串口通信在双机冗余系统中应用

串口通信在双机冗余系统中应用

摘要：本文扼要分析了当今带专用检测转换电路的双机冗余系统

存在的可靠性问题，提出了利用双机的串行口代替专用检测转换电路,

通过串行通信相互检测主备机工作状态，由软件完成备机切换成主机

的新型设计思想，为计算机在工业实时监控系统应用中的可靠性开辟

新思路。

关键词：双机冗余软件切换

1、引言

冗余技术是计算机系统可靠性设计中常用的一种技术，是提高计

算机系统可靠性的最有效方法，同时也是鉴别各类计算机控制系统好

坏的标志之一。故世界各地厂商推出的新产品都或多或少带有冗余技

术。如美国的Honeywell、德国的西门子和日本的三武等，它们都有

一个共同的特点，就是自己设计了专用检测转换电路来实现主备切换。

本文提出一种新的构思，取消专用检测转换电路，采用一种高效、实

用的软件冗余技术来完成双机切换。

2^冗余系统介绍

双机冗余包括CPU、扩展电路、电源和外设双备份的全系统冗余，

不但可简化设计方案，还可大大地提高应用系统的可靠性。这种冗余

系统具有如图1所示的典型硬件结构。

在图1所示的系统中，U1和U2单元的软硬件结构完全相同。如

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有必要，在设计各单元时，通过采用自诊断技大，软件陷井或Watch

dog等系统自行恢复措施可使单元可靠性达到最大限度的提高。系统

正常运行时，U1和U2中的一个单元处于正常工作状态（把该单元称

为主机），完成应用功能，而另一个单元（备机）处于等待备用状态。

当检测转换电路检测到主机不能正常工作时，自动启动备机进入正常

运行状态，完成应用功能。此时，可对故障单元进行脱线维护，在排

除其故障后，可使其联机进入等待备用状态。显然，这种冗余系统已

大大提高了应用系统的可靠性，并基本保证了应用系统的不间断运行。

但仔细分析，就会发现它存在以下不足之处：

①系统存在可靠性瓶颈，当检测转换电路自身出现故障时，不

能监视主备机状态，也无法完成主备机自动切换功能；

②对于某些冗余系统，当备机需耍实时保留主机之间的数据备

份时，检测转换电路无法完成主备机之间的数据通信功能：

③由于需要设计检测转换电路，系统设计和实现复杂，引入了

附加的不可靠因素°

3、改进设计方案

针对图1所示的双机冗余系统结构和缺点，笔者实现了一个简单

高效、具有更高可靠性和主备机数据通信功能的改进设计方案。其基

本设计思想是：不改变上述冗余系统的基本结构，但完全去掉专用的

检测转换电路，利用主备机双方的串行口和软件相结合的方法，实现

检测转换电路的功能和主备机之间的数据通信功能。在此改进的设计

方案中，主备单元的硬件和软件结构完全相同，各单元的主备工作状

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态由上电顺序决定，先上电的一方自动进入主机工作状态，后上电者

则进入备机状态。主机在其工作过程中除实现应用功能外，定期向备

机发送反映其工作正常的状态数据，当需要备份的数据发生变化时,

主机及时向备机发送已更新的数据。此外，主机也定期接收来自备机

的状态数据，当发生接收超时时，主机认为备机已经发生故障，并通

过本单元的显示装置向用户给出通知信号，以便及时对备机进行脱线

维护。备机在其工作过程中不完成应用功能，但定期接收来自主机的

状态数据，当发生接收超时，备机认为主机以经发生故障，自动切换

进入主机工作状态，并通过本单元显示装置通知用户，以便对原主机

单元进行脱线维护。此外，备机还自动接收来自主机的备份数据并进

行存储备份。

4、软件模板

下面的软件模板给出了笔者已实现的双机冗余系统的软件框架,

和应用系统实现密切相关的部分用自然语言简单描述，其余部分为

VisualC++源代码，因此，这一软件模板很容易移植到相似结构的冗

余系统中。

该软件模板以VisualC++进行程序设计,常量OK,REQ,ACK和

NACK分别表示主备机工作状态正常，备份数据发送请求，肯定应答

和否定应答信息的字符常量，MAIN,STANDBY分别是表示工作单元为

主机或备机的常量标志。全局变量timeout用于设定以毫秒为单位的

超时间隔，而Update,CpuStatus和Failure分别是表示备份数据是

否更新，主备机状态和主备机是否发生故障的标志位变量。

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send.frame函数关闭定时器1的中断并发送备份数据帧。当备机的

