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多CPU单片机系统设计在社区安防系统中的应用
多CPU单片机系统设计在社区安防系统中的应用 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，包括扫描各传输器模块状态、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，然后通信某种方法，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。
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 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节点芯片设计都是采用这种方法的，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个系统周期；
每个系统时钟周期 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个指令周期内部能访问存储区和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。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。尤其目前很多单片机都带有I2C接口，不用接口芯片 就中以把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台安装在社会值班室的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、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 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还应个有可添加扩展模块 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。
