一種嵌入式計算機信息加固方法及系統的製作方法
2023-06-02 00:42:21 1
專利名稱：一種嵌入式計算機信息加固方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於航空航天飛行器控制系統的核心電子設備，具體涉及一種抗強電磁脈衝幹擾的軟防護方法及嵌入式計算機系統。
背景技術：
專利申請號為200510120638. X、發明名稱「一種軟硬體協同防止系統死機中斷業務的復位方法」，發明人為王靜漩、齊建、陸建鑫。該發明公開了一種軟硬體協同防止系統死機中斷業務的復位方法。該發明只是對系統異常情況進行分析，確定進行軟體或者硬體復位，實質上是避免瞬時故障發生，如果死機真正發生則不能及時實施恢復措施。專利申請號為03119146.0、發明名稱「一種計算機斷電自恢復的裝置及方法」，發明人為郭加總。該發明公開了一種計算機斷電自恢復裝置。該發明是針對市電供電系統的計算機斷電自恢復方法，僅適用於電力系統，並只能用在地面系統，實時性較低。且該發明只是對現場信息進行了存儲，沒有進行必要的保護，恢復數據的可靠性低。文章李路，《系統死機分析和解決方法》，現代防禦技術，1991年第6期，第64 71頁，對航空飛彈武器系統的微機死機進行了死機機理和防護措施分析，給出了防止微機死機的兩種防護措施與總體性能指標以及採取死機自動恢復後的設計要點，未給出具體的創新性方法。文章柴文德，《計算機的「死機」與自動恢復》，雷達與對抗，1996年第4期，第36 39頁，提出了一種用軟體、硬體相結合的方法。該文章沒有對外部復位和死機產生的復位進行必要的區分，並且採用普通的RAM對現場信息進行存儲，也沒有對存儲器進行保護，如果受到較強的電磁脈衝幹擾，這些信息可能會遭到破壞，以至於無法恢復到正常工作狀態。目前尚未收集到關於信息加固方法及系統的相關公開技術資料和專利。為了滿足航空航天飛行器在強電磁脈衝幹擾等惡劣環境下仍能實現按時起飛、對抗飛行、準確到達目標的能力，抗電磁脈衝EMP和瞬時故障的嵌入式計算機信息加固系統具有很高的軍事應用價值和社會效益。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種嵌入式計算機信息加固方法及系統。本發明方法的技術解決方案是一種嵌入式計算機信息加固方法，包括下列步驟(1)嵌入式計算機工作正常時，在每個工作節拍內實時將嵌入式計算機內的關鍵信息進行更新、存儲並保護；關鍵信息包括當前採樣周期的X、Y、Z三個方向加速度脈衝值與三個方向的位置值，當前採樣周期的俯仰φ、偏航ψ、滾動γ三個方向角速率脈衝值與三個方向的姿態值，當前採樣周期的相對時間計數器τ。、絕對時間計數器Ta值；(2)根據預先設定的判斷方式，當出現工作程序進入非工作區和死循環的異常情況時，控制飛行器保持故障前的運動姿態並重新啟動正常的工作節拍和採樣周期；(3)按照給定的方式將存儲的關鍵信息搬移到嵌入式計算機的內存，根據故障前存儲的正常時間節點的相對和絕對時間計數器的數值，進行時間軸恢復；採集新的慣性信息，連同步驟(1)中存儲的故障前正常的關鍵導航信息，進行導航信息補償和解算；並根據新解算的導航信息獲得正確的定位定向信息；(4)利用步驟(3)中解算的定位定向信息，使飛行器在恢復的時間軸下採用給定的制導方式進行新的制導解算，給出正確的控制量，控制飛行器的姿態運動，實現閉環控制，直至導航和制導精度滿足給定要求，完成異常情況的信息加固。