多CPU單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在社區(qū)安防系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　摘要：本文較為詳細(xì)地介紹基于多CPU的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，并給出它在社區(qū)安全防范系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：多CPU 安全防范 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

概述

　　隨著人們生活水平的提高和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，安全防范的問題引起了越來越多的關(guān)注。人們?cè)诔惺墁F(xiàn)代文明所帶來的高效率、快節(jié)奏壓力的同時(shí)，都希望能擁有一個(gè)安全、舒適的家庭環(huán)境。因此，越來越多的安防產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，尤其是蓬勃發(fā)展的現(xiàn)代化社區(qū)物業(yè)管理，通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)把家庭和社區(qū)值班室緊密地聯(lián)系起來，給人們的生活帶來了極大的方便。但是，有些社區(qū)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)并不能完全履行其職責(zé)，存在一定的安全隱患。主要原因是目前大多數(shù)的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)都是采用1個(gè)CPU完成所有的功能，包括掃描各傳輸器模塊狀態(tài)、信息處理、數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警、與上位機(jī)通信等等。這無疑給此CPU帶來了很大的壓力：一旦出現(xiàn)故障，使得此單片機(jī)不能正常工作，則該監(jiān)控節(jié)點(diǎn)將完全癱瘓，報(bào)警信息將得不到有效的處理。另外，在一些實(shí)時(shí)性要求較高的多任務(wù)系統(tǒng)中，單CPU結(jié)構(gòu)也將顯得力不從心。那么，能否找到一種既簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)的解決辦法，把目前服務(wù)器中較為流行的多CPU并行處理的設(shè)計(jì)思想融入到社區(qū)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中來呢？答案是肯定的。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的價(jià)格在不斷下降，其價(jià)格甚至比一些常用的接口芯片還要低，這就使多CPU的單片機(jī)系統(tǒng)的成本大大降低。此外，由于采用多CPU的設(shè)計(jì)思想，將使系統(tǒng)在并行處理和實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能極大地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。尤其是對(duì)一些功能稍微復(fù)雜一點(diǎn)的系統(tǒng)，多CPU系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法將更能顯示出它的優(yōu)越性。那么，如何實(shí)現(xiàn)多CPU的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)呢？本文將在這方面進(jìn)行一些有益的探索。

一、多CPU系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

　　顧名思義，多CPU系統(tǒng)就是在1個(gè)系統(tǒng)中含有多個(gè)CPU。每個(gè)CPU獨(dú)立地處理1個(gè)或少量的事務(wù)，然后通信某種方法，控制數(shù)據(jù)的合理流動(dòng)，以完成設(shè)計(jì)要求的系統(tǒng)。其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　從圖1中可以看到，多CPU系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的問題，是如何解決好各CPU之間數(shù)據(jù)的合理流動(dòng)問題，以下是幾種常用的方法。

1.利用雙口RAM實(shí)現(xiàn)CPU之間的通信

　　雙口RAM是一種高速的并行傳輸芯片，是實(shí)現(xiàn)CPU之間通信的一種簡(jiǎn)便有效的方法。常用的CMOS雙口RAM有IDT7132、IDT7142等型號(hào)。IDT7132和6116類似，都是CMOS靜態(tài)RAM，存儲(chǔ)容量均為2KB。不同點(diǎn)在于IDT7132有兩套I/O口，并有一套競(jìng)爭(zhēng)裁決電路。因此，IDT7132內(nèi)部的2KB存儲(chǔ)器可以通過左右兩邊的任一組I/O口進(jìn)行全異步的存儲(chǔ)器讀寫操作，能方便地實(shí)現(xiàn)CPU之間的數(shù)據(jù)交換。采用雙口RAM實(shí)現(xiàn)多CPU系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。

　　利用這種方法可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。CPU對(duì)IDT7132的讀寫時(shí)間小于120ns，通常為幾十ns。當(dāng)工作電源為+5V時(shí)，其讀寫的最大功耗為325mW，而在維持工作時(shí)最大功耗僅為5mW。另外，由于雙口RAM是一種通用芯片，因此，它在選擇與CPU接口時(shí)具有較大的靈活性。不過這種方法也會(huì)增加電路設(shè)計(jì)的難度和成本。

2.利用共享內(nèi)存的方法實(shí)現(xiàn)CPU之間的通信

　　這種方法與前面的方法類似。所不同的是，前一種方法是利用雙口RAM的一套競(jìng)爭(zhēng)裁決電路實(shí)現(xiàn)對(duì)RAM的訪問，而這里是利用不同的時(shí)序?qū)崿F(xiàn)共享內(nèi)存的。LON網(wǎng)絡(luò)中的Neuron節(jié)點(diǎn)芯片設(shè)計(jì)都是采用這種方法的，其典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　在Neuron芯片中，每個(gè)CPU最小周期等于3個(gè)系統(tǒng)周期；每個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期等于2個(gè)輸入鐘周期；3個(gè)CPU的最小周期分別間隔1個(gè)系統(tǒng)鐘周期。這樣，每個(gè)CPU在1個(gè)指令周期內(nèi)部能訪問存儲(chǔ)區(qū)和ALU一次。系統(tǒng)對(duì)3個(gè)CPU采用了管道技術(shù)，在不影響性能的情況下降低硬件的需求。3個(gè)CPU可并行工作，不會(huì)造成耗時(shí)中斷和上下文切換。

