單板倒換電路的製作方法
2023-04-26 06:48:46 1
專利名稱：單板倒換電路的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種具備硬體自倒換功能的單板倒換電路。
在系統的可靠性設計中，單板具備可靠的倒換功能是一個重要的設計技術。常規的設計是利用對板的狀態，通過軟體控制單板進行倒換，通常存在如下幾種方式1、主倒備，後臺全權控制方式；2、主倒備，單板軟體控制方式；3、備倒主，後臺全權控制方式；4、備倒主，單板軟體控制方式。這裡所謂「單板」是指設備中能完成一定功能的一個或幾個電路裝置構成的單元，它可以是在一塊電路板上，也可以是在多個電路板上但統稱為一個「單板」，由於其功能較為重要，在單板上的裝置中如果有重要故障，需要用一個備用單板來取代，即所謂「倒換」到「對板」，此處所謂「對板」即指與主用單板相對應的備用單板。
上面的幾種倒換方式都各有不同的缺點。對於方式1，由主板發起倒換，倒向備板(即備板升為主板)，其過程由後臺檢測到主板故障後下命令倒換，如果出現主板與後臺的通信就不正常，那麼這個倒換的命令就無法執行，倒換是無效的。對於方式2，由主板單板內的CPU檢測後發起倒換，使備板升為主板，但是，如果CPU出現故障如死機，跑飛，同樣存在無法倒換的缺點；對於方式3、4，是由備板發起倒換，使自己升為主板，但存在同樣的問題。
上面的幾種倒換方式的另一缺點是倒換佔用時間長(如後臺倒換時可能達1～2秒)。由於上述幾種方式都需要將倒換電路做在EPLD(Erasableprogrammable Logic Device可擦除可編程邏輯器件)或FPGA(FieldProgrammable Gate Array現場可編程門陣列)器件內，這樣易受其他器件影響。
本實用新型的目的就是為了解決以上問題，提供一種不需後臺或CPU幹預、發現本單板硬體出錯或CPU轉死時就能立即倒換的單板倒換電路。
本實用新型實現上述目的的方案是一種單板倒換電路，通過接線端子分別與本板、對板和倒換動作機構相連，它包括本板故障檢測電路、倒換信號發起電路，其特徵是所述接線端子包括主備狀態反饋輸出端子StatFeedBack、低頻脈衝輸入端子PulseIn、主輸出連接端子/M_out、備輸入連接端子/S_In；其中主備狀態反饋輸出端子StatFeedBack與倒換動作機構相連；低頻脈衝輸入端子PulseIn與本板上的一個低頻脈衝輸出端子相連，該低頻脈衝依次經過一個或多個位於本板上的功能元件後輸入本端子，這些功能元件中有任何一個工作不正常時，該低頻信號將不能順利送至本端子；主輸出連接端子/M_out和備輸入連接端子/S_In分別與對板的備輸入連接端子/S_In和主輸出連接端子/M_out相連；所述本板故障檢測電路包括隔直電容C1、整流濾波電路和電子開關；隔直電容C1連接於低頻脈衝輸入端子PulseIn和整流濾波電路的輸入端之間，電子開關連接於整流濾波電路的輸出端和倒換信號發起電路之間；所述倒換信號發起電路包括一個或多個門電路，其輸出端接至主備狀態反饋輸出端子StatFeedBack和主輸出連接端子/M_out，其末級有一個與非門U1D，該與非門U1D的一個輸入端還與備輸入連接端子/S_In相連；因本板主輸出連接端子/M_out和備輸入連接端子/S_In分別與對板的備輸入連接端子/S_In和主輸出連接端子/M_out相連，使本板倒換信號發起電路末級與非門U1D和對板倒換信號發起電路末級與非門構成互鎖電路。
