CN108958988A - 一种带冗余复位与冗余控制功能的最小单片机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种带冗余复位与冗余控制功能的最小单片机系统，包括两套最小单片机系统，分为主、辅最小单片机系统，每套最小单片机系统由一个单片机、一个晶振电路、一个看门狗电路、一个静态存储器电路、一个输入通道电路、一个输出通道电路组成。两套最小单片机系统互为冗余设计。主最小单片机系统实现产品的主要功能，辅最小单片机系统实现产品的辅助功能，两套最小单片机系统分别按照自己的设计功能运行。当主最小单片机系统不能正常运行时，既可以通过自己的看门狗电路唤醒，又可以通过辅最小单片机系统的看门狗电路唤醒。当主最小单片机系统彻底损坏时，应急情况下，辅最小单片机系统可以对主最小单片机的主要功能进行冗余。

Description

一种带冗余复位与冗余控制功能的最小单片机系统
技术领域
本发明属于单片机应用技术领域，尤其是涉及一种带冗余复位与冗余控制功能的最小单片机系统。
背景技术
在目前的智能设备、工业控制、测试技术等技术领域，几乎都离不开单片机系统的应用与设计。随着数字与智能化技术的发展，单片机技术日益得到推广，而且单片机系统的可靠性已经提高了很多，但是由于电子产品使用的元器件数量多、种类多、易受电气环境/自然环境的影响，其可靠性问题仍然不能令人满意。
传统的单片机应用系统，往往只有一个单片机系统，亦即本发明所提到的主最小单片机系统，在主最小单片机系统的基础上进行各种功能模块的扩展，形成了一个完整的电子产品。单片机的硬件故障、软件BUG都是导致单片机系统可靠性的致命因素。
综上所述，需要提供一种单片机系统，不仅可以解决单片机硬件故障带来的产品功能失效问题，而且可以解决单片机软件问题带来的性能不良问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种带冗余复位与冗余控制功能的最小单片机系统，以提高产品的可靠性。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种带冗余复位与冗余控制功能的最小单片机系统，包括互为冗余的主最小单片机系统和辅最小单片机系统，所述主最小单片机系统包括主单片机和与其信号连接的一个晶振电路、一个看门狗电路、一个静态存储器电路、一个输入通道电路、一个输出通道电路；所述辅最小单片机系统包括辅单片机和与其信号连接的一个晶振电路、一个看门狗电路、一个静态存储器电路、一个输入通道电路、一个输出通道电路；
当正常运行时，主最小单片机系统和辅最小单片机系统分别按照其功能设计运行；
当主最小单片机系统不能正常运行时，首先通过其看门狗电路对主单片机进行热复位，使其恢复正常运行；若失败，则通过辅最小单片机系统发出复位信号对主最小单片机系统进行热复位，使主最小单片机系统恢复运行；
当主最小单片机系统彻底损坏时，主、辅最小单片机系统的看门狗电路均不能对其唤醒，则通过辅最小单片机系统实现主最小单片机的主要功能。
进一步的，所述主最小单片机系统的静态存储器电路和辅最小单片机系统的静态存储器电路采用一个共用的双端静态存储器芯片，用于交互主、辅最小单片机系统的数据；所述主最小单片机系统的看门狗电路和辅最小单片机系统的看门狗电路均包括一个看门狗芯片，两个看门狗芯片通过同一个两输入与门芯片分别连接主单片机与辅单片机的复位引脚。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
(1)采用冗余设计，不仅可以解决单片机硬件故障带来的产品功能失效问题，而且可以解决单片机软件问题带来的性能不良问题；
(2)采用冗余设计，可以实现主、辅最小单片机系统互为唤醒功能；
(3)采用冗余设计，应急情况下，辅最小单片机系统可以代替主最小单片机系统，保持产品的部分主要功能；
(4)采用冗余设计，产品可靠性得到提高，特别适用于安全性要求高的系统或设备；
(5)采用主、辅最小单片机系统的冗余设计方法，用较少的元器件实现了产品的冗余，成本低，效益大，降低了用户的采购成本，用户不再为了应急，专门采购两套同样的设备。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的电路图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明实施例的一种带冗余复位与冗余控制功能的最小单片机系统，如图1所示，包括两套最小单片机系统，分别为主最小单片机系统和辅最小单片机系统，每套最小单片机系统由一个单片机、一个晶振电路、一个看门狗电路、一个静态存储器电路、一个输入通道电路、一个输出通道电路组成。
