專利名稱：冗余切換控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及自動控制領(lǐng)域，特別是一種冗余切換控制電路。 技術(shù)背景
在要求較高的工業(yè)控制系統(tǒng)中，往往需要對關(guān)鍵的控制器和I/O
模板采用冗余配置技術(shù)，以便系統(tǒng)能夠在故障狀態(tài)下連續(xù)運行，同時 可以在線對系統(tǒng)進行維修，保證控制對象的安全運行。從成本和實用 性角度考慮，通常情況下冗余系統(tǒng)多采用雙模冗余技術(shù)， 一個設(shè)備處 于主用狀態(tài)時，另一個設(shè)備處于從用狀態(tài)。
在雙模冗余結(jié)構(gòu)中，冗余模板之間需要有一些狀態(tài)信號連接。這
些信號與控制邏輯電路連接，再與各自的控制CPU連接，CPU接收
這些狀態(tài)信號，確定該設(shè)備運行在主用狀態(tài)，還是從用狀態(tài)。通常冗 余模板之間的各種狀態(tài)信號，直接影響切換的可靠性。如何設(shè)計冗余 設(shè)備之間的狀態(tài)信號成為可靠切換的基礎(chǔ)。
以前傳統(tǒng)的切換方法中，冗余設(shè)備之間有切換部件，該部件監(jiān)視 并控制互為冗余的兩個設(shè)備，同時可接收上位機的切換命令。后來在
公開號為CN1275000A專利中，發(fā)展了采用互為冗余的設(shè)備之間直接 采用冗余狀態(tài)信號連接，互為冗余的兩個設(shè)備采用設(shè)備這些狀態(tài)線來 確定自己是應(yīng)運行在主用狀態(tài)還是在從用狀態(tài)。這種切換方法對共有 數(shù)據(jù)采用了共享數(shù)據(jù)存儲器，使得針對該存儲器的故障產(chǎn)生時可靠性 大大降低。該方法冗余設(shè)備之間的狀態(tài)信號也較多。
公開號為CN 1591348A，采用與非邏輯與CPU結(jié)合構(gòu)成冗余設(shè) 備之間的信號連接，切換方法上增加了用邏輯值來判斷故障等級，根據(jù)等級不同來確定是否切換。同時能提供掉電、復位快速切換，還提 供了手動切換方法。
這些切換方案中都采用了二值邏輯的原理，由于二值邏輯的安全
性較差，如果狀態(tài)信號接口邏輯鎖死在'r或'o'的情況下，特別
是邏輯死鎖在正常狀態(tài)時，故障將難以判斷。

實用新型內(nèi)容
本實用新型為了解決上述問題，提供一種控制簡單、故障率低、 信號傳輸更加安全的冗余切換控制電路。
本實用新型解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是 一種冗余切換 控制電路，每個模板分別包括CPU和切換控制電路，處于主用狀態(tài) 的所述切換控制電路的發(fā)出固定頻率信號的信號端口，與處于從用狀 態(tài)的切換控制電路的接收狀態(tài)信號的信號端口相連。
所述切換控制電路進一步包括發(fā)送接口模塊和接收接口模塊，還 包括'
頻率信號輸出控制模塊，分別與所述CPU和發(fā)送接口模塊相連； 狀態(tài)控制模塊，連接在所述頻率信號輸出控制模塊和頻率信號檢 測模塊之間；
頻率信號檢測模塊，還分別與所述接收接口模塊和頻率信號檢測
定時器相連；
信號切換命令模塊，連接在所述CPU和所述狀態(tài)控制模塊之間； 頻率信號檢測定時器，與所述頻率信號檢測模塊相連。 還可包括連接在所述狀態(tài)控制模塊和CPU之間的狀態(tài)比較模塊。
還可包括與所述狀態(tài)控制模塊相連狀態(tài)轉(zhuǎn)換延遲定時器。 還可包括與所述狀態(tài)控制模塊相連的雙向接口模塊。所述CPU可包括串行數(shù)據(jù)輸出端口和串行數(shù)據(jù)輸入端口，處于 主用狀態(tài)的CPU的串行數(shù)據(jù)輸出端口與處于從用狀態(tài)的CPU的串行
數(shù)據(jù)輸入端口相連。