本實用新型的有益效果第一、由於採用了以上的方案，使用了隔離電容，利用脈衝信號作為板內器件的檢測信號，提供故障信息，保證了本倒換電路和其他電路的隔離，互不影響。使用時，可選擇使該低頻脈衝信號依次經過一個或多個位於本板上的功能元件後輸入本電路。當低頻信號所經過的路徑上任何一個或多個功能元件故障時，該低頻信號無法到達本電路，此時電路即識別為故障，進而發起倒換。單板或對板出現故障往往是由於其中的「功能元件」故障或「功能元件」之間的通訊故障造成的，所以探測單板故障實際上就可以通過探測這些功能元件的故障而進行。(此處所謂「功能元件」是指單板上的CPU、I/O晶片、EPLD、FPGA可編程器件等完成電路功能的元件。)第二、這種電路設計使之可以採用外部分立元器件構成倒換電路，這就避免了把倒換電路做在EPLD或FPGA器件內受其他器件影響的缺點，同時外部的器件，由於工藝非常成熟，可靠性也是能得到保證的。第三、其倒換信號由本電路中的分立元件電路完成，倒換不需後臺或CPU幹預，這樣發現本單板硬體出錯或CPU轉死時就能立即倒換。
圖1是本實用新型實施例倒換電路原理示意圖。
圖2是本實用新型倒換電路在一種使用方式時的連接示意圖。
圖3是本實用新型倒換電路在另一種使用方式時的連接示意圖。
下面通過具體的實施例並結合附圖對本實用新型作進一步詳細的描述。
見圖1，所示是本例的單板倒換電路，通過接線端子分別與本板、對板和倒換動作機構相連，它包括本板故障檢測電路、倒換信號發起電路。
所述接線端子包括主備狀態反饋輸出端子StatFeedBack、低頻脈衝輸入端子PulseIn、主輸出連接端子/M_out、備輸入連接端子/S_In。其中主備狀態反饋輸出端子StatFeedBack與倒換動作機構相連(當倒換動作機構接到此信號時，可導致倒換開關運作)，該端子輸出本板的主備狀態，由於信號取之於U1D的11腳，所以該端子輸出為低電平時，表示本板為主用，輸出高電平，則表示本板為備用。本端子經過R5進行隔離(如下面將述)，所以不會影響倒換的進行。
低頻脈衝輸入端子PulseIn與本板上的一個低頻脈衝輸出端子相連，該低頻脈衝依次經過一個或多個位於本板上的功能元件後輸入本端子，這些功能元件中有任何一個工作不正常時，該低頻信號將不能順利送至本端子，這時本倒換電路將其解釋為單板有故障。該脈衝是電路進行硬體檢測和自動倒換的關鍵。
主輸出連接端子/M_out和備輸入連接端子/S_In分別與對板的備輸入連接端子/S_In和主輸出連接端子/M_out相連。/M_out輸出低電平則為本板主用。S_in輸入高電平為本板主用。因此主用板電平組合為/M_out＝0，/S_In＝1；備用板(備板)的電平組合為
/M_out＝1，/S_In＝0。
值得注意的是，本例中，還有一個接線端子CPUcontrl——CPU執行倒換的控制輸入端子。這是為了兼容軟體(CPU)控制倒換的常規方式而設(當然也可設置為兼容後臺控制方式)，當本板處於主用狀態時，該CPU控制端子將有效，通過輸入低電平，可以由CPU提出要求使本板從主用變為備用狀態。這時就象常規的倒換方式一樣。
所述本板故障檢測電路包括隔直電容C1、整流濾波電路和電子開關；隔直電容C1連接於低頻脈衝輸入端子PulseIn和整流濾波電路的輸入端之間，電子開關連接於整流濾波電路的輸出端和倒換信號發起電路之間。所述整流濾波電路包括整流二極體D1、濾波電容C2和電阻R1，所述電子開關主要由三極體Q1組成；所述整流二極體D1是串聯型雙二極體，其串接點與隔直電容C1相連，串聯後的陽極接地，陰極通過濾波電容C2接地，通過電阻R1接三極體Q1的基極，三極體Q1的發射極接地，集電極通過電阻R2接電源Vcc。
以C1、C2、D1、R1、R2、Q1產生脈衝整流平滑電路，C1耦合輸入的50HZ的脈衝，經D1、R1、C2的整流濾波後，提供給Q1的基極電流，使Q1導通。為了使Q1能進入飽和狀態，R2的取值應該比較大，一般應滿足如下的關係Ib*B＞＞Icm其中B為Q1的直流放大係數Ib為基極電流，Icm為集電極飽和電流。
