单片机多机冗余设计及控制模块的VHDL语言描述

    摘要：以三个单片机组成的系统为例介绍一种单片机多机冗余容错设计。阐述设计中关键的时钟同步技术和总线仲裁方法，给出控制模块的VHDL语言描述。

    关键词：单片机 冗余容错 时钟 总线 VHDL

本文提出一种表决式单片机多机冗余设计方案。该方案不同于中央系统的多机冗余设计。大规模系统冗余大多采用完善而复杂的机间通讯协议实现系统重构，不太注重系统的实时性。本方案结构简单，易于实现，具有极强的实时性，没有电子开关切换总线的咔嗒声输出。单片机价格低廉、功能灵活，也使得该设计在类似仪器仪表的小系统中的运用成为可能。

1 设计原理

设计结构如图1所示。完成整个冗余设计的电路被置于一个核心控制模块中，如果该模块以FPGA实现也就是一块芯片。图1中单片机1、2、3被假定为冗余的三个单片机，它们的输入总线并联，接收核心控制模块中输入缓冲的输出。输出总线分别接到模块的输出总线仲裁器。核心控制模块包括输入缓冲、输出总线仲裁、电源控制、时钟产生、复位电路和报警控制输出六个部分。

1.1 输入缓冲

为了消除输入端并联输入阻抗带来的影响，在输入端增加了一级缓冲器，减小外围电路的影响。采用输入缓冲，可以实现单片机和外围电路的输入隔离。

1.2 输出总线仲裁

该总线仲裁是建立在所有单片机在时钟级上同步的基础上，通常采用总线表决法。即相同输出总线上的值作为仲裁的结构输出，不同输出总线被当作出错而封止，所有的输出皆不相同同是失败状态，无表决输出。表决的实现当然不能采用软件比较，以三个单片机系统的一位为例介绍表决方法。假设位输入变量X1、X2、X3，输出Q，状态指示：正常N、X1出错E1、X2出错E2、X3出错E3。真值表如表1所示，位仲裁单元如图2所示。

表1 真值表

X1	X2	X3	Q	E1	E2	E3
0	0	0	0	0	0	0
0	0	1	0	0	0	1
0	1	0	0	0	1	0
0	1	1	1	1	0	0
1	0	0	0	1	0	0
1	0	1	1	0	1	0
1	1	0	1	0	0	1
1	1	1	1	0	0	0

显然以上位单片机用数字电路难实现，后面给出整体的VHDL语言描述。总线仲裁由多个这样的位单元组成，个数由单片机输出总线的最大数n决定。仲裁器除了n根输出线，同时还对每个位单元的状态位进行逻辑组合输出正常、出错、失败三个状态指示。失败信号也用作报警保护控制输出，或重新复位输出。失败输出有效时输出失效。

以三个单片机的系统为例，如果将仲裁器的三个总线某一时刻输入看作为n位二进制变量X，Y，Z。如果X，Y，Z在任何时钟都逐位相同，而系统处于正常工作状态。如果三者中有两个变量逐位相同，而另一个不同，则系统处于出错状态。如果三者皆不相则系统失败。正常和出错状态可以运行，而失败状态必须保护和处理。

FPGA技术的发展，使得设计中的比较、决策等数字电路的设计实现变得非常容易，而且系统简明可靠。如果采用中规模集成电路来实现的话，将相当烦琐和复杂。

1.3 单片机时钟级同步的实现

系统的所有单片机必须达到时钟级的同步。单片机选用相同的型号（可以是不同的厂家），完全相同的程序和同一机器时钟。

同一时钟是实现时钟同步的第一步。时钟发生电路在控制模块内产生并送到各单片机的时钟输入端，要求单片机可外接时钟输入。时钟同步并不容易，以89C51为例，51系列单片机上电后振荡器起振输出，ALE脉冲由时钟经分频电路得到，一旦形成，机器周期脉冲和时钟脉冲相位关系固定，不受复位电路影响，直到电源掉电为止。

