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多 CPU单片机系统设计——在社区安防系统中的应用 华东地质学院周建勇 海南省公安厅何为民 摘要本文较为详细地介绍基于多CPU的单片机系统设计思想,并给出它在社区安全防范系统中的应用。 关键词多CPU安全防范系统设计 概述 随着人们生活水平的提高和科学技术的发展,安全防范的问题已引起了越来越多的关注。人们在承受现代文明所带来的高效率、快节奏压力的同时,都希望能拥有一个安全、舒适的家庭环境。因此,越来越多的安防产品应运而生,尤其是蓬勃发展的现代化社区物业管理,通过监控网络把家庭和社区值班室紧密地联系起来,给人们的生活带来了极大的方便。但是,有些社区监控网络并不能完全履行其职责,存在一定的安全隐患。主要原因是目前大多数的监控节点都是采用1个CPU完成所有的功能,包括扫描各传感器模块状态、信息处理、数据显示、报警、与上位机通信等等。这无疑给此CPU带来了很大的压力：一旦出现故障,使得此单片机不能正常工作,则该监控节点将完全瘫痪,报警信息将得不到有效的处理。另外,在一些实时性要求较高的多任务系统中,单CPU结构也将显得力不从心。那么,能否找到一种既简单又经济的解决办法,把目前服务器中较为流行的多CPU并行处理的设计思想融入到社区监控网络中来呢？答案是肯定的。随着单片机技术的发展,单片机的价格在不断下降,其价格甚至比一些常用的接口芯片还要低,这就使多CPU的单片机系统的成本大大降低。此外,由于采用多CPU的设计思想,将使系统在并行处理和实时采集数据方面具有明显的优势,能极大地提高系统的稳定性和可靠性。尤其是对一些功能稍微复杂一点的系统,多CPU系统设计方法将更能显示出它的优越性。那么,如何实现多CPU的单片机系统设计呢？本文将在这方面进行一些有益的探索。 一、 多CPU系统的设计原理 顾名思义,多CPU系统就是在1个系统中含有多个CPU。每个CPU独立地处理1个或少量的事务,然后通过某种方法,控制数据的合理流动,以完成设计要求的系统。其典型结构如图1所示。 图1多CPU系统结构从图1中可以看到,多CPU系统中一个非常重要的问题,是如何解决好各CPU之间数据的合理流动问题,以下是几种常用的方法。 1 利用双口RAM实现CPU之间的通信 双口RAM是一种高速的并行传输芯片,是实现CPU之间通信的一种简便有效的方法。常用的CMOS双口RAM有IDT7132、IDT7142等型号。IDT7132和6116类似,都是CMOS静态RAM,存储容量均为2KB。不同点在于IDT7132有两套I/O口,并有一套竞争裁决电路。因此,IDT7132内部的2KB存储器可以通过左右两边的任一组I/O口进行全异步的存储器读写操作,能方便地实现CPU之间的数据交换。采用双口RAM实现多CPU系统的示意图图2利用双口RAM实现CPU的通信如图2所示。 利用这种方法可以实现数据的高速传输。CPU对IDT7132的读写时间小于120ns,通常为几十ns。当工作电源为+5V时,其读写的最大功耗为325mW,而在维持工作时最大功耗仅为5mW。另外,由于双口RAM是一种通用芯片,因此,它在选择与CPU接口时具有较大的灵活性。不过这种方法也会增加电路设计的难度和成本。 2． 利用共享内存的方法实现CPU之间的通信 图3Neuron芯片的CPU结构这种方法与前面的方法类似。所不同的是,前一种方法是利用双口RAM的一套竞争裁决电路实现对RAM的访问,而这里是利用不同的时序实现共享内存的。LON网络中的Neuron节点芯片设计就是采用这种方法的,其典型结构如图3所示。 在Neuron芯片中,每个CPU最小周期等于3个系统钟周期;每个系统钟周期等于2个输入钟周期;3个CPU的最小周期分别间隔1个系统钟周期。这样,每个CPU在1个指令周期内都能访问存储区和ALU一次。系统对3个CPU采用了管道技术,在不影响性能的情况下降低硬件的需求。3个CPU可并行工作,不会造成耗时中断和上下文切换。 利用这种方法也能够实现CPU之间数据的高速传输,但是,它必须制成专用芯片,把CPU和RAM等元件封装在一起。因此,这种方法比较适合于特定的工业场合。 3． 利用总线的方法实现CPU之间的 通信 随着总线技术的发展,使得多主多从的单片机系统设计变得越来越简单。