這裡要理解的是C1的採用，C1的隔直性能也使該倒換單元電路與其他電路隔離，只允許低頻交流脈衝的通過，其他電路如果是一種直流電平方式加在電容器，將會被該倒換電路理解為無脈衝，從而通過本倒換電路發生自動倒換。
所述倒換信號發起電路包括一個或多個門電路，其輸出端接至主備狀態反饋輸出端子StatFeedBack和主輸出連接端子/M_out，其末級有一個與非門U1D，該與非門U1D的一個輸入端還與備輸入連接端子/S_In相連。因本板主輸出連接端子/M_out和備輸入連接端子/S_In分別與對板的備輸入連接端子/S_In和主輸出連接端子/M_out相連，使本板倒換信號發起電路末級與非門U1D、對板倒換信號發起電路末級與非門構成互鎖電路。所述倒換信號發起電路輸出端通過電阻R5接至主備狀態反饋輸出端子StatFeedBack，通過電阻R3接至主輸出連接端子/M_out，其末級為與非門U1D，該與非門U1D的一個輸入端還與備輸入連接端子/S_In相連並通過電阻R4接地。
具體到本例，為與Q1相配合，所述倒換信號發起電路第一級為一個與非門U1A。為了引入CPU執行倒換的控制輸入端子CPUcontrol，所述倒換信號發起電路中的門電路還包括二個與非門U1B、U1C。從控制等級說，CPUcontrl屬於低級的控制端，也就是說，如果倒換電路的PulesIn沒有低頻脈衝輸入，表示單板的關鍵器件有損壞或CPU出問題，此時將封閉CPUcontrl，利用本實用新型的倒換電路進行自動倒換；如果脈衝的輸入正常，那麼表明CPU的工作正常，此時CPUcontrl才有權決定倒換。
U1A、U1B、U1C、U1D依次級聯。它們通過二極體D2與電源Vcc相連，二極體D2陽極接電源Vcc，陰極接與非門U1A、U1B、U1C、U1D的電源輸入端。
如前所述，U1D與對板的與非門組成R-S觸發器，產生互鎖信號。其中R3串在U1D的輸出端，能消除插入單板時產生的毛刺。僅從圖1的單元電路看，當本倒換電路單獨存在時，由於R4接地，U1D的11腳將一直是高電平，這樣兩個輸出端子的電平組合為/M_out＝1，/S_In＝0，這是一種備板狀態。這個好處是解決帶電插入單板時的搶主問題。為了分析電路，需結合與母板間的關係，見圖2。圖中，單板A、單板B一個為主板，其上的接線端子標號分別為StatFeedBack-1、PulseIn-1、/M_out-1、/S_In-1、CPUcontrol-1，另一個為備板，其上的接線端子標號分別為StatFeedBack-2、PulseIn-2、/M_out-2、/S_In-2、CPUcontrol-2。
圖2的/M_out和S_in是主備板相互交叉連接的，即/M_out-2接/S_In-1，/M_out-1接/S_In-2，每根交叉線都有一個上拉電阻Rp1、Rp2(上端接Vcc)，是做在母板上的。當備板要插入母板時，通常是插針未接觸到插座，單板已經通過帶電插拔柱提供了電源，但由於此時待插備板S_in的R4接地，所以該備板一直保持/M_out＝1，S_in＝0，這樣，就保證備板剛的插針接觸時，對接端子的電平是與主備板處於穩態時的電平狀態一致，因此，該倒換電路能有效地克服其他倒換帶電插拔瞬間可能搶主的問題。
本倒換電路還允許用於只有一塊單板工作的情況，如圖3表示了本倒換電路在單板中的使用方式。
如果只有一塊單板工作，由於母板的上拉電阻Rp1、Rp2與倒換單元電路R4的分壓，分壓電壓點選在V＝2.8v左右，屬於高電平，所以/M_out將為高電平，這意味著在只有本板的情況，將會自動置為主用板。當然，如果只有一塊單板工作，恰好又遇到CPU或其他重要元件損壞，那麼電路將同樣會使自己變為備板，不過既然器件已壞，成為主板的意義也不大，同樣，變成備板也不會造成什麼多餘的損失。
