基于双DSP的切换及控制系统设计

1、测控技术）年第卷第期基于双的切换及控制系统设计强宁，一，郭迎清（西北工业大学动力与能源学院，陕西西安；陕西师范大学物理学与信息技术学院，陕西西安）摘要：为了满足重要系统的高可靠性要求，特设计了一种双容错控制系统。本系统中两个彼此独立运行，采用硬件判决模块配合软件进行硬件和软件故障诊断，再根据硬件判决模块的结果由仲裁切换模块来进行仲裁，并完成输出切换和报警功能，从而实现容错控制，显著提高了控制系统的可靠性。关键词：双；故障诊断；切换；控制中图分类号：文献标识码：文章编号：（）一一，（，；，）：，薯，：；，；随着越来越多的电子产品将数字信号处理（）作为技术核心，已经成为推动数字化进程的动力。由于其

2、强大的数字信号处理和逻辑控制能力，在控制领域的应用也越来越广泛。由于控制系统越来越复杂，性能要求越来越高，以及工作环境恶劣，电磁干扰等原因，保证系统能正确稳定的运行就非常重要。显然，采用双冗余设计就是非常有效的一种解决方案。设计采用片公司的作为核心控制器，它是目前市场上最先进，功能最强大的芯片之一。它既有数字信号处理能力，又具有强大事件管理能力和嵌入式控制功能，同时其对语言的高编译效率，使得软件开发周期大大缩短。主频达到，具有位路，大容量的片上，丰富且功能强大的外设模块。双采用双口实现双机通信和数据共享。设计硬件故障诊断及切换电路来诊断软硬件故障以及进行输出切换，并支持手动切换。时给两个发出信

3、号保证双机在任务上同步。双各有一套故障诊断电路来判断当前的状态，当发生硬件或软件故障时，故障诊断电路都会做出反应更改相应的状态信号，然后送给切换模块，双的输出都送给切换模块，切换模块根据故障诊断电路给出的状态信号判断是否需要进行切换。当某一发生故障时，系统会自动切换，只有在双都正常工作时才可以手动切换。双采用双口通信和数据共享，双口的特点在于具有两组相互独立的地址线，数据线和控制线，片内包含的控制逻辑能很好地解决双机数据和信息交流问题，提供了灵活多变的控制信号传递方式，使得设计难度降低，可靠性大大提高。当某故障后可以直接取下维修，系统重构时维修后的可以直接获得正常的信息从而马上投入正常的工作。

4、双控制系统结构如图所示为该双系统的结构。双互为热备份，彼此独立运行。双机同时接收传感器信号，然后同时进行数据的采集和处理。为使双通道同步工作，采用外触发的方式触发中断，将数据采集和处理程序都放在中断服务程序中，中断源同电源。厂？仲裁切换电路收稿期：一作者简介：强宁（一），男，陕西礼泉人，助教，在读硕士研究生。主要研究方向为控制理论与控制工程；郭迎清，男，教授，博士生导师，主要研究方向为航空推进系统控制、控制理论与控制工程。心咄矿父一夕图双控制系统结构基于双的切换及控制系统设计故障诊断及切换电路故障诊断电路如图为在中所画的故障诊断及切换电路原理图（由于图幅过大省略了手动切换电路）。在正常工作时，

5、其引脚的电平总在不断变化，且为周期时钟信号，默认情况下其频率为主频率的，当发生硬件故障时往往会造成引脚不正常，根据此特征设计硬件电路来检测该引脚，只要发现其不再周期变化即认为该故障。为双可再触发多谐振荡器，当输入为时钟信号时，其反向输出可产生负脉冲，可以调节外加电容电阻的值来设定负脉冲的宽度，当负脉冲宽度大于输入时钟的一个周期并小于两个周期时，输出不再为负脉冲序列，而是一个低电平。当输入时钟信号突然不再发生高低电平变化时，输出在最后一个负脉冲结束后跳转为高电平。由于频率较大，先采用计数器来放大的周期再送入。图故障诊断模块原理图一般来说系统的硬件故障比较少见，更常见的故障是软件故障，如程序跑飞，

6、死循环，不进入中断等。针对常见的软件故障，在主程序的入口处加入一个控制的程序，是的通用输入输出接，可以方便地和外界通信，软件控制其中一个引脚为周期高低电平变化，然后用硬件判决模块来诊断这个引脚，如果发生软件故障程序无法正常运行，将不再控制该引脚变化，其诊断原理和诊断完全相同。部分程序如下：（）；如图所示电路，图右侧是仲裁切换电路。其切换原理是这样的：的引脚信号通过送入，引脚信号直接送入，两个的反向输出通过一个或门后加在一个触发器上，当任意一个故障发生时，触发器的输入由低电平变为高电平，为一个上升沿，所以其输出（）会由上电时的高电平变为低电平，该信号经过手动切换电路后变为控制信号（）控制切换模块