设计者只须通过接口芯片就可以将CPU挂到总线上去,实现CPU之间的通信,其典型的结构如图4所示。 图4总线方式下的多CPU结构这种方法具有结构简单、设计灵活、经济实惠的特点。在系统数据量不大,速度要求不是很高的情况下,应该是一种很好的选择方法。值得一提的是,在这种方法中,I2C总线以其结构简单、设计灵活、易于扩展和开发周期短的特点,越来越受到设计者的青睐。尤其是目前很多单片机都带有I2C接口,不用接口芯片就可以把CPU直接挂到总线上,使得电路设计更加简单、经济。本文的多CPU系统也是基于I2C总线的一种安防系统。 二、 基于多CPU下的社区 安防系统的设计方法1． 系统的拓扑结构 系统的拓扑图如图5所示。该系统实际上是一个3级分布式测控系统。第1级由1台安装在社区值班室的PC机组成,是整个系统的核心部分。它主要负责向各家庭数据终端（HDT）发出各种命令,接收返回信息,并进行数据库管理和报表统计等工作。第2级由安装在各家庭的家庭数据终端组成,相当于1个监控节点。它主要负责接收PC机发来的命令和向PC机发送各检测模块的检测信息,并进行显示、报警、存储等信息的处理。第3级由安装在家庭各房间的各种模块组成,包括烟感、红外等报警模块,水表图5社区安防系统拓扑结构、电表等数字模块和家电控制的控制模块。它主要负责检测和控制各控制对象的状态。 2． 家庭数据终端（HDT）的功能 图6家庭数据终端结构家庭数据终端是安装在家庭内部的1个监控节点,主要执行以下任务：（1）接收PC机发来的命令;（2）信息显示;（3）键盘扫描;（4）声光报警;（5）生成家庭状态字节,并向PC机发送各种状态信息;（6）报警信息储存,即“黑匣子”功能;（7）扫描各传感器模块状态。另外,HDT还应具有可添加扩展模块的功能。这些功能当然可以用1个CPU实现,但将给CPU带来较大的工作量,降低了系统的安全性和可靠性。因此,我们采用多CPU的思想进行系统的设计。 根据HDT的功能特点,将任务划分成3个部分,分别由3个CPU来完成。各CPU之间采用I2C总线进行通信,其结构如图6所示。CPU\ 1专门用于与PC机的通信,包括：（1）接收PC机发来的命令,并传送给其他CPU;（2）生成家庭状态字节,向PC机返回信息;（3）进行声光报警。CPU\ 2专门用于与第3级各模块的通信,包括：（1）扫描各传感器模块的报警状态,并及时通知其他CPU;（2）接收其他CPU传送过来的命令,对有关控制对象进行操作;（3）向AT24C64中存储报警记录,包括报警类型和报警时间,实现“黑匣子”功能。CPU\ 3专门用于信息显示和键盘扫描,包括：（1）接收PCF8583的数据,显示时间;（2）接收CPU\ 2传送来的信息,显示报警类型或故障位置;（3）扫描键盘,并向其他CPU发送命令,完成布防、撤防、修改密码等操作功能。在3个CPU之间,采用I2C总线进行连接;CPU选用Philips公司生产的P87LPC76X芯片。P87LPC76X芯片是一种20脚封装的单片机,适合于许多要求高集成、低成本的场合,具有较高的性能价格比,是Philips小型封装系列中的一员。它在提供很多新特征的同时,提供了I2C总线的通信接口。另外,它还提供了3个寄存器和中断控制位以实现对I2C总线的操作,因此,可以很容易地利用它的I2C接口实现多CPU的设计思想。 结束语 随着单片机技术的迅速发展,封装小、功能强、价格低的单片机将越来越多地被开发出来。单片机所执行的功能也会越来越专一,越来越简单。这将为多CPU系统的设计提供一个坚实的基础,也必然会提高系统的安全性和可靠性。MES 参考资料 1何为民低功耗单片微机系统设计北京：北京航空航天大学出版社,1994 2何立民I2C总线应用系统设计北京：北京航空航天大学出版社,1995 387LPC764 DatabookPhilips,1999 4Using the 87LPC76X in multi\ master I2C applicationsPhilips,2000 5杨育红LON网络控制技术及应用.西安：西安电子科技大学出版社,1999
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