基于通道控制的双余度DSP设计与实现 - 单片机/处理器 - 电

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<strong>引言</strong>

具有自动控制功能的电子设备已广泛应用于我国多型机上，用于飞机上各机载设备的控制、调节等功能。如图1所示，其控制系统主要由传感器信号输入、核心控制板及经过处理驱动后的控制信号输出，最后输出到机上的具体应用。本文将主要介绍如何利用通道复用技术设计实现具有双余度DSP的控制板部件，重点描述如何实现系统的双余度DSP设计、双DSP间如何通讯以及DSP的故障判定法则等。


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2010-4-26 15:14:04 上传
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<strong>控制板硬件设计</strong>

控制板的硬件框图如图2所示，主要由外部信息采集单元、双余度DSP模块、应用处理及其输出单元等组成。其中，双余度单元的CPU选用16位定点DSP TMS320LF2407A，其运行最高速率可达40MHz、片内集成多种外设。


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图中，两个DSP通过CAN 总线及I/O口进行控制信息交换及数据通信。两个DSP分别与收发器1、收发器2相连，这两个通道与外部数据或控制总线是相连的，即共享一个外部接口，通道控制逻辑使同一时刻只能有一个通道打开，保证系统工作的稳定性。其中DSP1是控制逻辑的主控制机，在正常工作的情况下由它控制着相应通道的通断及当前主控CPU。每个DSP都有自己的 EEPROM存储器，用于存储系统的各种即时信息，并通过CAN 总线在双机间进行传输。控制板工作时采集传感器及外部控制信息，通过CPU运算处理后由其对应的通道输出控制信息到相应控制盒，控制相应设备的动作。

<strong>双余度DSP模块硬件设计</strong>

双余度DSP模块是本设计的重点，其硬件原理如图2的双余度DSP模块。它由双DSP核及通道控制逻辑两部分组成。其中DSP1为主CPU，DSP2为辅CPU。当系统上电启动后主CPU通过I/O口通知辅CPU进行自检并采集其自检信息，同时当主CPU的EEPROM内容发生改变时，主CPU通过CAN 总线发送相应的数据给辅CPU以更新辅CPU的EEPROM内容，如图3所示。图中CAN收发器为两个对连的CAN 总线收发器，负责实现双机间系统即时信息的传送，并存储于各自对应的EEPROM中，供维护和查询。


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通道控制逻辑决定着整个系统的当前工作CPU，即当其中一个CPU被认为有故障时，通道控制逻辑将主动或是被动地切换到系统认为没有故障的CPU，或决定由其中的一个CPU强制工作。通道控制逻辑的硬件原理如图4所示。所谓的主动切换是指当主DSP通个自检发现自身有故障(包括其对应的通道故障)，而其程序能正常工作的情况下，由其程序产生的通过控制I/O口的逻辑电平而产生的通道切换。被动切换是指非DSP自检的因素产生，而是由于通道控制逻辑本身硬件故障引起的通道意外切换。通道控制逻辑硬件由门电路组成，能有效地防止双机的抢权问题。同时控制逻辑返回给两个DSP一个 “CTL_BACK”状态回读信号，用于判断当前的通道情况。


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主DSP通过控制输入端口的逻辑状态来使能相应的通道，只有当两个控制端同时有效时选通主通道，此时主DSP工作。其他任何状态都将打开辅通道。可以有效避免由于主控DSP I/O口失效而产生不能切换的后果。同时主DSP不断检测 “CTL_BACK”状态回读信号的状态，否则将产生被动切换，说明通道控制逻辑硬件故障。辅DSP上电后不断检测 “CTL_BACK”状态回读信号，若检测到为有效，则说明通道已经切换到了辅通道，辅DSP开始工作。

<strong>应用处理及其输出单元</strong>

针对于不同的应用其处理及输出单元具有各自的特殊性，本应用要求输出多路电压控制信号，主要由带SPI接口的16路模数转换芯片及驱动电路组成，并通过DSP的I/O口控制D /A的复位、清零等操作。

<strong>系统软件</strong>

系统软件设计主要基于CCS2.2 Code Composer Studio集成开发环境，主程序采用汇编语言编写，软件调试及仿真完成。控制板DSP软件流程框图如图 5所示，系统软件主要实现双机间的通讯及故障判别并切换，并完成控制任务处理。包括主DSP软件及辅DSP软件两部分，其中任务控制处理功能部分是相同的，重点在于双机间的交互问题。


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在双机交互的切换问题中，起主要作用的是通道的切换，当前打开的通道具有最高优先权，不管产生DSP切换的原因是什么，其最终的结果都将是当前只有一个通道是打开的，通道的切换可能是由主DSP程序主动控制而切换，或是控制逻辑本身的硬件原因，但是只有这个对应的打开通道的DSP能真正控制外部的输出，这即所谓的通道分用。切换依据如图5所示。

系统应用控制软件主要实现系统的具体的应用功能，主要由以下功能子程序组成：系统自检子程序、双机交互及故障判断切换子程序、控制应用功能子程序等。其中主DSP、辅DSP双机交互软件流程如图6a、图6b所示。


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<strong>结语</strong>

双余度DSP系统在对控制器要求较高的场合具有很好的实用意义，其基于通道复用的硬件设计结构简单且易于实现，有效地解决了双机共同工作的权限问题。本设计中所提出的双余度DSP设计可以很方便地移植到其他的双余度系统中。

<strong>参考文献</strong>：

　　[1] TMS320LF2407A Data Sheet (Rev.I). TI

　　[2] TMS320LF/LC24系列DSP的CPU与外设 [M]. 北京：清华大学出版社.2004

　　[3] TMS320LF/LC24系列DSP 指令和编译工具[M]. 徐科军,等,译. 北京：清华大学出版社.2004

　　[4] 刘和平. TMS320LF240X DSP 结构、原理及应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社.2002

　　[5] 王勇, 张平. 高性能多DSP互连技术[J]. 电子产品世界, 2009(4)

作者：南京航空航天大学信息科学与技术学院 冉剑 时间：2010-04-19