FPGA单芯片四核二乘二取二的安全系统

2.3  系统切换
　　
系统切换是二乘二取二系统首要的功能要求，当工作单元出现故障，或者手动切换时，要求进行系统切换。本设计进行了两组故障检测。
　　
首先，为每个子系统的两个coreABC分别设置两个看门狗定时器，要求两个coreABC向各自的看门狗发送周期自检信号。若看门狗在溢出前收到该信号则CPU正常工作，否则溢出，该CPU判为故障。子系统的两个CPU中，只要有一个出现故障，在备机正常的情况下，系统就进行切换。
　　
其次，将CPU输出结果和子系统输出结果进行比较，若相同则系统正常，否则系统故障。若备用单元正常，则系统切换，取备用单元输出为系统输出。
　　
将主单元和备用单元的看门狗溢出信号分别记为WD_PLUSE_1、WD_PLUSE_2，比较器判决信号记为COM_RESULT_1、 COM_RESULT_2，手动切换信号记为SWITCH_1、SWITCH_2。只要系统故障或手动切换时，系统进行切换，由此可得切换信号为：
AUTO_RST_1=WD_PLUSE_1‖COM_RESULT_1‖SWITCH_1
AUTO_RST_2=WD_PLUSE_2‖COM_RESULT_2‖SWITCH_2
　　
系统切换通过以下语句实现：
SYS_OUT=(AUTO_RST_1&&AUTO_RST_2)?1'bz(AUTO_RST_1)?COM_OUT_2:COM_OUT_1);
　　
若主机正常工作，则输出取主机的比较输出；若主机故障，在备用单元正常时，则系统切换取备用单元的输出；若主机修复，则切换到主机工作；若两个子系统均故障，则系统故障。实现的流程如图4所示。


图4  系统切换流程
　　
对二乘二取二系统结构分析可知，二乘二取二结构同其他冗余方法双模和三模结构相比，系统的安全性可以在较长时间内保持在一个很高的水平。同时二乘二取二结构的系统可靠性和平均寿命等指标均较高，所以是一种综合性能比较好的冗余结构。

结语
　　
本文选择了合适的开发板资源，提出一种在FPGA中嵌入4个coreABC软核，实现二乘二取二系统的方法。恰当地利用单芯片有限的资源，嵌入 4个coreABC软核，遵循二乘二取二系统的工作原理，合理实现二取二总线比较判决、故障检测和二乘系统切换，经综合后烧入，检验系统功能完全正常。
　　
本设计的优势在于单芯片的功耗更小、电路设计更加便捷、系统可靠性和安全性更高、体积小、易维护和易升级换代，符合现阶段我国联锁系统向模块化、智能化、功能多样化方向发展的要求，大大扩展了嵌入式系统应用的广度和深度。嵌入式系统在应用领域发展迅速，随着FPGA技术的进步，单芯片内的逻辑门电路数量更多，软核的编写更加成熟。单芯片多软核的二乘二取二系统具有更强的生命力，它的高可靠性和低成本势必带来广阔的应用空间。

作者：   北京交通大学 敖俊秋 戴胜华 李翔