7、的输出。值得注意的是在每一个触发器的端设计了一个延时电路，因为在系统上电时的输出会有一个短暂的高电平，然后稳定为低电平，为了不影响切换电路，只要设计该电路的延时时间大于，的输入信号周期，触发器开始工作时其输入已经稳定为低电平了。切换采用高速模拟开关，如图所示的控制端均接的控制信号，的输出接，的输出接，当和均正常时，输出为的输出，当（”舾”）；（）；（）；故障，正常时，输出为的输出，当（）；（）；为配置程序。该引脚的频率是软件设定的，根据其频率来设置相应的外接电容电阻，使得正常控制该引脚周期变化时相应的输出为低电平。对于另一类软件故障，程序可正常运行但是数据不正常（例如传感器故障造成的数据错误）

8、可采用设置数据门限，当数据超出正常的范围时，可通过软件禁止的输出（对的第位置）。采用这两种软件故障诊断方法都使用了和硬件故障诊断相同的硬件，避免了加入新的硬件而对系统的可靠性产生影响。切换电路正常，故障时，输出仍为的输出，当和均故障时，两个状态信号均为高电平，通过与门后仍为高电平送入的使能端禁止输出，同时设计发光二极管来指示当前的状态。图所示为手动切换电路，该电路中的和接图中触发器的输出，然后由和控制即可。手动切换只有在双都正常时才有效，即和都为，此时当开关状态为时，为，为，为主机；当开关状态为时，为，为，为主机。当某一故障时，若为，为，无论开关状态如何为，为；若为，为，无论开关状态如何，为，

9、为。当和均为时和也均为，代表双机都故障，此时和：测控技术）年第卷第期图手动切换电路经过与门后为高电平送往）的使能端禁止输出。表为双机切换逻辑真值表。根据图得到：双机同步设计两个中运行相同的程序，如图为中的主程序和中断服务程序。主程序无限循环，在循环中完成相应的功能。系统的中断是定时产生的，中断周期就是控制系统要求的周期，中断服务程序处理实时事件：数据采集，滤波，运算，输出。为了实现双机的同步运行，采用一个外部硬件中断源来同时触发双中断是一个很好的方法。的外部引脚接收中断源信号，此引脚的触发极性是可编程的，由的控制寄存器的位设置，若该位为，则以下降沿触发，若该位为，则以上升沿触发。是一款由研华公

10、司生产的总线数据采集卡，它能够为及其兼容系统已死襄双机切换逻辑真值表（上接第页）由此可以看出，排队导致的数据链路延时要远远大于智能节点的软件延时和帧延时；数据链路延时占整个系统延时的以上，成为影响系统实时性的主导因素；随着网络负载的增大，数据链路延时级数增大，因此，应通过改善网络负载来减少数据链路延时，从而改进系统实时性。载，都可以有效减少排队等待时间，提高系统实时性。因为网络通信延时远远大于软件延时，可以通过改进网络控制算法，必要时可以增加工作量来均衡网络负载，换取低网络延时，从而提高系统实时性。参考文献：黄金泉，徐科航空发动机分布式控制系统结构分析航空动结论通过对基于和总线的航空发动机分布

11、式控制系力学报，（）：，统中一个节点从接收到输入信号到经过处理发出控制信号到总线的完整过程的分析，得出如下结论：，（）唐红卫，王昌明，吕宁总线控制网络实时性分析工业控制计算机，（）：分布式系统产生延时的主要环节有控制器本身的软件延时、数据链路延时、帧延时。饶运涛，邹继军，郑勇芸现场总线原理与应用技术北京：北京航空航天大学出版社，各个环节延时对系统实时性影响大小依次为：数据链路延时、帧延时、软件延时。其中，数据链路延时和帧延时都是由通信导致的延时，所以提高航空发动机分布式系统实时性应着重于改进通信网络协议，减少网络延时。影响数据链路延时最主要的因素是网络负载。所以通过改进网络协议，减少网络上的冗

12、余数据量、均衡网络负徐科，黄金泉，张天宏，蒋文亮基于的航空发动机转速传感器设计推进技术。，（），口基于双的切换及控制系统设计提供种最需要的测量与控制功能。这些功能包括：转换、转换、数字量输入、数字量输出，以及计数器定时器功能。尤为重要的是还具有较强的编程功能，可使用、等高级开发语言对数据卡进行编程，使其能够对两种或两种以上数据进行快速采集。双的外触发中断源由数据采集卡提供。将卡插入一台工控机中，就可以在工控机中编程用软件来控制【广产生需要的周期信号，并用此信号触发双控制器中相应的中断服务程序。能够提供开关量输出（输出），所以本设计选择使用一条通道来产生周期方波信号。其具体程序如下：（，）；打开