　　利用這種方法也能夠?qū)崿F(xiàn)CPU之間數(shù)據(jù)的高速傳輸，但是，它必須制成專用芯片，把CPU和RAM等元件封裝在一起。因此，這種方法比較適合于特定的工業(yè)場(chǎng)合。

3.利用總線的方法實(shí)現(xiàn)CPU之間的通信

　　隨著總線技術(shù)的發(fā)展，使得多主多從的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得越來越簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)者只須通過接口芯片就可以將CPU掛到總線上去，實(shí)現(xiàn)CPU之間的通信，其典型的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　這種方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的特點(diǎn)。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)量不大，速度要求不是很高的情況下，應(yīng)該是一種很好的選擇方法。值得一提的是，在這種方法中，I2C總線以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活、易于擴(kuò)展和開發(fā)周期短的特點(diǎn)，越來越受到設(shè)計(jì)者的青睞。尤其目前很多單片機(jī)都帶有I2C接口，不用接口芯片就中以把CPU直接掛到總線上，使得電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。本文的多CPU系統(tǒng)也是基于I2C總線的一種安防系統(tǒng)。

二、基于多CPU下的社區(qū)安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

1.系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)的拓?fù)鋱D如圖5所示。該系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)3級(jí)分布式測(cè)控系統(tǒng)。第1級(jí)由1臺(tái)安裝在社會(huì)值班室的PC機(jī)組成，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。它主要負(fù)責(zé)向各家庭數(shù)據(jù)終端（HDT）發(fā)出各種命令，接收返回信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理和報(bào)表統(tǒng)計(jì)等工作。第2級(jí)由安裝在各家庭的家庭數(shù)據(jù)終端組成，相當(dāng)于1個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。它主要負(fù)責(zé)接收PC機(jī)發(fā)來的命令和向PC機(jī)發(fā)送各檢測(cè)模塊的檢測(cè)信息，并進(jìn)行顯示、報(bào)警、存儲(chǔ)等信息的處理。第3級(jí)由安裝在家庭各房間的各種模塊組成，包括煙感、紅外等報(bào)警模塊，水表、電表等數(shù)字模塊和家電控制的控制模塊。它主要負(fù)責(zé)檢測(cè)和控制各控制對(duì)象的狀態(tài)。

2.家庭數(shù)據(jù)終端（HDT）的功能

　　家庭數(shù)據(jù)終端是安裝在家庭內(nèi)部的1個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，主要執(zhí)行以下任務(wù)：（1）接收PC機(jī)發(fā)來的命令；（2）信息顯示；（3）鍵盤掃描；（4）聲光報(bào)警；（5）生成家庭狀態(tài)字節(jié)，并向PC機(jī)發(fā)送各種狀態(tài)信息；（6）報(bào)警信息儲(chǔ)存，即“黑匣子”功能；（7）掃描各傳感器模塊狀態(tài)。另外，HDT還應(yīng)個(gè)有可添加擴(kuò)展模塊的功能。這些功能當(dāng)然可以用1個(gè)CPU實(shí)現(xiàn)，但將給CPU帶來較大的工作量，降低了系統(tǒng)的安全性和可靠性。因此，我們采用多CPU的思想進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　根據(jù)HDT的功能特點(diǎn)，將任務(wù)分成3個(gè)部分，分別由3個(gè)CPU來完成。各CPU之間采用I2C總線進(jìn)行通信，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。CPU-1專門用于與PC機(jī)的通信，包括：（1）接收PC機(jī)發(fā)來的命令，并傳送給其他CPU；（2）生成家庭狀態(tài)字節(jié)，向PC機(jī)返回信息；（3）進(jìn)行聲光報(bào)警。CPU-2專門用于與第3級(jí)各模塊的通信，包括：（1）掃描各傳感器模塊的報(bào)警狀態(tài)，并及時(shí)通知其他CPU；（2）接收其他CPU傳送過來的命令，對(duì)有關(guān)控制對(duì)象進(jìn)行操作；（3）向AT24C64中存儲(chǔ)報(bào)警記錄，包括報(bào)警類型和報(bào)警時(shí)間，實(shí)現(xiàn)“黑匣子”功能。CPU-3專門用于信息顯示和鍵盤掃描，包括：（1）接收PCF8583的數(shù)據(jù)，顯示時(shí)間；（2）接收CPU-2傳送來的信息，顯示報(bào)警類型或故障位置；（3）掃描鍵盤，并向其他CPU發(fā)送命令，完成布防、撤防、修改密碼等操作功能。在3個(gè)CPU之間，采用I2C總線進(jìn)行連接；CPU選用Philips公司生產(chǎn)的P87LPC76X芯片。P87LPC76X芯片是一種20腳封裝的單片機(jī)，適合于許多要求高集成、低成本的場(chǎng)合，具有較高的性能價(jià)格比，是Philips小型封裝系列中的一員。它在提供很多新特征的同時(shí)，提供了I2C總線的通信接口。另外，它還提供了3個(gè)寄存器和中斷控制位以實(shí)現(xiàn)對(duì)I2C總線的操作，因此，可以很容易地利用它的I2C接口實(shí)現(xiàn)多CPU的設(shè)計(jì)思想。

結(jié)束語

　　隨著單片機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，封裝小、功能強(qiáng)、價(jià)格低的單片機(jī)越來越多地被開發(fā)出來。單片機(jī)所執(zhí)行的功能也會(huì)越來越專一，越來越簡(jiǎn)單。這將為多CPU系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也必然會(huì)提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。