本實用新型通過主用模板發(fā)出固定頻率信號作為冗余設(shè)備之間 的連接信號，即通過一個時變的信號表征主用模板的主用狀態(tài)，增加 了冗余切換控制信號的可靠性，因此不管什么原因引起主用模板的
CPU故障(例如復位、晶振停振、掉電、程序跑飛、控制口線故
障等)，都可立即完成冗余切換控制。而且，在啟動時可以實現(xiàn)模板 地址的正確識別，通過主、從用模板上電競爭確定主用從用，冗余模 板之間通過串行數(shù)據(jù)通道實現(xiàn)采樣同步及診斷信息傳送，還可接收上 位機的切換操作命令進行切換，進一步增加了冗余切換控制的操作 性。此外，由于兩冗余模板工作在冗余狀態(tài)時，拔起主用模板時，從 用模板檢測不到方波信號則立即切入主用狀態(tài)，兩冗余模板工作在冗 余狀態(tài)時，拔起從用模板時主用模板應(yīng)不受影響，同樣的已有模板工 作在主用狀態(tài)時，插入從用模板主用模板不受干擾，因此可以實現(xiàn)主 用、從用模板的帶電插拔。

圖1為本實用新型的控制框圖2為本實用新型中信號控制電路的原理框圖3為本實用新型的狀態(tài)控制模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖4為本實用新型控制過程的流程圖。
具體實施方式

如圖1所示，本實用新型的冗余切換控制電路由對稱的A、 B兩 個模板構(gòu)成，每個模板的結(jié)構(gòu)和工作過程相同，下面以其中一側(cè)的A 模板為例，包括CPU和信號控制電路，所述CPU具有四個信號端口 Al、 A5、 A6、 A7，其中，Al與A5與所述信號控制電路相連，所述 信號控制電路還包括A2、 A3、 A4三個信號端口。
各信號端口的功能如下
Al信號端口 在A模板CPU的控制下輸出固定頻率信號(F)。
A2信號端口將Al信號端口發(fā)出的固定頻率信號發(fā)送給B模 板的B3信號端。
A3信號端口接收來自B模板B2信號端口發(fā)出的狀態(tài)信號， 并通過電容CA1輸入到A模板的信號控制電路中。A3信號端口用于 監(jiān)視B模板狀態(tài)。
A4信號端口為雙向信號接口。當A模板為主用時，A4接口 為輸入接口，接收B模板發(fā)來的狀態(tài)信息；A模板為從用時，A4接 口為輸出端口，處于高阻態(tài)，向B模板發(fā)出A模板的狀態(tài)信息，這 里的狀態(tài)信息也可采用固定頻率信號。
A5信號端口信號控制電路向CPU發(fā)送的中斷請求信號。當A、 B模板主、從用狀態(tài)信息發(fā)生變化時，向CPU發(fā)出中斷請求，CPU 根據(jù)中斷請求改變A模板的運行狀態(tài)。
A6信號端口是A模板的串行數(shù)據(jù)輸出端口，用來向B模板的 B7信號端口發(fā)出串行數(shù)據(jù)信號，與B模板進行更多的信息交換。
A7信號端口是A模板的串行數(shù)據(jù)輸入端口，用來接收B模板 的B6信號端口發(fā)出的串行數(shù)據(jù)信號。冗余模板之間的故障診斷信息 通過信號A6、 A7相互發(fā)送，冗余模板對診斷信息進行比較，根據(jù)故障信息確定是否進行冗余切換控制操作。同時冗余模板的狀態(tài)信息通 過主用模板發(fā)送給上位機。
所述信號控制電路如圖2中所示，包括
頻率信號輸出控制模塊，在狀態(tài)控制模塊為主狀態(tài)時，將接收到 的CPU發(fā)出的固定頻率信號通過發(fā)送接口模塊(即端口 A2)發(fā)送出
去；當狀態(tài)控制模塊為從狀態(tài)時，上述固定頻率信號被禁止發(fā)送。 狀態(tài)控制模塊，用于發(fā)出當前模板為主用或從用狀態(tài)信號。 頻率信號檢測模塊，通過所述接收接口模塊(即端口 A3)接收 到的另一模板發(fā)來的信號，根據(jù)頻率信號檢測定時器發(fā)出的檢測基準 信號，檢測接收到信號的頻率在有效的范圍內(nèi)，表示頻率信號有效， 使所述狀態(tài)控制模塊處于從用狀態(tài)；如果超過設(shè)定范圍，就認為頻率 信號消失，并檢測結(jié)果發(fā)送給狀態(tài)控制模塊，使狀態(tài)控制模塊進入主 用狀態(tài)，進而由所述狀態(tài)控制模塊控制發(fā)出固定頻率信號。
