摘 要 分析了工業(yè)測控系統(tǒng)中雙機(jī)熱備單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部通信的特點(diǎn)，以簡化設(shè)計(jì)、降低成本、降低系統(tǒng)復(fù)雜度為目標(biāo)，給出了內(nèi)部通信接口的兩種設(shè)計(jì)方案。
關(guān)鍵詞 測控系統(tǒng) 雙機(jī)熱備份 單片機(jī)系統(tǒng) 通信

單片機(jī)以其高可靠性和高性價(jià)比在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能化儀表、辦公自動(dòng)化等諸多領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。在測控系統(tǒng)中，有時(shí)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性有非常嚴(yán)格的要求。除了在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中采用多種措施以提高其可靠性之外，雙機(jī)熱備份是一種非常有效且經(jīng)常被采用的方法。在雙機(jī)熱備份系統(tǒng)中，兩個(gè)單片機(jī)必須保持工作狀態(tài)的完全一致，需要隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通?？梢允褂枚鄦纹瑱C(jī)信息共享技術(shù)來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)單片機(jī)的數(shù)據(jù)交換，如信箱存儲(chǔ)系統(tǒng)、共享存儲(chǔ)器等，但這些方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，硬件成本高1。大多數(shù)單片機(jī)都提供通用串行收發(fā)器(UART)，在單片機(jī)系統(tǒng)不與其他設(shè)備(如上位機(jī))進(jìn)行通信的情況下，使用UART是非常方便的，但不幸的是絕大多數(shù)情況下UART已被使用。當(dāng)然也可以擴(kuò)展串行和并行通信接口，但硬件成本又會(huì)增加。因此，在滿足系統(tǒng)性能的條件下，充分利用單片機(jī)本身的資源，地簡化內(nèi)部通信的接口設(shè)計(jì)非常值得研究。在單片機(jī)家族的眾多成員中，MCS-51單片機(jī)以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)、高可靠性和高性價(jià)比，在工業(yè)測控領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用，本文即以MCS-51單片機(jī)為例給出兩種雙機(jī)通信的簡化接口設(shè)計(jì)。

圖2是筆者設(shè)計(jì)的接口電路在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例為簡潔未畫出P0口所需的上拉電阻　。在這個(gè)系統(tǒng)中P1、P3口全部被占用，且擴(kuò)展了2K字節(jié)的外部靜態(tài)RAM，系統(tǒng)需要對(duì)16路數(shù)字輸入量進(jìn)行采集。因此，邏輯控制使用P2口的高位地址線A13A12A11 A12A11為00～10時(shí)選通存儲(chǔ)器和輸入通道。邏輯控制單元使用了一片GAL16V8。GAL16V8兼做地址譯碼器，實(shí)現(xiàn)對(duì)靜態(tài)RAM和輸入通道的選通(圖中只畫出了與內(nèi)部通信相關(guān)的輸出)。GAL16V8的邏輯方程中與內(nèi)部通信相關(guān)的六個(gè)方程如下(按FAST-MAP格式)2：
U1P27＝U2P26
U1P27.OE＝/U2ERR
U2P27＝U1P26
U2P27.OE＝/U1ERR
245E＝U1A12 U1A11 U2A12 U2A11
245DIR＝U1A13 U2A13
由上述邏輯方程可以看出，只有兩個(gè)單片機(jī)成功地進(jìn)行聯(lián)絡(luò)后才能打開總線收發(fā)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。當(dāng)一個(gè)單片機(jī)出現(xiàn)故障后其聯(lián)絡(luò)信號(hào)被GAL置為高阻狀態(tài)另一單片機(jī)不能與之聯(lián)絡(luò)，總線收發(fā)器處于關(guān)閉狀態(tài)不會(huì)影響正常單片機(jī)的工作。