由於引入了低頻脈衝，所以可利用它進行對其他電路或晶片的部分好壞檢測。例如，假如從CPU發出的低頻脈衝，是由單板軟體程序的主程序產生的，然後經過第一、二、三可編程晶片，並通過第一、二I/O晶片，那麼下列情況都會自動倒換*CPU晶片損壞；*CPU的單板軟體程序跑飛，進入死循環；*第一、二、三可編程晶片任一損壞或加載不上；*第一、二I/O晶片任一損壞。
因此，利用這個低頻脈衝和晶片電路的空餘管腳，就可以起到自動檢測的功能，不受其他電路的影響，只要任一低頻脈衝通過的路徑不通，就無法傳遞脈衝信號，Q1得不到基極偏壓，處於截止狀態，即U1A的1，2腳為高電平，引起倒換，使本板淪為備板，對板升為主板。
值得注意的是，引入低頻脈衝的晶片都將列為本倒換電路監控的對象，即所有引入低頻脈衝的晶片在故障時都將導致倒換。所以，低頻脈衝的引入晶片一定要是關鍵性的，對於非關鍵性的晶片，建議不必引入，以避免過於頻繁的倒換和不必要的倒換。
對於該倒換單元電路的故障隔離能力，是由以下幾方面來保證的1、倒換電路末級，即R-S互鎖電路，一定要選用74F系列的門晶片，它有掉電後保持幾十千歐姆的電阻，其先決條件是門晶片的VCC與GND應該有較大電阻；2、D2的使用，單獨通過D2給門電路U1供電，出現單板的保險管燒毀，即單板沒有電源又在線時，對板對該電路的灌電流和拉電流就會很小，幾乎可以忽略。其實，D2就是保證上面一點的先決條件。
採用74F系列的另一原因是提高切換瞬間的時間，實際的測試同樣表明該電路的穩定切換時間Ts＜10us。另外，提供了兩個端子CPUcontrl和StatFeedback與CPU聯繫，使CPU能根據本板檢測到的各種信息，或後臺的命令來判斷是否執行倒換電路。
使用74F系列小規模IC做倒換電路末級，並用隔離二級管為倒換電路末級供電，解決斷電時會「拖死」對板的問題。
3、把門控電路的一個電阻移到母板，解決帶電插拔時其他倒換電路可能帶來搶主的現象。
綜上所述，上面所描述的實施例中，其倒換電路將有如下優點*硬體故障出現能可靠地自動在線熱倒換；*獨立的電路結構，保證不受其他電路或器件的影響；*能比較全面地感知關鍵的可編程邏輯器件，CPU，接口晶片等關鍵器件故障，從而自動倒換；*能夠具有故障隔離能力，即主備板有一塊沒有電(如單板內保險管燒毀)時，不會影響另一單板的正常工作；*保證帶電插拔時不會出現搶主的情況；*保證穩定切換速度在微秒級；*兼容後臺倒換、本板軟體(通過CPU)倒換控制方式；*電路的結構簡單，可靠性高。
權利要求1.一種單板倒換電路，通過接線端子分別與本板、對板和倒換動作機構相連，它包括本板故障檢測電路、倒換信號發起電路，其特徵是所述接線端子包括主備狀態反饋輸出端子StatFeedBack、低頻脈衝輸入端子PulseIn、主輸出連接端子/M_out、備輸入連接端子/S_In；其中主備狀態反饋輸出端子StatFeedBack與倒換動作機構相連；低頻脈衝輸入端子PulseIn與本板上的一個低頻脈衝輸出端子相連，該低頻脈衝依次經過一個或多個位於本板上的功能元件後輸入本端子，這些功能元件中有任何一個工作不正常時，該低頻信號將不能順利送至本端子；主輸出連接端子/M_out和備輸入連接端子/S_In分別與對板的備輸入連接端子/S_In和主輸出連接端子/M_out相連；所述本板故障檢測電路包括隔直電容C1、整流濾波電路和電子開關；隔直電容C1連接於低頻脈衝輸入端子PulseIn和整流濾波電路的輸入端之間，電子開關連接於整流濾波電路的輸出端和倒換信號發起電路之間；所述倒換信號發起電路包括一個或多個門電路，其輸出端接至主備狀態反饋輸出端子StatFeedBack和主輸出連接端子/M_out，其末級有一個與非門U1D，該與非門U1D的一個輸入端還與備輸入連接端子/S_In相連；因本板主輸出連接端子/M_out和備輸入連接端子/S_In分別與對板的備輸入連接端子/S_In和主輸出連接端子/M_out相連，使本板倒換信號發起電路末級與非門U1D和對板倒換信號發起電路末級與非門構成互鎖電路。