本發明系統的技術解決方案是一種嵌入式計算機信息加固系統，包括故障檢測和異常告警電路、時間伺服器、關鍵信息保護電路、瞬時故障恢復模塊和輸出控制電路；關鍵信息保護電路，在每個正常的工作節拍內實時地將關鍵信息從嵌入式計算機內存搬移出來並進行更新、存儲並保護；故障檢測和異常告警電路，對被破壞的計算過程周期進行探測與定位，當出現工作程序進入非工作區和死循環的異常情況時，產生異常告警信號，激發瞬時故障恢復模塊；瞬時故障恢復模塊，根據故障檢測和異常告警電路的激發，產生封鎖輸出碼發給輸出控制電路，同時停止關鍵信息保護電路的工作，並利用關鍵信息保護電路中存儲的時間節點的相對和絕對時間計數器的數值，進行時間軸恢復；產生時間節拍重啟指令發送至時間伺服器；採集新的慣性信息，並從關鍵信息保護電路中獲取故障前正常的關鍵信息，進行導航信息補償和解算；並根據新解算的導航信息獲得正確的定位定向信息；利用解算的正確定位定向信息和恢復的時間軸，採用預定的制導方式進行新的制導解算，給出相應的控制量至輸出控制電路，由輸出控制電路控制飛行器的姿態運動，實現恢復階段的閉環控制；當導航和制導精度滿足給定要求時，發出控制信號控制關鍵信息保護電路進入正常的工作節拍；時間伺服器，根據接收的時間節拍重啟指令重新啟動正常的工作節拍和採樣周期；輸出控制電路，根據接收的封鎖輸出碼，保持飛行器故障前的運動姿態，在瞬時故障恢復模塊進行導航和制導解算後，輸出相應的控制量，控制飛行器的姿態運動。所述的關鍵信息保護電路對關鍵信息的保護採用鐵電存儲器的主備數據區加軟開關，記為Sl和S2實現；具體流程為首先，將軟開關Sl設置為「開」狀態，再將當前採樣周期的關鍵信息存儲在主數據區，存儲完成後將軟開關Sl重新設置為「關」狀態；其次，將軟開關S2設置為「開」狀態，將當前採樣周期的關鍵信息存儲在備份數據區，存儲完成後並將軟開關S2再設置為「關」狀態。本發明與現有技術相比有益效果為(1)本發明方法及系統提供了一種嵌入式計算機信息加固方法及系統，該方案通過對關鍵信息進行有效的保護，利用瞬時故障恢復模塊使飛行器在發生瞬時故障時，能夠實現自主恢復確保飛行成功，具有很高的軍事應用價值和社會效益。(2)本發明在對關鍵信息的保護過程中通過兩個軟開關確保關鍵信息不會被隨意的改動或者覆蓋，提高了關鍵信息保護電路的安全性。
(3)本發明在時間軸恢復過程中，利用存儲的故障前的時間信息結合經驗，恢復方
法簡單、可靠。(4)本發明關鍵信息存儲的載體採用鐵電存儲器，能夠保證在各種惡劣情況下保持關鍵信息的完好性，可提高關鍵信息保護和信息加固系統的可靠性。
圖1為本發明方法流程圖；圖2為本發明系統組成框圖；圖3為本發明瞬時故障模塊組成框圖；圖4為本發明嵌入式計算機正常飛行控制的統一時間軸；圖5為本發明關鍵信息保護的工作流程圖。