①為兩個(gè)單片機(jī)提供三態(tài)的內(nèi)部通信接口，當(dāng)其中一個(gè)單片機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)即阻塞內(nèi)部通信接口；
②為兩個(gè)單片機(jī)提供聯(lián)絡(luò)信號(hào)，當(dāng)其中之一要求進(jìn)行通信時(shí)，及時(shí)通知另一個(gè)單片機(jī)；
③對(duì)兩個(gè)單片機(jī)的對(duì)外通信接口進(jìn)行控制，內(nèi)部通信時(shí)將單片機(jī)與RS-485總線隔離。
為敘述方便，現(xiàn)將GAL的邏輯方程中與此相關(guān)的部分以FAST-MAP的格式給出：
RXD1＝TXD2
RXD1.OE＝IT1 IT2
RXD2＝TXD1
RXD2.OE＝IT1 IT2
IT1＝/TE2 RE2 /U2ERR
IT2＝TE1 RE1 /U1ERR
TE10＝TE1 /U1ERR
TE20＝TE2 /U2ERR
假設(shè)單片機(jī)1發(fā)起與單片機(jī)2的內(nèi)部通信其工作過程如下
①單片機(jī)1禁止對(duì)外數(shù)據(jù)收發(fā)。即使得TE1為低電平RE1為高電平，從而使得IT2為高電平，向單片機(jī)2提出內(nèi)部通信請(qǐng)求；
②單片機(jī)2在檢測到單片機(jī)1的內(nèi)部通信請(qǐng)求后，禁止對(duì)外數(shù)據(jù)收發(fā)，使得TE2為低電平RE2為高電平，從而使得IT1為高電平，響應(yīng)單片機(jī)１的內(nèi)部通信請(qǐng)求，這時(shí)，兩個(gè)單片機(jī)的串行數(shù)據(jù)收發(fā)通過GAL互連，內(nèi)部通信接口打開；
③單片機(jī)1在檢測到IT1為高電平后，通過串行口發(fā)送數(shù)據(jù)；
④通信完成后，兩個(gè)單片機(jī)打開對(duì)外的數(shù)據(jù)收或數(shù)據(jù)發(fā)，從而使得內(nèi)部通信接口處于高阻狀態(tài)。
從上述方程和通信過程可以看出，內(nèi)部通信和外部通信是分時(shí)進(jìn)行的，且互相隔離，互不干擾。當(dāng)一個(gè)單片機(jī)出現(xiàn)故障后，由于使用了U1ERR和U2ERR信號(hào)，相應(yīng)的內(nèi)部通信聯(lián)絡(luò)信號(hào)總是無效的，對(duì)外數(shù)據(jù)發(fā)信號(hào)也是無效的，從而使得內(nèi)部通信接口總是處于高阻狀態(tài)，且不會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)到RS-485總線。因此不會(huì)影響另一個(gè)單片機(jī)的對(duì)外通信和與故障單片機(jī)相連的RS-485總線。
2.2 接口電路說明
可編程邏輯器件在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，本文以GAL為例介紹接口的設(shè)計(jì)，但只要能完成上述的邏輯功能，也可以使用其他器件。而且，單片機(jī)與其他設(shè)備的通信也不一定是RS-485通信，但電路的設(shè)計(jì)與此類似。這類接口電路都需解決的問題是
①內(nèi)部通信應(yīng)在單片機(jī)與其他設(shè)備通信的間隙進(jìn)行，避免數(shù)據(jù)丟失；
②內(nèi)部通信與外部通信的信號(hào)應(yīng)良好隔離，防止相互干擾；
③當(dāng)一個(gè)單片機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)當(dāng)自動(dòng)與另一個(gè)單片機(jī)隔離，防止通過內(nèi)部通信接口影響另一個(gè)單片機(jī)的對(duì)外通信。
上述個(gè)問題可以根據(jù)通信協(xié)議由軟件解決，后兩個(gè)問題由硬件電路解決。
本文給出了內(nèi)部通信接口的兩種簡化設(shè)計(jì)方案，同時(shí)給出了電路實(shí)例。設(shè)計(jì)中GAL不是專為接口電路而設(shè)的，可以與其他邏輯功能合并使用。兩種通信接口在筆者設(shè)計(jì)的多個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，實(shí)際應(yīng)用證明達(dá)到了簡化設(shè)計(jì)、降低成本、降低系統(tǒng)復(fù)雜度的目標(biāo)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。