所述主最小单片机系统，包括：单片机U1；由晶振Y1、电容C1、电容C2组成的晶振电路；由看门狗芯片U6、电容C5、电容C6、电阻R1、电阻R2以及两输入与门芯片U8组成的看门狗电路；地址数据锁存芯片U4；双端静态存储器芯片U3、输入通道电阻R5、输出通道电阻R7。所述主最小单片机系统实现产品的主要功能，如信号采集、输入输出控制、智能运算等。
所述辅最小单片机系统，包括：单片机U2；由晶振Y2、电容C3、电容C4组成的晶振电路；由看门狗芯片U7、电容C7、电容C8、电阻R3、电阻R4以及两输入与门芯片U8组成的看门狗电路；地址数据锁存芯片U5；双端静态存储器芯片U3、输入通道电阻R6、输出通道电阻R8。所述辅最小单片机系统实现产品的辅助功能，如数据存储、记录、标定、通讯等。
上述两输入与门芯片U8、双端静态存储器芯片U3为主、辅最小单片机系统共用电路。
所述主最小单片机系统的具体的电路连接关系为：单片机U1的第1、37管脚接电源VCC；第14、36、68管脚接电源地GND；第66、67管脚之间连接晶振Y1；晶振Y1的两个管脚分别通过电容C1、C2接电源地GND；U1的第62管脚接U4的第11管脚；U1的第60、59、58、57、56、55、54、53管脚分别接U4的第3、4、7、8、13、14、17、18管脚，同时与U3的第6、7、8、9、10、11、12、13管脚相连；U1的第52、51、50管脚分别接U3的第14、15、4管脚；U1的第22、61、40管脚分别接U3的第1、5、2管脚；U1的第16、21管脚分别接U8的第3、5管脚；外部输入信号通过电阻R5与U1的第24管脚相连；U1的第29管脚通过电阻R7与外部输出信号相连；U6的第8管脚接电源VCC；U6的第2、5管脚接电源地GND；U6的第3、4管脚分别通过电容C5、C6接电源地GND；U6的第1管脚通过电阻R1接电源VCC；U6的第1管脚通过电阻R2接电源地GND；U6的第7管脚接U8的第1管脚；U4的第20管脚接电源VCC；U4的第1、10管脚接电源地GND；U4的第2、5、6、9、12、15、16、19管脚分别接U3的第16、17、18、19、20、21、22、23管脚。
所述辅最小单片机系统的具体的电路连接关系为：单片机U2的第8、11、14、28、37、64、90管脚接电源VCC；第9、10、13、38、63、89管脚接电源地GND；第12、15、17管脚短接；第26、27管脚之间连接晶振Y2；晶振Y2的两个管脚分别通过电容C3、C4接电源地GND；U2的第93管脚接U5的第11管脚；U2的第80、79、78、77、76、75、74、73管脚分别接U5的第3、4、7、8、13、14、17、18管脚，同时与U3的第42、41、40、9、38、37、36、35管脚相连；U2的第72、71、70管脚分别接U3的第34、33、44管脚；U2的第54、92、91管脚分别接U3的第47、43、46管脚；U2的第5、57管脚分别接U8的第6、2管脚；外部输入信号通过电阻R6与U2的第60管脚相连；U2的第62管脚通过电阻R8与外部输出信号相连；U7的第8管脚接电源VCC；U7的第2、5管脚接电源地GND；U7的第3、4管脚分别通过电容C7、C8接电源地GND；U7的第1管脚通过电阻R3接电源VCC；U7的第1管脚通过电阻R4接电源地GND；U7的第7管脚接U8的第4管脚；U5的第20管脚接电源VCC；U5的第1、10管脚接电源地GND；U5的第2、5、6、9、12、15、16、19管脚分别接U3的第25、26、27、28、29、30、31、32管脚。
所述主、辅最小单片机系统的共用电路：双端静态存储器芯片U3的第48管脚接电源VCC；U3的第24管脚接电源地GND；两输入与门芯片U8的第14管脚接电源VCC；U8的第7管脚接电源地GND，U8的第8、9、10、11、12、13管脚空脚。
芯片选择：
所述主最小单片机系统:单片机U1为主控芯片，选用80C196；芯片U4用于分时复用地址数据总线，选用74LS373；看门狗芯片U6用于复位单片机U1，选用MAX6301；晶振Y1选用8MHz的晶体振荡器；电容C1、C2、C5、C6选用瓷片电容；电阻R5、R7、R1、R2选用贴片电阻。
所述辅最小单片机系统:单片机U2为主控芯片，选用C8051F040；芯片U5用于分时复用地址数据总线，选用74LS373；看门狗芯片U7用于复位单片机U2，选用MAX6301；晶振Y2选用22.1184MHz的晶体振荡器；电容C3、C4、C7、C8选用瓷片电容；电阻R6、R8、R3、R4选用贴片电阻。
所述主、辅最小单片机系统共用电路：双端静态存储器芯片U3用于交互主辅最小单片机系统的数据，选用IDT7132；两输入与门芯片U8用于产生冗余的复位信号，选用74HC08。
本发明的工作原理：