信號切換命令模塊，接收CPU發(fā)出的切換信號，向所述狀態(tài)控 制模塊發(fā)出切換脈沖，控制所述狀態(tài)控制信模塊進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換； 頻率信號檢測定時器，用于提供頻率信號的檢測基準； 狀態(tài)比較模塊，用于將狀態(tài)控制模塊的當前狀態(tài)和CPU的當前 狀態(tài)進行比較，在狀態(tài)不一致時向CPU發(fā)出狀態(tài)同步中斷請求，如 果一致則清除中斷。
狀態(tài)轉(zhuǎn)換延遲定時器，在所述狀態(tài)控制模塊進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中 或發(fā)出狀態(tài)同步中斷請求時，提供所需的延遲時間。
雙向接口模塊，用于在狀態(tài)控制模塊處于主用狀態(tài)下，通過接 口 A4接收從用模板的狀態(tài)信息，作為判斷冗余模板是否處于從用狀 態(tài)的輔助判斷。所述狀態(tài)控制模塊中有5種狀態(tài)，如圖3中所示，它們分別為狀
態(tài)"SA、 SB、 SC、 SD、 SE"。
狀態(tài)"SA"是模板啟動后的狀態(tài)。模板啟動后完成CPU初始化 工作，然后向信號控制電路發(fā)送啟動完畢信號，信號控制電路進入 狀態(tài)"SB"。
狀態(tài)"SB"是模板進入從用狀態(tài)前，通過所述狀態(tài)比較模塊向 CPU申請從用同步的狀態(tài)。當CPU完成從用同步，向狀態(tài)比較模塊 發(fā)出已完成從用同步信號后，狀態(tài)控制模塊轉(zhuǎn)入狀態(tài)"SC"，同時清
除中斷信號。
狀態(tài)"SC"是模板的從用狀態(tài)。從用狀態(tài)由接收到的主用模板 的固定頻率信號鎖定。當檢測到主用模板固定頻率信號消失，從用 狀態(tài)"SC"進入狀態(tài)"SD"。
狀態(tài)"SD"是模板進入主用狀態(tài)前，通過狀態(tài)比較模塊向CPU 申請主用同步的狀態(tài)。當CPU完成主用同步，向狀態(tài)比較模塊發(fā)出 已完成主用同步信號后，狀態(tài)控制模塊轉(zhuǎn)入狀態(tài)"SE"，同時清除中 斷信號。在狀態(tài)"SD"中如果檢測到主用信號，狀態(tài)將轉(zhuǎn)移到狀態(tài) "SB"。
狀態(tài)"SE"是模板的主用狀態(tài)。主用狀態(tài)讓頻率信號輸出控制 模塊通過發(fā)送接口模塊輸出主用頻率信號。同時監(jiān)測接收接口模塊 是否還存在主用，如果只有本機為主用狀態(tài)，則鎖定本機主用狀態(tài)。 當有其他主用頻率信號被檢測到時，主用狀態(tài)"SE"轉(zhuǎn)入狀態(tài)"SB"。
由于方波信號的階躍明顯、易于頻率的判斷，因此所述固定頻率 信號主要采用固定頻率的方波信號。這樣，在A模板處于主動的狀 態(tài)下，從A2端口發(fā)出固定頻率信號時，既可表示A模板存在，又可 表示A模板工作正常。而端口 A4接收到固定頻率方波時也表示B模板存在，同時表示工作正常。特別是在冗余連接端口發(fā)生鉗位故障時，
模板間的信號停留在'o、 r狀態(tài)下，這時'o、 r信號都不能通過 電容器件，信號控制電路收不到方波信號時，所述信號控制電路由
A5端口向CPU發(fā)送中斷請求，對應(yīng)模板將采取相應(yīng)的冗余切換控制
操作。A3信號接收端采用電容隔離輸入，再通過內(nèi)部解調(diào)電路獲得 信號控制電路的內(nèi)部信號。進入從用狀態(tài)的B模板，B2口關(guān)閉，不 發(fā)送方波信號。如果從用模板正常，從B4端口發(fā)送方波信號給主用 模板，表示從用模板已經(jīng)安裝并工作正常。如果從用模板故障，從 B4發(fā)出的方波信號消失，主用模板收到信息后向上位機發(fā)送從用故 障信息。運行于主狀態(tài)的模板將通過A6、 A7端口與從用模板交互同 步信號，使從用模板輸入/輸出通道順序、時間與主用模板同步，使 冗余模板之間的采樣值或輸出值差異最小化，當產(chǎn)生快速切換時，大 大減少了由于輸入/輸出值差異過大帶來的干擾。
