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一種高可信賴測控計算機(jī)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

發(fā)布時間:2007/8/30 0:00:00 訪問次數(shù):1029

一種高可信賴測控計算機(jī)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
作者:熊建 熊光澤


摘要  首先,從硬件的角度對計算機(jī)容錯系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)模型作簡單論述。隨后,介紹一種基于實(shí)時操作系統(tǒng)CRTOS 2.0、MPC860嵌入式處理器的高可信賴的測控計算機(jī)系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計方案,并著重闡述其中最主要的熱備份測控計算機(jī)C P U 板電路和仲裁電路等關(guān)鍵模塊的設(shè)計細(xì)節(jié)。


關(guān)鍵詞  MPC860  硬件容錯  1553B  ARNIC429  雙機(jī)熱備份


引  言 


測控設(shè)備在信號檢測、工業(yè)控制、醫(yī)療儀器、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。目前測控系統(tǒng)大多是以工業(yè)控制計算機(jī)作為控制中心。但是這種方法主要有以下缺點(diǎn):一是工業(yè)控制計算機(jī)控制通信功能相對比較弱,要增強(qiáng)控制通信功能就必須外加很多電路,從而使系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜,系統(tǒng)可靠性難以提高;二是工業(yè)控制計算機(jī)體積較大,不能滿足某些特定行業(yè)的需要;三是工業(yè)控制計算機(jī)不適合于環(huán)境惡劣和可靠性要求很高的場合。 


在航空領(lǐng)域中,有眾多的測控儀器。這些儀器不僅要求可靠性高、重量輕、體積小,而且要求計算機(jī)抗惡劣環(huán)境能力強(qiáng)、能夠與各種不同的航電設(shè)備通信。而機(jī)載燃油測控計算機(jī)就是一種典型的航空測量儀器,它為航空器駕駛員和其它航空設(shè)備提供重要的信息。它的工作是否可靠,直接關(guān)系到人民的生命財產(chǎn)安全。 


針對以上情況,我們采用了通信功能強(qiáng)大的芯片MPC860為主要處理器,設(shè)計了一種以硬件容錯為基礎(chǔ)的高可信賴的專用計算機(jī)。


1  硬件容錯模型 


容錯技術(shù)主要是依靠資源的冗余和系統(tǒng)重構(gòu)資源的精心組織來完成的。隨著半導(dǎo)體元件體積的縮小及成本的下降,以及超大規(guī)模集成電路的發(fā)展,在計算機(jī)容錯系統(tǒng)的設(shè)計中采用硬件冗余成為當(dāng)前比較常用的方法。硬件冗余分為被動硬件冗余、主動硬件冗余和混合硬件冗余。 


被動硬件冗余又稱為靜態(tài)硬件冗余。它應(yīng)用了故障掩蔽的概念,即是指冗余結(jié)構(gòu)并不隨故障情況變化的冗余形式。通常采用的結(jié)構(gòu)是三模冗余TMR(Triple Modular Redundancy)和二模冗余結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性,可以采用N模冗余(NMR)。NMR與TMR的原理相同,只是采用N個相同的模塊。N一般為奇數(shù),以方便進(jìn)行多數(shù)表決。NMR可以容忍(N一1)/2個故障模塊。 


主動硬件冗余又稱為動態(tài)硬件冗余,主要采用重組技術(shù)。它通過故障檢測、故障定位及故障恢復(fù)來達(dá)到容錯的一種技術(shù)。主動硬件冗余的形式有雙機(jī)比較、備用替換和成對備用。  帶熱備份的雙機(jī)比較系統(tǒng)是在增強(qiáng)型雙機(jī)比較系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,增加了一個熱備計算機(jī),通常系統(tǒng)中帶有進(jìn)行故障定位的自診斷程序。系統(tǒng)的工作原理是,系統(tǒng)開始以雙機(jī)運(yùn)行,當(dāng)雙機(jī)比較系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,啟動自診斷程序進(jìn)行故障定位,定位故障后,切換開關(guān)將故障機(jī)器從系統(tǒng)中切除并換上處于正常工作狀態(tài)的熱備計算機(jī)。系統(tǒng)繼續(xù)以雙機(jī)模式運(yùn)行。   


根據(jù)上述增強(qiáng)型雙機(jī)比較系統(tǒng)模型及實(shí)際課題應(yīng)用要求,我們?nèi)サ袅吮容^器,熱備份計算機(jī),提出了圖1所示的簡化雙機(jī)熱備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型,并加以實(shí)現(xiàn)。   