本发明主要针对的是主最小单片机系统在不同情况下，辅最小单片机系统对它的功能冗余，主最小单片机系统的不同情况主要包含：正常情况；系统不能正常运行但依靠自身的看门狗电路可以自行唤醒；系统不能正常运行且依靠自身的看门狗电路不能自行唤醒，但依靠辅最小单片机系统的看门狗电路能够唤醒；系统彻底损坏，主辅最小单片机看门狗电路均不能对其唤醒。
在正常情况下，主、辅最小单片机系统分别按照自己的设计功能运行。主最小单片机系统实现产品的主要功能，比如信号采集、输入输出控制、智能运算等；辅最小单片机系统实现产品的辅助功能，比如数据存储、记录、标定、通讯等。一方面，主、辅最小单片机系统分别定时输出喂食信号给看门狗芯片U6、U7的第6管脚(信号网络名为A_P10、B_P0.7)，U6、U7的第7管脚(信号网络名为A_RST、B_RST)输出高电平信号给U8的第1、4管脚。另一方面，主、辅最小单片机系统通过双端静态存储器芯片U3的数据共享、传输以及对双方传输数据的合理性判断，数据正常时，单片机U1的第21管脚(信号网络名为A_TO_B_RST)输出高电平信号给U8的第5管脚；单片机U2的第57管脚(信号网络名为B_TO_A_RST)输出高电平信号给U8的第2管脚。综合上述两个方面，由于U8具有双输入与门功能：U8的第1、2管脚均为高电平，其输出第3管脚(信号网络名为A_RESET)也为高电平；U8的第4、5管脚均为高电平，其输出第6管脚(信号网络名为B_RESET)也为高电平。单片机U1、U2没有得到有效的低电平复位信号，二者维持正常的运行状态。
当主最小单片机系统不能正常运行但依靠自身的看门狗电路可以自行唤醒时：主最小单片机系统不能定时输出喂食信号给看门狗芯片U6的第6管脚(信号网络名为A_P10)，U6的第7管脚(信号网络名为A_RST)输出低电平信号给U8的第1管脚，由于U8的双输入与门功能，U8的第3管脚(信号网络名为A_RESET)输出有效的低电平复位信号给单片机U1的第16管脚，最终U1复位后又可以重新进入正常运行状态。
当主最小单片机系统不能正常运行且依靠自身的看门狗电路不能自行唤醒，但依靠辅最小单片机系统的看门狗电路能够唤醒时：一方面，主最小单片机系统由于某些不确定因素不能正常运行，而且其看门狗电路发生故障时，看门狗芯片U6的第7管脚(信号网络名为A_RST)不能输出低电平信号给U8的第1管脚；另一方面，辅最小单片机系统可以正常运行，通过对双端静态存储器芯片U3的访问，可以获取主最小单片机系统的数据，并做出合理性判断。当判断为数据错误时，单片机U2的第57管脚(信号网络名为B_TO_A_RST)输出低电平信号给U8的第2管脚，由于U8的双输入与门功能，U8的第3管脚(信号网络名为A_RESET)输出有效的低电平复位信号给单片机U1的第16管脚，最终U1复位后又可以重新进入正常运行状态。
当主最小单片机系统彻底损坏时，主辅最小单片机系统看门狗电路均不能对其唤醒时：辅最小单片机系统可以起到冗余作用，且系统可以进入应急工作状态。在应急工作状态下，主、辅最小单片机系统利用输入输出通道的冗余设计以及控制软件的冗余设计功能，辅最小单片机系统可以替代主最小单片机系统的部分主要功能，以满足用户的应急使用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种带冗余复位与冗余控制功能的最小单片机系统，其特征在于：包括互为冗余的主最小单片机系统和辅最小单片机系统，所述主最小单片机系统包括主单片机和与其信号连接的一个晶振电路、一个看门狗电路、一个静态存储器电路、一个输入通道电路、一个输出通道电路；所述辅最小单片机系统包括辅单片机和与其信号连接的一个晶振电路、一个看门狗电路、一个静态存储器电路、一个输入通道电路、一个输出通道电路；
当正常运行时，主最小单片机系统和辅最小单片机系统分别按照其功能设计运行；
当主最小单片机系统不能正常运行时，首先通过其看门狗电路对主单片机进行热复位，使其恢复正常运行；若失败，则通过辅最小单片机系统发出复位信号对主最小单片机系统进行热复位，使主最小单片机系统恢复运行；
当主最小单片机系统彻底损坏时，主、辅最小单片机系统的看门狗电路均不能对其唤醒，则通过辅最小单片机系统实现主最小单片机的主要功能。
2.根据权利要求1所述的一种带冗余复位与冗余控制功能的最小单片机系统，其特征在于：所述主最小单片机系统的静态存储器电路和辅最小单片机系统的静态存储器电路采用一个共用的双端静态存储器芯片，用于交互主、辅最小单片机系统的数据；
所述主最小单片机系统的看门狗电路和辅最小单片机系统的看门狗电路均包括一个看门狗芯片，两个看门狗芯片通过同一个两输入与门芯片分别连接主单片机与辅单片机的复位引脚。
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