2.如權利要求1所述的單板倒換電路，其特徵是所述整流濾波電路包括整流二極體D1、濾波電容C2和電阻R1，所述電子開關主要由三極體Q1組成；所述整流二極體D1是串聯型雙二極體，其串接點與隔直電容C1相連，串聯後的陽極接地(GND)，陰極通過濾波電容C2接地，並通過電阻R1接三極體Q1的基極，三極體Q1的發射極接地，集電極通過電阻R2接電源Vcc。
3.如權利要求1或2所述的單板倒換電路，其特徵是電路中還包括CPU執行倒換的控制輸入端子CPUcontrol，所述倒換信號發起電路中的門電路包括四個依次級聯的與非門U1A、U1B、U1C、U1D，其中第二級與非門U1B的輸入端與CPU執行倒換的控制輸入端子CPUcontrol相連。
4.如權利要求1或2所述的單板倒換電路，其特徵是所述倒換信號發起電路輸出端通過電阻R5接至主備狀態反饋輸出端子StatFeedBack，並通過電阻R3接至主輸出連接端子/M_out，其末級為與非門U1D，該與非門U1D的一個輸入端還與備輸入連接端子/S_In相連並通過電阻R4接地；主輸出連接端子/M_out在與對板上的備輸入連接端子/S_In相連後，其連接點通過母板上的上拉電阻Rp1與母板電源相連；備輸入連接端子/S_In在與對板上的主輸出連接端子/M_out相連後，其連接點通過母板上的上拉電阻Rp2與母板電源相連。
5.如權利要求3所述的單板倒換電路，其特徵是所述倒換信號發起電路輸出端通過電阻R5接至主備狀態反饋輸出端子StatFeedBack，通過電阻R3接至主輸出連接端子/M_out，其末級與非門U1D的一個輸入端還與備輸入連接端子/S_In相連並通過電阻R4接地；主輸出連接端子/M_out在與對板上的備輸入連接端子/S_In相連後，其連接點通過母板上的上拉電阻Rp1與母板電源相連；備輸入連接端子/S_In在與對板上的主輸出連接端子/M_out相連後，其連接點通過母板上的上拉電阻Rp2與母板電源相連。
6.如權利要求1或2所述的單板倒換電路，其特徵是所述與非門U1D通過二極體D2與電源Vcc相連，二極體D2陽極接電源Vcc，陰極接與非門U1D的電源輸入端。
7.如權利要求3所述的單板倒換電路，其特徵是所述與非門U1A、U1B、U1C、U1D通過二極體D2與電源Vcc相連，二極體D2陽極接電源Vcc，陰極接與非門U1A、U1B、U1C、U1D的電源輸入端。
8.如權利要求4所述的單板倒換電路，其特徵是所述與非門U1A、U1B、U1C、U1D通過二極體D2與電源Vcc相連，二極體D2陽極接電源Vcc，陰極接與非門U1A、U1B、U1C、U1D的電源輸入端。
9.如權利要求5所述的單板倒換電路，其特徵是所述與非門U1A、U1B、U1C、U1D通過二極體D2與電源Vcc相連，二極體D2陽極接電源Vcc，陰極接與非門U1A、U1B、U1C、U1D的電源輸入端。
專利摘要本實用新型公開一種單板倒換電路,通過接線端子分別與本板、對板和倒換動作機構相連,它包括本板故障檢測電路、倒換信號發起電路。接線端子包括主備狀態反饋輸出端子、低頻脈衝輸入端子、主輸出連接端子、備輸入連接端子;本板故障檢測電路包括隔直電容、整流濾波電路和電子開關;倒換信號發起電路包括一個或多個門電路,其末級與非門與對板相應與非門構成互鎖電路。本電路在單板出現故障時能自動實現倒換,電路結構簡單,可靠性高。
文檔編號H05K10/00GK2398802SQ9924560
公開日2000年9月27日 申請日期1999年9月21日 優先權日1999年9月21日
發明者陳榮標, 舒曦輝 申請人:深圳市華為技術有限公司