基于温备份技术的高可靠嵌入式控制器设计
由于主系统与备份系统的接口信号都连在一条总线上，为了保证处于休眠和掉电状态的备份系统的引脚信号不影响总线上的信号，要求主备份系统的FPGA与MCU连在总线上的引脚必须处于高阻态。IGLOO系列FPGA所有的引脚在休眠和掉电状态下处于高阻态，而MSP430所有的引脚在休眠状态下则保持不变，因而在MCU与总线的连接中间需插入隔离电路，以保证备份系统的MCU不会影响总线信号。
2.2 可靠性设计
本文采用的新型温备份技术与标准的温备份技术不同，它没有使用共享RAM来定时存储实验关键数据，而是采用加电的备份系统MCU来进行存储。标准温备份系统架构如图2所示。备份系统在空闲状态下处于休眠状态，消耗极少的功耗。
新型温备份系统比标准温备份系统有更高的可靠性。使用旁联模型对两者进行任务可靠性建模，模型如图3、图4所示[9]。
尽管旁联模型可以大大提高系统的可靠度，但是增加了故障检测与转换装置而加大了系统的复杂度，而且要求故障检测与转换装置的可靠度非常高，否则冗余带来的好处会被严重削弱。针对这塑封电感一体成型电感一问题，本设计的故障检测采用的方法是检测两套系统的心跳信号及工作系统的下插件电感器行数据的正确性。备份系统心跳信号的硬件电路如图5所示，BeatB信号是MCU的通用输出引脚产生的心跳信号，ISO_CTLB信号指示了MCU是处于备份状态或工作状态，根据三个电阻不同的电阻比值可以设定输出心跳信号的高低电平值，其中两个二极管的作用是保护内部电路。
转换装置通过对失效系统的断电来实现其功能；备份系统对主系统的电源进行监测。当备份系统发现主系统的供电电压降至逻辑低电平时，备份系统被激活进入工作状态，从Flash中读取实验关键数据和实验进程相关信息并接替实验控制任务。
2.3 供电系统设计
供电系统采用双通道的冗余设计，支持7~40 V的宽范围电压输入，为控制器提供了3.3 V、2.5 V和1.5 V的供电电压,系统框图如图6所示。为了保证高效率和小体积的平衡，第一级采用DC/DC电压转换器实现宽范围电压输入并保证较高的效率，第二级采用低压差线性稳压器进一步降压。主备份系统的通断电通过磁保持继电器进行控制。
3 软件设计
3.1 FPGA逻辑设计
FPGA实现的是数据复接功能，完成两路串行输入数据的复接并通过串行接口输出。复接器在FPGA中实现分为3个模块：串行输入模块、复接模块和串行输出模块，如图7所示。两路LVDS数据通过串行输入模块存临安电感厂储在相应的FIFO中，复接模块中的控制逻辑同步地取出电感器厂家1个或2个FIFO中的数据并通过复接单元复接后存入FIFO3，串行输出模块将FIFO3中的数据取出并发送。
3.2 MCU软件
主系统的MCU与备份系统的MCU的软件功能有所不同：主MCU完成实验的控制、数据的采集处理以及向备份MCU定时备份实验关键数据及实验进程信息；备份MCU除定时接收主MCU发送的备份数据外，其余时间处于休眠状态。主备份MCU采用统一的程序设计，程序流程图如图8所示。主备份MCU按照特定输入引脚的电平值确定本系统是主系统或备份系统，从而运行不同的程序。
若主MCU出现暂时性故障，则主MCU内置的看门狗电路会重启主MCU，读入故障前的最后一次备份信息，继续实验。若主MCU出现永久性故障，则主系统进入掉电状态，而备份MCU读取Flash中的备份信息并接替主系统进行实验控制。平面变压器厂家 | 平面电感厂家
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