參照圖1中所示的A、 B兩冗余配置的模板，本實施例的工作過 程，如圖4中所示
步驟h啟動和延時，兩模板啟動后經(jīng)過幾個連續(xù)的延時時間， 等待各個端口信號穩(wěn)定。
當兩個冗余模板同時啟動，冗余模板進入初始運行狀態(tài)后，各自 模板初始化、自檢、互檢，先完成的模板進入主用狀態(tài)，這里以A 模板先進入主用為例，通過主用狀態(tài)A2端口向另一個模板發(fā)送固定 頻率信號，另一B模板通過B3端口接收到該信號口后，將進入從用 狀態(tài)。此時，處于主用狀態(tài)的A模板通過A4端口進入接收信號的狀 態(tài)。
步驟2:冗余模板接口和地址檢查，檢查冗余模板A、B之間的 接口和地址是否正確。如果地址正確則轉(zhuǎn)入步驟4進入主用模板檢查，如果不正確則轉(zhuǎn)入步驟3。
步驟3:停止模板運行，初始化檢查出錯，停止模板A、 B的運 行并發(fā)出本地報警。
步驟4:判斷主用模板是否存在，如果存在則轉(zhuǎn)入步驟5進行從
模板的申請，否則轉(zhuǎn)入步驟io進行主用模板的申請。
步驟5:從用模板申請，向B模板的CPU發(fā)出本地模板進入從
用的中斷申請信號。
步驟6:模板是否進入從用狀態(tài)，B模板從用申請得到響應(yīng)后， 使B模板轉(zhuǎn)入步驟8，即進入從用狀態(tài)；否則，如果申請沒有得到響 應(yīng)，則轉(zhuǎn)入步驟7，檢測冗余主用是否存在。
步驟7:冗余主用是否存在，如果B模板還未進入從用狀態(tài)，此
時進一步判斷對應(yīng)的A模板的主用狀態(tài)信號是否存在或消失，如果 存在則轉(zhuǎn)入步驟IO，使B模板進入主用模板申請流程。
步驟8:從用模板狀態(tài)B模板得到從用模板申請響應(yīng)后，進入
從用狀態(tài)。
步驟9:監(jiān)視冗余模板主用是否存在，通過處于從用狀態(tài)的B模
板的B3端口監(jiān)視主用模板信號，如果主用信號消失，則轉(zhuǎn)入步驟10，
即從用模板進入主用模板申請。
步驟10:主用模板申請，如果沒有主用模板或原A模板的主用
信號消失，由B模板向CPU發(fā)出進入主用的中斷申請信號。
步驟lh模板是否進入主用狀態(tài)，B模板主用申請得到響應(yīng)后，
進入主用狀態(tài)，如果沒有相應(yīng)，則轉(zhuǎn)入步驟12，檢測冗余主用即A
模板是否已經(jīng)恢復。
步驟12:冗余主用恢復，如果B模板還未進入主用狀態(tài)，對應(yīng)
A模板的主用狀態(tài)信號恢復，則再轉(zhuǎn)入步驟5，使B模板進入從用模板申請流程。
步驟13，主用模板狀態(tài)，B模板的主用申請得到響應(yīng)后，進入 主用狀態(tài)。
步驟14，監(jiān)視冗余模板主用狀態(tài)，進入主用狀態(tài)的B模板監(jiān)視 A模板信號，如果A模板的信號重新出現(xiàn)，作為主用B模板重新進 入從用模板申請流程。
本實用新型由于采用固定頻率信號作為冗余設(shè)備之間的連接信 號，增加了冗余切換控制信號的可靠性，因此不管什么原因引起主用 模板的CPU故障(例如復位、晶振停振、掉電、程序跑飛、控制 口線故障等)，都可立即完成冗余切換控制。而且，在啟動時可以實 現(xiàn)模板地址的正確識別，通過主、從用模板上電競爭確定主用從用， 冗余模板之間通過串行數(shù)據(jù)通道實現(xiàn)采樣同步及診斷信息傳送，還可 接收上位機的切換操作命令進行切換，進一步增加了冗余切換控制的 操作性。此外，由于兩冗余模板工作在冗余狀態(tài)時，拔起主用模板時， 從用模板檢測不到方波信號則立即切入主用狀態(tài)，兩冗余模板工作在 冗余狀態(tài)時，拔起從用模板時主用模板應(yīng)不受影響，同樣的已有模板 工作在主用狀態(tài)時，插入從用模板主用模板不受干擾，因此可以實現(xiàn) 主用、從用模板的帶電插拔。