前台监控例程判断出需要接收备份数据时，调用receive.frame函数

关闭定时器1的中断并接收备份数据帧。当备机的前台监控例程监视

到主机故障时，备机的前台监控循环自动切换进入主机的前台监控循

环。主函数中的监控切换代码较难理解，应结合并发执行的定时器1

的中断服务程序一起分析。

函数sendchar和receivechar通过串行口直接发送和接收单

个字符。函数send_framc和roccive_franie分别发送和接收备份数

据帧。VC++中用通讯控件开发串行通信程序，通讯控件的工作原理类

似与中断方式，当有通讯事件发生时(如发送数据、接收数据等)，

就会触发OnConun事件，在该事件的处理函数中调用GetCommEvont()

函数，通过返回值即可确定是那类事件，再作出相应的处理。通信成

功时返回1,否则返回0。Delay为以毫秒数为调用参数的延时函数。

限于篇幅，本文仅给出完成检测切换功能的主函数和定时器1的

中断服务函数，以及相关数据的代码，其它函数仅给出函数原型u代

码如下：

^include"stdafx.h〃

ttinclude"Try.h"

#include"TryDoc.h〃

#include"TryView.h"

#include

#include

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#include

ttinclude

#include

inttimeout;

boolUpdate,Failure;

charCpuStatus[12],

voiddelay(unsignedinttime);

voidCTryDlg::Sond_char(unsignedcharch)

(

if(!mComm.GetPortOpen())

(

m_Comm.SetPortOpen(TRUE);〃打开串口

mComm.SetOutput(C01eVariant(ch));//发送数据

)

}

voidCTryDlg::receivechar(unsignedchar*ch)

(

VARIANTm_inputl;

if(mComm.GetlnBufferCount())

(

m_inputl=m_Comm.Getlnput();〃读取缓冲区内的数据

ch=m_inputl.bstrVal;//WVARIANT型变量转换为CString型变

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量

return1;

}

elsereturn0;

}

mianO

{和应用系统相关的公共初使化程序段：

Updata=false;Failurc=true;

Delay(500);/*笔待与对方建立通信连接，通信由定时器1的中

断例程完成*/

If(Failure)A在定时器1的中断例程判断出初使主备状态后

*/

{CpuStatusWATN;和应用系统实现相关的主机初使化程序断；

while(l)/*主机单元的前台例行监控循环*/

{和应用系统实现相关的主机应用功能例程；

if(应用例程修改/需要备份的数据)Update;

if((Update)&&(!Fai1ure)&&sendframe())Update=false;

if(Failure){给出备机故障通知信号；Update二true;}

))

else

{CpuStatus二STANDBY;和应用系统实现相关的备机初使化程序段;

while(l)/*备机单元的前台例行监控循环*/

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{if(CpuStatus==STANDBY)

while(CpuStatus==STANDBY)/*在备机状态中循环*/

{和应用系统实现相关的备机例程；

if((!Failure)&&(Update)&&receivefraire())Update=false;

}

else

{Update二true;/*以便在未来的备机联机后再次发送备份数据

*/

while(l)A切换到主机的前台监控循环中*/

{和应用系统实现相关的主机应用功能例程；

if(应用例程修改了需要备份的数据)Update;

if((Update)&&(!Failure)&&send_frame())Update=false;

if(Failure){给出备机故障通知信号；Update=YES;}

}}}}}

voidCTryDlg::OnTimer(UINTnIDEvent)/*定时器1的55ms

中断服务程序*/

(intcount=0;

if(receive_char(&ch)==NULL)

{count++;

if(count==3)/*三次接收字符不成功*/

{count=0;Failure=true;/*对方单元故障,如果本方为备机,

准备切换*/

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if(CpuStatus==STANDBY)CpuStatus=MAIN；

)}

else

{count=0;Failure=false;

if((ch==REQ)&&(CpuStatus==STANDBY))/*如果备机接收到主

机的备份数据帧*/

{Update=true;return;}/*发送请求字符，立即返回，接收此

备份数据帧*/

)

send_char(0K);/*发送本单元工作正常的状态数据字符*/

应用系统和55ms定时相关的例程；

)

5、结束语

以上改进的冗余系统设计具有结构简单