13、装置号为的数采卡；（）；（，（）；：；选择输出电平为低电平（。（）；延时使之输出脉冲信号；选择端口；选择通道选择输出电平为高电平系统上电硬件初始化循环等待中断控制，与上位机通信）图主程序及中断服务程序通过上述方法，即可实现双的外部触发，在中断服务该双控制系统设蓼独特，双机同步运行号彼此独立，证了双机同步运行，可广泛应用于高可靠性要求的控制系统。该方案在本教研室设计的双发动机控制系统半物理仿真实验中取得了满意的效果，在实验中发动机采用发动机模型仿真计算机，仿真机采用与双通信，并利用它产生周期信号来触发双中断，保证双机同步运行。参考文献：，（）：一，（）：魏光杏，尹汪宏用对计算机硬中断的实现安徽电

14、子信息职业技术学院学报，（）：胡寿松自动控制原理北京：国防工业出版社，樊思齐，等航空推进系统控制西安：西北工业大学出版社，侯媛彬，等系统辩识及其仿真北京：科学出版社，戴峰程序设计基础北京：清华大学出版社，郭迎清，王海泉涡扇发动机模型辨识及其控制器设计现代制造工程，（）：，口研华自动化推出网络型人机界面研华自动化推出具有强劲网络功能的新一代产品网络型人机界面（）。硬件采用研华的工业平板电脑（）和嵌入式无风扇工业电脑（），内置功能强大的网络化组态软件研华嵌入版，预装操作系统。新一代产品除具有传统人机界面和触摸屏的稳定、实时、开发快捷等性能外，还具有（客户端完全管理）、中央数据管理、远程组态、高级语

15、言接口等新特性。主要特性是：基于浏览器的组态，使远程开发与本地完全一致；支持个客户端，远程控制画面与本地完全同步；可配置中央数据库，现场多台人机界面数据完全整合；成熟的工业设计，低功耗、无风扇、高强度、耐腐蚀，前面板符合防护标准；超强的表现力，真彩色、高亮度，支持矢量图、位图、动画；丰富的外部连接，内置多种、仪表驱动，支持；灵活的高级访问，支持脚本、支持外挂，提供接口访问。：产品主要应用在电子制造、电力设备、纺织机械、塑料机械、橡胶机械、包装机械、印刷机械、重型机械等行业。；口（；）；（，（）；程序中完成数据的采集、滤波、运算和输出，保证了双机在任务上能始终保持同步。结束语硬件切换电路结构简单

16、可靠性高，采用外部触发中断很好地保基于双DSP的切换及控制系统设计作者：作者单位：强宁， 郭迎清， QIANG Ning， GUO Ying-qing强宁,QIANG Ning(西北工业大学动力与能源学院,陕西西安,710072;陕西师范大学物理学与信息技术学院,陕西西安,710062)， 郭迎清,GUO Ying-qing(西北工业大学动力与能源学院,陕西西安,710072)测控技术MEASUREMENT & CONTROL TECHNOLOGY2008，27(6)0次刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：参考文献(8条)1.Battaiotto P E.Puleston P E A wi

17、nd turbine emulator based on a dual DSP processor system 1996(4)2.Wattanapongskorn N.Coit D W Fault-tolerant embedded system design and optimization consideringreliability estimation uncertainty 2007(4)4.胡寿松 自动控制原理 19945.樊思齐 航空推进系统控制 19956.侯媛彬 系统辩识及其MATLAB仿真 20047.戴峰 Visual C+程序设计基础 2001相似文献(4条)为了保证

18、空间光通信图像处理系统快速、稳定处理CCD(charge couple device)图像和与上位机进行数据交换,设计了基于HPI(Host PortInterface)的主一从机系统.通过从机提供的HPI主机实现从机与上位机间的数据交换;从机程序HPI引导加我:对从机的故障诊断和系统测评.介绍了HPI硬件设计原理和系统软件设计基本思想.2.期刊论文 强宁.Qiang Ning 基于双DSP的航空发动机电子控制器设计及仿真验证 -现代制造工程2008(5)针对航空发动机控制系统的高可靠性要求,设计了一种基于双DsP的航空发动机容错电子控制器.在本系统中两个数字信号处理器(DsP)彼此独立运行,采用硬件判决模块配合DsP软件进行硬件和软件故障的诊断,再根据硬件判决模块的结果由仲裁切换模块来进行仲裁,并完成输出切换和报警功能,从而实现容错控制,显著提高了控制系统的可靠性.并通过半物理仿真实验验证了系统的可行性.本文针对复杂场景下高速动目标的快速识别与跟踪,提出构建主从式超高速并行处理体系实现系统任务分解,满足超高速实时处理需求的设计思想