具體實施例方式如圖1所示，一種抗EMP和瞬時故障的嵌入式計算機信息加固方法，包括下列步驟(1)嵌入式計算機工作正常時，在每個工作節拍內實時將嵌入式計算機內的關鍵信息進行存儲並保護；關鍵信息包括3類，即當前採樣周期的X、Y、Z三個方向加速度脈衝值與三個方向的位置值；當前採樣周期的俯仰、偏航、滾動φ、ψ、Υ三個方向角速率脈衝值與三個方向的姿態值；當前採樣周期的相對時間計數器Τ。、絕對時間計數器Ta值；(2)根據預先設定的判斷方式，當出現工作程序進入非工作區和死循環的異常情況時，控制飛行器保持故障前的運動姿態並重新啟動正常的工作節拍和運算周期；(3)按照給定的方式將存儲的關鍵信息搬移到嵌入式計算機的內存，根據故障前存儲的正常時間節點的相對和絕對時間計數器的數值，進行時間軸恢復；採集新的慣性信息，連同步驟(1)中存儲的故障前正常的關鍵導航信息，進行導航信息補償和解算；並根據新解算的導航信息獲得正確的定位定向信息；(4)利用步驟(3)中解算的定位定向信息，使飛行器在恢復的時間軸下採用給定的制導方式進行新的制導解算，給出正確的控制量，控制飛行器的姿態運動，實現閉環控制，直至導航和制導精度滿足給定要求，完成異常情況的信息加固。下面介紹一種實現上述方法的系統，如圖2所示，包括故障檢測和異常告警電路、 時間伺服器、關鍵信息保護電路、瞬時故障恢復模塊和輸出控制電路；每個組成部分的具體實現如下(一)關鍵信息保護電路關鍵信息保護電路，在每個正常的工作節拍內實時地將關鍵信息從嵌入式計算機內存搬移出來並在鐵電存儲器FRAM進行更新、存儲並保護；為了支持在出現瞬時故障時的自恢復功能，需要在每個正常的工作節拍內實時地將關鍵信息從嵌入式計算機內存搬移到關鍵信息保護電路中，然後關閉關鍵信息保護電路，當出現瞬時故障時再將保護的關鍵信息從關鍵信息保護電路搬移到嵌入式計算機內存，以實現對關鍵信息的保護，為故障恢復提供基本條件。本發明採用鐵電存儲器FRAM作為關鍵信息保護的載體。為了實現關鍵信息存儲器的開/關過程，設置了軟開關，它可禁止或者允許處理器訪問該數據塊。具體可以採用鐵電存儲器的主(bl)備(b2)數據區加軟開關(Si和S2)的技術方案。在正常工作節拍內關鍵信息保護的流程為首先，將軟開關Sl設置為「開」狀態，再將當前採樣周期的關鍵信息存儲在主數據區，存儲完成後將軟開關Si重新設置為「關」狀態； 其次，通過軟體延時，一般為10 μ S，將軟開關S2設置為「開」狀態，再將當前採樣周期的關鍵信息存儲在備數據區，存儲完成後並將軟開關S2再設置為「關」狀態，結束一次正常的關鍵信息保護過程。關鍵信息保護電路的保護工作流程如附圖5所示。在恢復階段，瞬時故障恢復模塊利用關鍵信息保護電路中存儲的時間節點的相對和絕對時間計數器的數值，進行時間軸恢復時，需要檢查主數據區和備份數據區的開關標誌碼，正常情況下Sl和S2應處於「關」狀態。例如S1或S2為「0」表示「關」狀態，Sl或S2為「 1，，表示「開」狀態。關鍵信息搬移的流程為首先要判斷Sl的開關狀態，若Sl處於「開」狀態，則說明主數據區(bl)的防寫或讀恢復的過程受到幹擾，則啟用備份數據區(b2)進行恢復。( 二)故障檢測和異常告警電路故障檢測和異常告警電路，對被破壞的計算過程周期進行探測與定位，當出現工作程序進入非工作區和死循環的異常情況時，產生異常告警信號，激發瞬時故障恢復模塊；具體方案為採取瞬時故障實時檢測和告警技術。在硬體上設置一個警戒計數定時器，當嵌入式計算機正常工作時，在每個工作節拍完成全部計算算法後將發出指令對警戒計數定時器自動清零，嵌入式電腦程式將完成重複啟動。當嵌入式計算機出現進入非工作區和死循環的異常情況時，嵌入式計算機無法發出警戒計數定時器清零指令，則警戒計數定時器將自動產生異常警告信號。