圖1中,系統(tǒng)啟動時默認(rèn)將計算機(jī)A作為主系統(tǒng)輸出,計算機(jī)B作為熱備機(jī)使用。A機(jī)與B機(jī)并行執(zhí)行相同的計算,且A機(jī)和B機(jī)各有獨(dú)自的外圍控制邏輯和外設(shè),既不會引起系統(tǒng)資源的競爭,又增加了整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)然,這樣是以花費(fèi)更多的硬件設(shè)施為代價的。主備用機(jī)之間的切換用專門設(shè)計的仲裁檢測電路來實(shí)現(xiàn)。仲裁檢測電路根據(jù)A機(jī)與B機(jī)周期向它發(fā)送的自檢信號來判斷A機(jī)系統(tǒng)與B機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的狀況,并控制切換開關(guān)K1、K2的操作。①如果A機(jī)與B機(jī)均正常運(yùn)行,則將A機(jī)的運(yùn)行結(jié)果作為系統(tǒng)輸出;②如果A機(jī)正常而B機(jī)故障,亦將A機(jī)的運(yùn)行結(jié)果作為系統(tǒng)輸出,同時將B機(jī)的運(yùn)行故障狀態(tài)報告給A機(jī),并向B機(jī)進(jìn)行復(fù)位控制操作;③如果A機(jī)故障,B機(jī)正常,則進(jìn)行開關(guān)切換操作,將B機(jī)的運(yùn)行結(jié)果作為系統(tǒng)輸出,同時將A機(jī)的運(yùn)行故障狀態(tài)報告給B機(jī),并向A機(jī)進(jìn)行復(fù)位控制操作(所有的操作過程均作為日志文件保存在系統(tǒng)內(nèi),停機(jī)后根據(jù)日志記錄將故障機(jī)轉(zhuǎn)入維修);④如果A機(jī)與B機(jī)均故障,則由仲裁電路發(fā)出報警信號,表明系統(tǒng)不可用。


2  設(shè)計方案及系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 


本系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個機(jī)載燃油測量嵌入式容錯管理控制系統(tǒng),用于機(jī)載燃油系統(tǒng)的測量、管理和控制,采用雙機(jī)熱備系統(tǒng)模型。設(shè)計內(nèi)容主要包括熱備份雙工的硬件設(shè)計,數(shù)據(jù)采樣和驅(qū)動程序設(shè)計,并提供在嵌入式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用編程接口。系統(tǒng)的主要功能包括提供系統(tǒng)基本狀態(tài)自診斷(自測試)、系統(tǒng)硬件監(jiān)控、系統(tǒng)總線超時監(jiān)控、提供系統(tǒng)單點(diǎn)故障容錯、系統(tǒng)雙機(jī)切換等。同時,為了與其它最新的航空設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,系統(tǒng)還要求提供ARNIC429和1553B等高級接口。 


采用的方案系統(tǒng)框圖

一種高可信賴測控計算機(jī)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
作者:熊建 熊光澤


摘要  首先,從硬件的角度對計算機(jī)容錯系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)模型作簡單論述。隨后,介紹一種基于實(shí)時操作系統(tǒng)CRTOS 2.0、MPC860嵌入式處理器的高可信賴的測控計算機(jī)系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計方案,并著重闡述其中最主要的熱備份測控計算機(jī)C P U 板電路和仲裁電路等關(guān)鍵模塊的設(shè)計細(xì)節(jié)。


關(guān)鍵詞  MPC860  硬件容錯  1553B  ARNIC429  雙機(jī)熱備份


引  言 


測控設(shè)備在信號檢測、工業(yè)控制、醫(yī)療儀器、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。目前測控系統(tǒng)大多是以工業(yè)控制計算機(jī)作為控制中心。但是這種方法主要有以下缺點(diǎn):一是工業(yè)控制計算機(jī)控制通信功能相對比較弱,要增強(qiáng)控制通信功能就必須外加很多電路,從而使系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜,系統(tǒng)可靠性難以提高;二是工業(yè)控制計算機(jī)體積較大,不能滿足某些特定行業(yè)的需要;三是工業(yè)控制計算機(jī)不適合于環(huán)境惡劣和可靠性要求很高的場合。 


在航空領(lǐng)域中,有眾多的測控儀器。這些儀器不僅要求可靠性高、重量輕、體積小,而且要求計算機(jī)抗惡劣環(huán)境能力強(qiáng)、能夠與各種不同的航電設(shè)備通信。而機(jī)載燃油測控計算機(jī)就是一種典型的航空測量儀器,它為航空器駕駛員和其它航空設(shè)備提供重要的信息。它的工作是否可靠,直接關(guān)系到人民的生命財產(chǎn)安全。 


針對以上情況,我們采用了通信功能強(qiáng)大的芯片MPC860為主要處理器,設(shè)計了一種以硬件容錯為基礎(chǔ)的高可信賴的專用計算機(jī)。


1  硬件容錯模型 


容錯技術(shù)主要是依靠資源的冗余和系統(tǒng)重構(gòu)資源的精心組織來完成的。隨著半導(dǎo)體元件體積的縮小及成本的下降,以及超大規(guī)模集成電路的發(fā)展,在計算機(jī)容錯系統(tǒng)的設(shè)計中采用硬件冗余成為當(dāng)前比較常用的方法。硬件冗余分為被動硬件冗余、主動硬件冗余和混合硬件冗余。 