第二步是实现机器周期脉冲同步。MCS51一个机器周期包括6个状态周期，每个状态周期包括2个节拍，对应2个时钟节拍有效期。也就是说一个机器周期包括12个振荡周期，指令工作在时钟节拍上，同时更是同步工作在机器周期上。不论是单字节指令还是双字节指令，指令周期均是机器周期的1、2、4倍。要同步单片机节拍，必须同步机器周期。考虑到上电时间上可能产生的差异，采用先上电后加时钟脉冲的方法。上电时确保时钟输入端没有干扰脉冲引入，所有单片机上电后的内部分频电路起始点一致，然后加入时钟脉冲，各单片机获得同步的机器周期。

第三步是同步指令周期。指令的同步需要依靠复位电路来实现。在时钟脉冲正常输入和分频电路正常工作的情况下，复位操作是在复位端加上至少2个机器周期的复位电平而实现的。复位信号由核心控制器发出送至每片单片机。复位后，统一了片内主要寄存器内容，所有单片机程序从起始位置开始执行。

单片机时钟级同步的实现主要依靠电源控制、时钟产生、复位电路三部分硬件。

1.3.1 电源控制

三个单片机的供电电源由控制模块控制。主控远件需要保证足够电流容量，可采用功率三极管或场效应管实现。不能采用继电器在，以避免触点电源跳变。

1.3.2 时钟产生

晶体振荡器输出脉冲作为单片机时钟，中间增加可控的缓冲级。缓冲级可以增加时钟信号的输出负载能力，并可被控制模块控制。

1.3.3 复位电路

三个单片机的复位端并联接至同一个复位端。复位信号在信号极性和脉冲宽度上满足单片机复位要求，驱动能力满足多单片机需要。复位电路同样是受控于控制模块，用以实现单片机同步。

1.4 报警与控制

不同状态下核心控制模块有不同的信号输出，异常状态同时也是报警信号。正常状态输出绿灯，出错状态输出黄灯，失败状态输出红灯。黄灯输出时系统可以暂时继续工作，等到系统空闲或许可时进行纠错。红灯输出时系统立即进入保护状态，输出端呈现高阻状态，需要时可以马上纠错，恢复系统。

系统恢复需要对控制模块进行复位，复位脉冲可以是自身的失败状态输出，也可以是出错脉冲输出和其他信号的组合逻辑。控制模块的复位，实际是对各单片机重新进行时序对齐和复位单片机程序。此处设计需结合具体使用场合考虑。

2 控制模块的VHDL语言描述

本控制模块主要采用VHDL语言进行描述。

library ieee;

use ieee.std_1164.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

Entity redu_control is

Port (a_bus,b_bus,c_bus:in std_logic_vector(7-三输入总线，--本设计定为8位)

o_bus: out std_logic_vector(7 downto 0);--8位输出总线

error_out,fail_out:out std_logic;--出错、失败输出

reset_in，clock_in: in std_logic;--复位、时钟输入

power,clock,reset:out std_logic；--电源、时钟、复位输出

）

end；

architecture control_pro of redu_control_is

signal int: std_logic;

begin

bus_pro:process(a_bus,b_bus,c_bus) -总线控制过程

begin

if a_bus=b_bus then

o+bus<=a_bus;

if a_bus=c_bus then - 正常输出

error_out<='0'；

fail_out<='0';

else

error_out<='1'; --给出出错信号

fail_out='0';

end if

elsif a_bus=c_bus then

o_bus<=a_bus;

error_out<='1'; --给出出错信号

fail_out<='0';

elsif b_bus=c_bus then -不同的出错情况

o_bus<=b_bus;

error_out<='1';

fail_out<='0';

else --失败输出

o_bus<=(others=>'z');

fail_out<='1';

end if

end process bus_pro; --总线过程结束

start_pro process -启动过程

begin

wait until reset_in='1'; --等待外部复位启动

power<='0'；

clock<='0'；

reset<='0'; --停止电源、时钟、复位输出

power<='1' after 3 s; --3s后输出电源信号

clock<=clock_in after 6 s; --6s后输出时钟信号

reset<='1' after 9 s；--9s后输出复位信号

reset<='0'after 10 s；--复位信号回到高电平

end process start_pro；--启动过程结束

end；

本文所述的时钟对齐方法实现比较简单但并不唯一。复杂一点的方法可以采用不同时钟输出到不同单片机，比较反馈后，调整时钟输出个数达到调节目标。