TMS320F2812 DSP實現三協同分布式控制系統的設計

1、【Word版本下載可任意編輯】 TMS320F2812 DSP實現三協同分布式控制系統的設計 盡管數字信號處理器（DSP）的性能越來越強，基于DSP嵌入式系統的功能也越來越多，但對于實時性、容錯性、可靠性要求很高的多任務信號處理及多路過程控制方面的應用，單個DSP嵌入式系統的處理能力是不夠的。分布式系統處理能力強、可靠性高，采用多個DSP嵌入式子系統構成分布式系統，利用分布式系統的并發(fā)性實現多個DSP的并行處理，滿足多任務、實時性的要求。同時，通過硬件和軟件冗余設計，保證了系統的可靠性。 本文采用TMS320F2812 DSP實現了三個同構的、具有多種實時信號處理和多個過程控制功能的嵌入式子系

2、統A、B、C，以CAN總線為通信網絡構成分布式系統。該系統能夠與外部測控中心實時交互，同時完成23路模擬信號的實時采集/預處理、16路數字信號處理、16路數字信號的輸出、1路脈沖信號處理、多路過程控制參數的實時計算、各種狀態(tài)及參數的實時記錄等。三個子系統的硬件設計完全相同，通過CAN總線與RS422串口交換信息，通過軟件配置為各子系統分配資源、動態(tài)分配任務，有效地均衡了各處理機的負載。三個子系統資源共享、互為備份，提高了整個系統的可靠性。 在實時系統中，如果系統的運行不能滿足響應時間的要求，將會導致整個系統的崩潰。因此，分布式系統各組件之間的通信和協調工作是實現系統各組件并發(fā)處理、系統資源共享

3、、均衡系統各組件的負載、提高整個系統的吞吐量、保證系統可靠工作的關鍵。 本文重點討論了各子系統之間的通信方式、系統的任務分配和系統的協調工作機制。 1、系統的構成 1.1 CAN總線 CAN（Controller Area Network）屬于總線式串行通信網絡。CAN總線有效地支持安全可靠的分布式實時控制系統，通信方式靈活、抗干擾能力強、可靠性高，直接通信距離遠可達10km（傳輸率5kbps以下），通信速率達1Mbps（通信距離40m以內），網上節(jié)點數可達110個。CAN總線為多主工作方式，可以方便地構成多機備份系統。 1.2 數字信號處理器 TMS320F2812 DSP是工業(yè)控制領域的一

4、種高端產品，具有速度快、功耗低、接口方便靈活、易于開發(fā)、高、兼容性好、資源豐富等特點。F2812采用哈佛總線構造，具有32位高性能的CPU，時鐘頻率為150MHz并支持動態(tài)改變鎖相環(huán)的頻率，擁有Flash等多種類型存儲器、PIE中斷模塊、A/D轉換模塊、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備，可以滿足各種應用的需求。 1.3 基于DSP的嵌入式子系統的硬件構成 基于TMSF2812 DSP的嵌入式子系統（見圖1）是為滿足實時多任務而設計的，硬件、軟件可根據需要開展裁剪，可靠性高、響應速度快、自動化程度高。 三個子系統的硬件設計完全相同，除DSP片上資源

5、外，每個子系統都擴展了非易失性存儲器（E2PROM或鐵電隨機存儲器）、SRAM、四路RS422接口（兩路RS232可選）、實時時鐘等輔助模塊。 1.4 系統的體系構造 該系統是由三個基于F2812 DSP的嵌入式子系統A、B、C通過CAN總線構成同構異步的分布式系統（見圖2）。三個子系統沒有主從關系，各子系統的功能根據系統狀態(tài)，通過任務分配策略，用軟件配置。三個子系統與硬件、軟件互為備份，提高了系統的可靠性。 三個子系統之間主要通過CAN總線開展信息交換，變化較慢的數據也可以通過UART串口開展交換。每個子系統都能夠同時接收信號，也能夠輸出控制信號。通過特殊的硬件設計，每個子系統都具有故障隔離

6、的功能，可以防止因為一個子系統出現故障而影響整個系統的工作。 2、分布式系統的協同工作 分布式系統的資源位于不同的位置，系統需要不斷監(jiān)視各組件的狀態(tài)，檢查資源的使用情況。當一個處理器出現故障時，系統應該立即響應，重新調配資源，規(guī)劃任務分配方案，確定任務分配策略，重構系統，必要時犧牲系統的某些性能，以保證系統正常工作。 2.1 系統狀態(tài)監(jiān)視 系統狀態(tài)包括每個子系統各個模塊的工作狀態(tài)（CPU、UART的工作狀態(tài)、片上存儲器（SDRAM、FLASH等）和片外存儲器（SRAM）、非易失性存儲器的分配情況）、每個子系統之間的通信狀態(tài)等。 分布式系統中，各子系統難以確定系統的狀態(tài)。為此，網絡上的每個子系統

