分布式信號源主控仲裁算法設計

　　摘要為提升多通道發射機的可靠性和通用性，設計一種分布式信號源主控仲裁算法。在一個采用分布式架構的信號源中，各個節點通過網絡交互，選出唯一主控，統一管理所有節點的工作參數、固件版本等內容。當現有主控下線或有新節點加入時，節點通過交互選出新主控，整個系統不受影響。功能驗證符合設計要求。

　　關鍵詞：多通道信號源;分布式系統;主控仲裁;F28m35

　　《電子技術與軟件工程》(半月刊)創刊于2012年，由中國電子學會主辦。旨在全方位推廣信息時代下電氣、電力、電工科學意識;關注電子各專業技術以及最新科研成果和進展;介紹軟件工程、科技、信息技術在社會各領域的應用，關注科技傳播與公民科學文化素質的提升。

　　1基本框架介紹

　　多通道信號源是聲吶發射機架構的重要分支。它可以將實時信號產生任務分配到多個處理器中完成，實現復雜的發射任務;還可以擴充發射通道，實現多通道發射任務。多通道信號源通常被設計成為“一個主控，多個節點”的結構，如圖1所示。主控機與上位機通信，然后將工作參數下發給各個信號源節點，由各個節點單獨完成功能。多通道信號源有時也被設計成如圖2所示的結構，所有信號源節點采用相同的硬件設計，通過設定撥碼等方式，在特定位置的信號源節點上實現主控功能，省去了主控硬件。

　　無論是獨立主控板或是承擔主控功能的信號源板，在整個系統中都非常重要，一旦故障或下線，將嚴重影響設備正常功能。在圖2框架的基礎上，如果所有在線信號源節點都能被靈活的配置成主控節點，承擔主控任務，就能有效降低失去主控的風險。本文設計了一種主控仲裁算法，使系統中主控機可以在線進行智能變更，每個在線的信號源節點都能承擔主控任務，使系統中的主控始終保持在線。

　　2算法原理與設計

　　分布式信號源主要包含信號源節點和網絡連接。仲裁算法是在網絡連接基礎上各個信號源節點之間的交互過程，為了實現節點間交互也需要對節點進行一些設計，所以軟件設計從節點設計和算法設計兩方面考慮。

　　2.1節點設計

　　在整個網絡中，每個信號源節點具有3個屬性：信息版本號、節點地址、節點權限。節點信息是節點攜帶的可以共享給其它節點的信息，如工作參數、固件等。在本文的分布式網絡中規定，節點信息只能由主控節點分發，所有信息都有對應版本號(如工作參數的接收時戳、固件的軟件版本號等)，主控節點需保證攜帶信息的版本號為全網最新。節點地址是每個節點區別于其它節點的唯一標識，因為所有節點可能采用同一固件，所以需要通過硬件或軟件方式對每個節點進行區分(如硬件撥碼、IP)設置等)。節點權限是用來控制節點行為的標志。通過節點權限設置，可以將節點分為四類：主機、備用主機、從機、新機，各個權限下可以進行的操作如表1所示。節點權限可以控制所有節點的行為，減少網內通訊量，提升仲裁算法的效率。

　　2.2仲裁算法設計

　　當多個節點同時存在時，根據“信息版本號>節點地址”的優先級規則進行節點排序，當信息版本號不同時，版本號高的節點排序靠前;當信息版本號相同時，節點地址小的節點排序靠前。仲裁過程是在一個特定初始狀態下，通過幾輪交互排序，確定網內唯一主機的過程。本設計中，主機還要推送新信息到從機，保持每個節點都攜帶最新信息。網絡達到穩定狀態：一個主機，多個備用主機。下面針對幾種常見的初始狀態說明此算法的運行方式。

　　(1)初始狀態。系統中所有節點都是新機。新機以廣播的方式發送節點交流報文(包含信息版本和節點地址兩個屬性)，并接收其它節點的交流報文，確定自身在網絡中的權限。各個節點根據節點排序被分級為主機、備用主機、從機。

　　(2)分級完成狀態。當網絡中分級完成后(唯一主機確定，沒有新機)，主機定時發送主機心跳報文，心跳報文中包含主機節點地址和主機信息版本號。從機接收到主機心跳報文后發出信息更新請求報文，主機對全網的從機進行信息更新。從機更新完畢后，權限變為新機，之后的過程等同于新機入網的過程。

　　(3)新機加入狀態。當有新節點加入時，新節點向全網發布節點交流報文并接收主機心跳。所有已在網機與新機比對信息版本號，如果都低于新機的信息版本號，則全網降級為從機，新機升級為主機。如果新機信息版本號低于主機，則新機權限變為從機。如果新機信息版本號與主機相同，則進行節點排序確認新主機。

　　(4)主機退出狀態。當現有主機節點退出后，主機心跳消失。所有備用主機節點開始發送交流報文，進行節點排序選出新主機節點。

　　(5)并網狀態。當兩個各自到達穩定狀態的網絡合并，兩個主機互相交流心跳，最終確定唯一主機。如果兩個網絡信息版本有差異，版本較低的網絡全網降級為從機并申請升級。

　　各個節點的權限轉換關系如圖3所示。節點與外界交互過程中，如果滿足轉換關系圖上的轉換關系時，節點權限會進行調整.

　　權限轉換條件：C1，新機參與節點排序，排名第一，變為主控;C2，主控與其它主控或新機信息版本相同，但節點排序非第一，變為備用主控;C3，主機下線后，備用主控重新節點排序，排名第一，變為主控;C4，主控與其它主控或新機信息版本不同，節點排序非第一，變為備用主控;C5，新機與主控節點排序，排名非第一，信息版本不同，變為從機;C6，從機進行信息更新后，變為新機;C7，新機與主控節點排序，排名非第一，信息版本相同，變為備用主機。

　　3功能驗證

　　本文選擇進行功能驗證的硬件平臺核心是TI公司的F28m35芯片，它包含ARM Cotex-m3+C2000雙核，ARM核中帶一個百兆EMac模塊，可滿足組網的需求，C2000則是工業中常用的控制芯片，可以用來產生PWM信號。通過GPIO輸入2位撥碼區別節點IP，并接到交換機實現一個4節點組網，如圖4所示(根據各節點IP末位，以下簡稱41、42、43、44節點)。預先給41號節點燒寫1.1版本程序，其它節點為1.0版本程序，所有節點在組播地址230.9..9.1中進行交流。開機后用計算機抓包監控所有組播的UDP報文，得到結果如圖5所示。報文各幀的含義解析見表2。

　　4結論

　　本文針對聯網架構的信號源設計了一種主控仲裁算法，節點間通過信息交互實現主控權限仲裁轉移。經過軟硬件開發和抓包實驗，驗證了在各種初始條件下，系統最終都能夠收斂到單主控狀態。該算法能將設備對單一主控硬件依賴性的風險分散到所有節點上，即使現有主控下線也不會影響整體功能。該方法既可為系統設計提供參考，也可廣泛用于具有類似分布式架構的系統，提升系統的可靠性。