(三)瞬時故障恢復模塊瞬時故障恢復模塊，根據故障檢測和異常告警電路的激發，產生封鎖輸出碼發給輸出控制電路，同時停止關鍵信息保護電路的工作，並利用關鍵信息保護電路中存儲的時間節點的相對和絕對時間計數器的數值，進行時間軸恢復；產生時間節拍重啟指令發送至時間伺服器；採集新的慣性信息，並從關鍵信息保護電路中獲取故障前正常的關鍵信息，進行導航信息補償和解算；並根據新解算的導航信息獲得正確的定位定向信息；利用解算的正確定位定向信息和恢復的時間軸，採用預定的制導方式進行新的制導解算(例如採用閉路制導方式)，給出相應的控制量至輸出控制電路，由輸出控制電路控制飛行器的姿態運動，實現恢復階段的閉環控制；當導航和制導精度滿足給定要求時，發出控制信號控制關鍵信息保護電路進入正常的工作節拍；上述時間軸恢復過程首先讀取關鍵信息保護電路中存儲的時間節點的相對和絕對時間計數器的數值T。、Ta，然後將讀取的數值與恢復階段的時間求和，得到恢復的時間軸。 上述恢復階段的時間一般根據經驗確定，一般取2-4個採樣周期。導航信息補償和解算，首先讀取關鍵信息保護電路中存儲的X、Y、Z三個方向加速度脈衝值與三個方向的位置值，俯仰、偏航、滾動φ、ψ、Υ三個方向角速率脈衝值與三個方向的姿態值；然後利用上述讀取的值與新採樣的慣性信息進行插值計算(如牛頓加速外推插值方法)，獲得新的定位定向信息。
如圖3所示，瞬時故障恢復模塊可以採用國產化中央處理晶片SOC實現。通過一個邏輯或接收故障檢測和異常告警電路的激發信號以及手動復位(RESET3)、上電復位 (RESETl)，輸出中央處理晶片SOC的復位信號(RESET)，由中央處理晶片SOC產生封鎖輸出碼，同時停止關鍵信息保護電路的工作；程序存儲器中的軟體根據上述介紹實現時間軸的恢復、導航信息補償和解算以及制導解算等。(四)時間伺服器時間伺服器，根據接收的時間節拍重啟指令重新啟動正常的工作節拍和採樣周期；該裝置主要由系統節拍控制器、相對時間計數器T。、絕對時間計數器Ta及時間的內存單元等組成。系統節拍控制器確保在控制系統飛行過程中，使全部控制命令信息流與統一的時間軸聯繫在一起，如附圖4所示。相對時間計數器，藉助計數器將統一時間軸分為 η個相等的段(周期Τη)。這個相對時間計數器用於測量周期Tn的時間。除周期時間計數器外，在嵌入式計算機中還有相關輔助計數器，用於測定周期Tn內的時間區間。設立絕對時間計數器，可用於記錄和保持嵌入式計算機正常計算過程的連續時間段。系統節拍控制器和相對時間計數器的輸出信號Tn作為一個中斷信號，用於產生嵌入式計算機的採樣周期，當前控制任務選定的採樣周期值為5 20ms。除T。相對時間計數器外，在嵌入式計算機中還有一個絕對時間計數器，它可以測定η個採樣周期的時間區間，即系統正常工作的持續時間。如果嵌入式計算機工作正常而不出現進入非工作區和死循環的異常時，則絕對時間Ta為m個採樣周期的累加和。嵌入式電腦程式在計算完成的周期數Tn後形成相應的時間標記Ta。這個時間標記Ta保存在內存單元內。當嵌入式計算機出現進入非工作區和死循環的異常時，嵌入式計算機的內存單元和寄存器中的信息可能遭到破壞，為此必須設法保護時間伺服器，將上述時間信息進行保護，存放在關鍵信息保護裝置中，包括當前Tn次序和絕對時間Ta的標記，以及恢復計算過程所需的時間信息。