7、應定時向其他子系統廣播，將各自的狀態(tài)通知其他子系統（見圖3）。如果在規(guī)定的時間內沒有收到某個子系統的消息，則認為該子系統出現故障，系統應重新配置系統資源、重新分配任務，重構系統。 圖3中：SCAB表示子系統A到B通信的情況。通過A、B、C之間的相互通信，確定系統的狀態(tài)。 不失一般性，令三個子系統的狀態(tài)的集合為SA、SB、SC，則系統狀態(tài)SS為： SS=（SASBSC） =Si|0iN（1） 其中：（A）表示A的冪集，N=|SS| 2.2 任務分配策略 一般情況下，多處理機任務分配問題是NP-完全的，通常是根據具體應用需求，確定一個可行的、比較滿意的任務分配策略。任務分配的目的是合理配置系統資源

8、，設法減少系統中各處理器間的通信開銷和執(zhí)行模塊所需的開銷。均衡負載是將系統擔負的任務合理地分配給系統中各處理機，限度地提高系統的吞吐量。一般來說，減少系統的通信量和均衡負載是相互矛盾的。因此，任務分配策略也就是限度地減少系統中各子系統間的通信量，同時均衡各子系統的負載，以此提高整個系統的性能。 系統的任務分配有兩種方式：自動方式和人工方式。自動分配方式是根據系統狀態(tài)和各子系統任務量的估計確定任務分配策略，通過軟件自動為各子系統分配任務。人工分配方式是測控中心通過指令為子系統分配任務。 不妨假設系統是由N個組件構成的一個分布式系統，擔負的任務為T，則： 在實際應用中，任務分配策略受多種因素的制約

9、和影響，如空間限制、信號干擾、通信距離等，所以，只能在一定條件下限度地滿足負載均衡、任務間通信量等任務分配原則。 在該系統的具體應用中，考慮到信號干擾和數據傳輸的要求，將系統擔負的任務主要分為信號的采集/預處理（SP）、信號運算（SC）、過程控制（SO）。SP任務主要擔負23路模擬信號的采集、AD轉換、信號濾波等；SC任務主要擔負各類信號的運算；SO任務主要擔負過程控制的參數計算、控制信號輸出、與測控中心實時交互等。經過測試，CPU對于SP、SC、SO任務的負載基本均衡，三個子系統之間的通信量基本相同。將擔負SP任務的子系統盡量放置在信號源附近，將擔負SO任務的子系統盡量放置在控制部件附近，可

10、以減小信號的干擾，同時也能減少數據的通信量?；谝陨弦蛩氐目紤]，根據系統狀態(tài)，確定如下表1所示的任務分配策略。 2.3 系統的協同工作 系統協同工作包括系統資源的統一調配（CPU、各類存儲器、事件管理器、GPIO等）、根據實際需求和系統狀態(tài)確定任務分配策略以及為各子系統分配任務。當系統狀態(tài)變化時，重新配置系統資源、確定任務分配策略，為每個子系統重新分配任務（見圖4）。該系統正常工作時，三個子系統分別擔負信號采集/預處理、信號運算和過程控制任務；當一個或兩個子系統出現故障時，系統通過CAN總線檢測各子系統情況，確定系統的狀態(tài)，根據任務分配策略，由其余子系統代替故障子系統的任務。當線路出現故障時，

11、由測控中心通過串口發(fā)送指令，人工分配任務，保證系統正常工作。 2.4 輔助通信、與測控中心交互 系統由三個子系統構成，每個子系統有四路RS422串口，記作Ai、Bi、Ci（i=1、2、3、4）。根據任務的需求，Ai、Bi、Ci連接在一起，分別完成信息采集、子系統之間輔助通信、與測控中心交互的任務。 與測控中心實時交互的目的是：一方面將系統狀態(tài)和各種參數傳送到測控中心；另一方面，測控中心可以發(fā)送指令，完成指定的任務。 測控中心實時監(jiān)視系統的工作狀態(tài)。當CAN總線工作正常時，系統自動完成任務分配等任務；當CAN總線出現斷路或其他線路故障時，測控中心發(fā)送指令給系統，人工分配任務，保證系統正常工作。 根據任務的需求，三個子系統的串口Ai、Bi、Ci（i=1、2、3、4）連接在一起發(fā)送數據時會發(fā)生沖突，因此，系統應根據各串口的工作狀態(tài)確定線路狀態(tài)，根據線路狀態(tài)決定對串口的讀寫。 本文介紹了由三個DSP嵌入式子系統構成的