述驱动芯片转换后输出至外部设备。所述第一隔离电阻的一端连接所述驱动芯片的内部输出端，另一端连接主机，所述第二隔离电阻的一端连接所述驱动芯片的内部输出端，另一端连接备机，外部设备发送的输入信号经所述驱动芯片转换后，经所述第一隔离电阻进入主机，经第二隔离电阻进入备机。所述驱动芯片可以为串口驱动芯片，也可以为以太网驱动芯片。

主机的输出信号连接第一总线驱动器，备机的输出信号连接第二总线驱动器，所述第一总线驱动器的使能端由主机和备机分别控制，主机和备机中有一方使能该第一总线驱动器，该第一总线驱动器即工作，所述第二总线驱动器的使能端由主机和备机分别控制，主机和备机中有一方使能该第二总线驱动器，该第二总线驱动器即工作，所述第一总线驱动器和第二总线驱动器不能同时处于使能状态。外部设备发送的输入信号经第一隔离电阻进入主机，外部设备发送的输入信号经第二隔离电阻进入备机。所述第一隔离电阻与第二隔离电阻的阻值可以根据实际应用情况而选择，本实施例中所述第一隔离电阻的阻值为100至200欧姆，所述第二隔离电阻为100至200欧姆。

请一并参见图2与图4，本发明第二实施例提供的主备双机共用通信接口作为本发明第一实施例双机冷热备份自主切换的控制与信息处理系统10的串行接口模块400以及人机交互接口800。需要指出的是，本发明第二实施例提供的主备双机共用通信接口适用于各种主备双机备份系统，而不仅限于本发明第一实施例中的双机冷热备份自主切换的控制与信息处理系统10。

相较于现有技术，本发明第二实施例提供的主备双机共用通信接口可以应用于各种主备双机备份系统，可保证主备双机无干涉地共用外部通信接口，适用于单接口工作环境，可以有效地发挥系统效能，提高工作效率。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种主备双机共用通信接口，其特征在于，包括驱动芯片、第一总线驱动器、第二总线驱动器、第一隔离电阻、第二隔离电阻；

所述第一总线驱动器的使能端连接主机第一控制信号、备机第一控制信号，所述第二总线驱动器的使能端连接主机第二控制信号、备机第二控制信号；

所述第一总线驱动器的输入端连接主机的输出信号，输出端连接所述驱动芯片的内部输入端，所述第二总线驱动器的输入端连接备机的输出信号，输出端连接所述驱动芯片的内部输入端，所述主机的输出信号、备机的输出信号经所述驱动芯片转换后输出至外部设备；

所述第一隔离电阻的一端连接所述驱动芯片的内部输出端，另一端连接主机，所述第二隔离电阻的一端连接所述驱动芯片的内部输出端，另一端连接备机，外部设备发送的输入信号经所述驱动芯片转换后，经所述第一隔离电阻进入主机，经第二隔离电阻进入备机。

2.如权利要求1所述的主备双机共用通信接口，其特征在于，所述主备双机共用通信接口的种类为串行接口，所述驱动芯片为串口驱动芯片。

3.如权利要求1所述的主备双机共用通信接口，其特征在于，所述第一隔离电阻的阻值为100至200欧姆，所述第二隔离电阻为100至200欧姆。

4.一种主备双机共用通信接口的方法，其特征在于，

主机的输出信号连接第一总线驱动器，备机的输出信号连接第二总线驱动器，所述第一总线驱动器的使能端由主机和备机分别控制，主机和备机中有一方使能该第一总线驱动器，该第一总线驱动器即工作，所述第二总线驱动器的使能端由主机和备机分别控制，主机和备机中有一方使能该第二总线驱动器，该第二总线驱动器即工作，所述第一总线驱动器和第二总线驱动器不能同时处于使能状态。

5.如权利要求4所述的主备双机共用通信接口的方法，其特征在于，

若所述主机与所述备机均正常工作，则所述主机控制所述第一总线驱动器处于使能状态、控制所述第二总线驱动器处于不使能状态；

若所述主机正常工作、所述备机异常，则所述主机控制所述第一总线驱动器处于使能状态、控制所述第二总线驱动器处于不使能状态；

若所述主机异常、所述备机正常工作，则所述备机控制所述第一总线驱动器处于不使能状态、所述第二总线驱动器处于使能状态。