以上對本實用新型所提供的冗余切換控制電路進行了詳細介紹，
本文中應(yīng)用了具體個例對本實用新型的原理及實施方式進行了闡述，
以上實施例的說明只是用于幫助理解本實用新型的方法及其核心思
想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本實用新型的思想，在
具體實施方式
及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi) 容不應(yīng)理解為對本實用新型的限制。
權(quán)利要求1. 一種冗余切換控制電路，包括對稱的兩個模板，其特征在于每個模板分別包括CPU和切換控制電路，處于主用狀態(tài)的所述切換控制電路的發(fā)出固定頻率信號的信號端口，與處于從用狀態(tài)的切換控制電路的接收狀態(tài)信號的信號端口相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的冗余切換控制電路，其特征在于所述 切換控制電路進一步包括發(fā)送接口模塊和接收接口模塊，還包括頻率信號輸出控制模塊，分別與所述CPU和發(fā)送接口模塊相連； 狀態(tài)控制模塊，連接在所述頻率信號輸出控制模塊和頻率信號檢 測模塊之間；頻率信號檢測模塊，還分別與所述接收接口模塊和頻率信號檢測 定時器相連；信號切換命令模塊，連接在所述CPU和所述狀態(tài)控制模塊之間； 頻率信號檢測定時器，與所述頻率信號檢測模塊相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的冗余切換控制電路，其特征在于還包括連接在所述狀態(tài)控制模塊和CPU之間的狀態(tài)比較模塊。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的冗余切換控制電路，其特征在于還包括與所述狀態(tài)控制模塊相連狀態(tài)轉(zhuǎn)換延遲定時器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的冗余切換控制電路，其特征在于還包括與所述狀態(tài)控制模塊相連的雙向接口模塊。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1 5中任一項所述的冗余切換控制電路，其特征 在于所述CPU包括串行數(shù)據(jù)輸出端口和串行數(shù)據(jù)輸入端口，處于主用狀態(tài)的CPU的串行數(shù)據(jù)輸出端口與處于從用狀態(tài)的CPU的串行數(shù)據(jù)輸入端口相連。
專利摘要本實用新型涉及自動控制領(lǐng)域，具體涉及一種冗余切換控制電路，包括對稱的兩模板，各模板包括CPU和切換控制電路，所述切換控制電路用于在主用狀態(tài)下發(fā)出固定頻率信號，在接收到固定頻率信號后切換到從用狀態(tài)；用于在從用狀態(tài)下接收固定頻率信號，在接收到的固定頻率信號消失后切換到主用狀態(tài)。本實用新型通過主用模板發(fā)出固定頻率信號作為冗余設(shè)備之間的連接信號，增加了冗余切換控制信號的可靠性，不管什么原因引起主用模板的CPU故障都可立即完成冗余切換控制。此外，由于兩冗余模板工作在冗余狀態(tài)時，拔起主用模板時，從用模板檢測不到方波信號則立即切入主用狀態(tài)，因此可以實現(xiàn)主用、從用模板的帶電插拔。
文檔編號G05B9/02GK201130309SQ200720125268
公開日2008年10月8日 申請日期2007年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月18日
發(fā)明者劉渝新, 鷗 孫, 裘宏波 申請人:重慶川儀總廠有限公司