被動硬件冗余又稱為靜態(tài)硬件冗余。它應(yīng)用了故障掩蔽的概念,即是指冗余結(jié)構(gòu)并不隨故障情況變化的冗余形式。通常采用的結(jié)構(gòu)是三模冗余TMR(Triple Modular Redundancy)和二模冗余結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性,可以采用N模冗余(NMR)。NMR與TMR的原理相同,只是采用N個相同的模塊。N一般為奇數(shù),以方便進(jìn)行多數(shù)表決。NMR可以容忍(N一1)/2個故障模塊。 


主動硬件冗余又稱為動態(tài)硬件冗余,主要采用重組技術(shù)。它通過故障檢測、故障定位及故障恢復(fù)來達(dá)到容錯的一種技術(shù)。主動硬件冗余的形式有雙機(jī)比較、備用替換和成對備用。  帶熱備份的雙機(jī)比較系統(tǒng)是在增強(qiáng)型雙機(jī)比較系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,增加了一個熱備計算機(jī),通常系統(tǒng)中帶有進(jìn)行故障定位的自診斷程序。系統(tǒng)的工作原理是,系統(tǒng)開始以雙機(jī)運(yùn)行,當(dāng)雙機(jī)比較系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,啟動自診斷程序進(jìn)行故障定位,定位故障后,切換開關(guān)將故障機(jī)器從系統(tǒng)中切除并換上處于正常工作狀態(tài)的熱備計算機(jī)。系統(tǒng)繼續(xù)以雙機(jī)模式運(yùn)行。   


根據(jù)上述增強(qiáng)型雙機(jī)比較系統(tǒng)模型及實(shí)際課題應(yīng)用要求,我們?nèi)サ袅吮容^器,熱備份計算機(jī),提出了圖1所示的簡化雙機(jī)熱備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型,并加以實(shí)現(xiàn)。   


圖1中,系統(tǒng)啟動時默認(rèn)將計算機(jī)A作為主系統(tǒng)輸出,計算機(jī)B作為熱備機(jī)使用。A機(jī)與B機(jī)并行執(zhí)行相同的計算,且A機(jī)和B機(jī)各有獨(dú)自的外圍控制邏輯和外設(shè),既不會引起系統(tǒng)資源的競爭,又增加了整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)然,這樣是以花費(fèi)更多的硬件設(shè)施為代價的。主備用機(jī)之間的切換用專門設(shè)計的仲裁檢測電路來實(shí)現(xiàn)。仲裁檢測電路根據(jù)A機(jī)與B機(jī)周期向它發(fā)送的自檢信號來判斷A機(jī)系統(tǒng)與B機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的狀況,并控制切換開關(guān)K1、K2的操作。①如果A機(jī)與B機(jī)均正常運(yùn)行,則將A機(jī)的運(yùn)行結(jié)果作為系統(tǒng)輸出;②如果A機(jī)正常而B機(jī)故障,亦將A機(jī)的運(yùn)行結(jié)果作為系統(tǒng)輸出,同時將B機(jī)的運(yùn)行故障狀態(tài)報告給A機(jī),并向B機(jī)進(jìn)行復(fù)位控制操作;③如果A機(jī)故障,B機(jī)正常,則進(jìn)行開關(guān)切換操作,將B機(jī)的運(yùn)行結(jié)果作為系統(tǒng)輸出,同時將A機(jī)的運(yùn)行故障狀態(tài)報告給B機(jī),并向A機(jī)進(jìn)行復(fù)位控制操作(所有的操作過程均作為日志文件保存在系統(tǒng)內(nèi),停機(jī)后根據(jù)日志記錄將故障機(jī)轉(zhuǎn)入維修);④如果A機(jī)與B機(jī)均故障,則由仲裁電路發(fā)出報警信號,表明系統(tǒng)不可用。


2  設(shè)計方案及系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 


本系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個機(jī)載燃油測量嵌入式容錯管理控制系統(tǒng),用于機(jī)載燃油系統(tǒng)的測量、管理和控制,采用雙機(jī)熱備系統(tǒng)模型。設(shè)計內(nèi)容主要包括熱備份雙工的硬件設(shè)計,數(shù)據(jù)采樣和驅(qū)動程序設(shè)計,并提供在嵌入式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用編程接口。系統(tǒng)的主要功能包括提供系統(tǒng)基本狀態(tài)自診斷(自測試)、系統(tǒng)硬件監(jiān)控、系統(tǒng)總線超時監(jiān)控、提供系統(tǒng)單點(diǎn)故障容錯、系統(tǒng)雙機(jī)切換等。同時,為了與其它最新的航空設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,系統(tǒng)還要求提供ARNIC429和1553B等高級接口。 


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