一種基于多DSP協(xié)同工作的控制系統(tǒng)

　　盡管數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的性能越來越強(qiáng)，基于DSP嵌入式系統(tǒng)的功能也越來越多，但對(duì)于實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性、可靠性要求很高的多任務(wù)信號(hào)處理及多路過程控制方面的應(yīng)用，單個(gè)DSP嵌入式系統(tǒng)的處理能力是不夠的。分布式系統(tǒng)處理能力強(qiáng)、可靠性高，采用多個(gè)DSP嵌入式子系統(tǒng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，利用分布式系統(tǒng)的并發(fā)性實(shí)現(xiàn)多個(gè)DSP的并行處理，滿足多任務(wù)、實(shí)時(shí)性的要求。同時(shí)，通過硬件和軟件冗余設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)的可靠性。

　　本文采用TMS320F2812 DSP實(shí)現(xiàn)了三個(gè)同構(gòu)的、具有多種實(shí)時(shí)信號(hào)處理和多個(gè)過程控制功能的嵌入式子系統(tǒng)A、B、C，以CAN總線為通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成分布式系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠與外部測(cè)控中心實(shí)時(shí)交互，同時(shí)完成23路模擬信號(hào)的實(shí)時(shí)采集/預(yù)處理、16路數(shù)字信號(hào)處理、16路數(shù)字信號(hào)的輸出、1路脈沖信號(hào)處理、多路過程控制參數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)算、各種狀態(tài)及參數(shù)的實(shí)時(shí)記錄等。三個(gè)子系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)完全相同，通過CAN總線與RS422串口交換信息，通過軟件配置為各子系統(tǒng)分配資源、動(dòng)態(tài)分配任務(wù)，有效地均衡了各處理機(jī)的負(fù)載。三個(gè)子系統(tǒng)資源共享、互為備份，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

　　在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)的運(yùn)行不能滿足響應(yīng)時(shí)間的要求，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。因此，分布式系統(tǒng)各組件之間的通信和協(xié)調(diào)工作是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各組件并發(fā)處理、系統(tǒng)資源共享、均衡系統(tǒng)各組件的負(fù)載、提高整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量、保證系統(tǒng)可靠工作的關(guān)鍵。

　　本文重點(diǎn)討論了各子系統(tǒng)之間的通信方式、系統(tǒng)的任務(wù)分配和系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作機(jī)制。

　　1 系統(tǒng)的構(gòu)成

　　1.1 CAN總線

　　CAN(Controller Area Network)屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線有效地支持安全可靠的分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，通信方式靈活、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km(傳輸率5kbps以下)，通信速率最高達(dá)1Mbps(通信距離40m以內(nèi))，網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)。CAN總線為多主工作方式，可以方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)[4]。

　　1.2 數(shù)字信號(hào)處理器

　　TMS320F2812 DSP是工業(yè)控制領(lǐng)域的一種高端產(chǎn)品，具有速度快、功耗低、接口方便靈活、易于開發(fā)、精度高、兼容性好、資源豐富等特點(diǎn)。F2812采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有32位高性能的CPU，時(shí)鐘頻率為150MHz并支持動(dòng)態(tài)改變鎖相環(huán)的頻率，擁有Flash等多種類型存儲(chǔ)器、PIE中斷模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、事件管理器、SCI口、SPI口、eCAN總線和McBSP通信模塊等豐富的外圍設(shè)備，可以滿足各種應(yīng)用的需求。

　　1.3 基于DSP的嵌入式子系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

　　基于TMSF2812 DSP的嵌入式子系統(tǒng)(見圖1)是為滿足實(shí)時(shí)多任務(wù)而設(shè)計(jì)的，硬件、軟件可根據(jù)需要進(jìn)行裁剪，可靠性高、響應(yīng)速度快、自動(dòng)化程度高。

　　三個(gè)子系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)完全相同，除DSP片上資源外，每個(gè)子系統(tǒng)都擴(kuò)展了非易失性存儲(chǔ)器(E2PROM或鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器)、SRAM、四路RS422接口(兩路RS232可選)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等輔助模塊。

　　1.4 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

　　該系統(tǒng)是由三個(gè)基于F2812 DSP的嵌入式子系統(tǒng)A、B、C通過CAN總線構(gòu)成同構(gòu)異步的分布式系統(tǒng)(見圖2)。三個(gè)子系統(tǒng)沒有主從關(guān)系，各子系統(tǒng)的功能根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)，通過任務(wù)分配策略，用軟件配置。三個(gè)子系統(tǒng)與硬件、軟件互為備份，提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　三個(gè)子系統(tǒng)之間主要通過CAN總線進(jìn)行信息交換，變化較慢的數(shù)據(jù)也可以通過UART串口進(jìn)行交換。每個(gè)子系統(tǒng)都能夠同時(shí)接收信號(hào)，也能夠輸出控制信號(hào)。通過特殊的硬件設(shè)計(jì)，每個(gè)子系統(tǒng)都具有故障隔離的功能，可以防止因?yàn)橐粋€(gè)子系統(tǒng)出現(xiàn)故障而影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。

　　2 分布式系統(tǒng)的協(xié)同工作

　　分布式系統(tǒng)的資源位于不同的位置，系統(tǒng)需要不斷監(jiān)視各組件的狀態(tài)，檢查資源的使用情況。當(dāng)一個(gè)處理器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該立即響應(yīng)，重新調(diào)配資源，規(guī)劃任務(wù)分配方案，確定任務(wù)分配策略，重構(gòu)系統(tǒng)，必要時(shí)犧牲系統(tǒng)的某些性能，以保證系統(tǒng)正常工作。

　　2.1 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視

　　系統(tǒng)狀態(tài)包括每個(gè)子系統(tǒng)各個(gè)模塊的工作狀態(tài)(CPU、UART的工作狀態(tài)、片上存儲(chǔ)器(SDRAM、FLASH等)和片外存儲(chǔ)器(SRAM)、非易失性存儲(chǔ)器的分配情況)、每個(gè)子系統(tǒng)之間的通信狀態(tài)等。

　　分布式系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)難以確定系統(tǒng)的狀態(tài)。為此，網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)子系統(tǒng)應(yīng)定時(shí)向其他子系統(tǒng)廣播，將各自的狀態(tài)通知其他子系統(tǒng)(見圖3)。如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有收到某個(gè)子系統(tǒng)的消息，則認(rèn)為該子系統(tǒng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)應(yīng)重新配置系統(tǒng)資源、重新分配任務(wù)，重構(gòu)系統(tǒng)。

　　圖3中：SCAB表示子系統(tǒng)A到B通信的情況。通過A、B、C之間的相互通信，確定系統(tǒng)的狀態(tài)。

　　不失一般性，令三個(gè)子系統(tǒng)的狀態(tài)的集合為SA、SB、SC，則系統(tǒng)狀態(tài)SS為：

　　SS=ρ(SA∪SB∪SC)={Si|0≤i≤N}　　　　(1)

　　其中：ρ(A)表示A的冪集，N=|SS|