當時間伺服器接收到時間節拍重啟指令時，重新啟動系統節拍控制器，相對時間計數器T。及絕對時間計數器Ta重新開始計數。(五)輸出控制電路輸出控制電路，根據接收的封鎖輸出碼，保持飛行器故障前的運動姿態，在瞬時故障恢復模塊進行導航和制導解算後，輸出相應的控制量，控制飛行器的姿態運動。本發明可用於裝備各種航空航天飛行器，實現在強電磁脈衝作用下實施發射和飛行控制，提高飛行器的抗電磁脈衝幹擾能力及發射、飛行可靠性。本發明未詳細說明部分屬於本領域技術人員公知常識。
權利要求
1.一種嵌入式計算機信息加固方法，其特徵在於包括下列步驟(1)嵌入式計算機工作正常時，在每個工作節拍內實時將嵌入式計算機內的關鍵信息進行更新、存儲並保護；關鍵信息包括當前採樣周期的X、Y、Z三個方向加速度脈衝值與三個方向的位置值，當前採樣周期的俯仰φ、偏航ψ、滾動Υ三個方向角速率脈衝值與三個方向的姿態值，當前採樣周期的相對時間計數器Τ。、絕對時間計數器Ta值；(2)根據預先設定的判斷方式，當出現工作程序進入非工作區和死循環的異常情況時， 控制飛行器保持故障前的運動姿態並重新啟動正常的工作節拍和採樣周期；(3)按照給定的方式將存儲的關鍵信息搬移到嵌入式計算機的內存，根據故障前存儲的正常時間節點的相對和絕對時間計數器的數值，進行時間軸恢復；採集新的慣性信息，連同步驟(1)中存儲的故障前正常的關鍵導航信息，進行導航信息補償和解算；並根據新解算的導航信息獲得正確的定位定向信息；(4)利用步驟(3)中解算的定位定向信息，使飛行器在恢復的時間軸下採用給定的制導方式進行新的制導解算，給出正確的控制量，控制飛行器的姿態運動，實現閉環控制，直至導航和制導精度滿足給定要求，完成異常情況的信息加固。
2.一種嵌入式計算機信息加固系統，其特徵在於包括故障檢測和異常告警電路、時間伺服器、關鍵信息保護電路、瞬時故障恢復模塊和輸出控制電路；關鍵信息保護電路，在每個正常的工作節拍內實時地將關鍵信息從嵌入式計算機內存搬移出來並進行更新、存儲並保護；故障檢測和異常告警電路，對被破壞的計算過程周期進行探測與定位，當出現工作程序進入非工作區和死循環的異常情況時，產生異常告警信號，激發瞬時故障恢復模塊；瞬時故障恢復模塊，根據故障檢測和異常告警電路的激發，產生封鎖輸出碼發給輸出控制電路，同時停止關鍵信息保護電路的工作，並利用關鍵信息保護電路中存儲的時間節點的相對和絕對時間計數器的數值，進行時間軸恢復；產生時間節拍重啟指令發送至時間伺服器；採集新的慣性信息，並從關鍵信息保護電路中獲取故障前正常的關鍵信息，進行導航信息補償和解算；並根據新解算的導航信息獲得正確的定位定向信息；利用解算的正確定位定向信息和恢復的時間軸，採用預定的制導方式進行新的制導解算，給出相應的控制量至輸出控制電路，由輸出控制電路控制飛行器的姿態運動，實現恢復階段的閉環控制；當導航和制導精度滿足給定要求時，發出控制信號控制關鍵信息保護電路進入正常的工作節拍；時間伺服器，根據接收的時間節拍重啟指令重新啟動正常的工作節拍和採樣周期；輸出控制電路，根據接收的封鎖輸出碼，保持飛行器故障前的運動姿態，在瞬時故障恢復模塊進行導航和制導解算後，輸出相應的控制量，控制飛行器的姿態運動。
3.根據權利要求2所述的一種嵌入式計算機信息加固系統，其特徵在於所述的關鍵信息保護電路對關鍵信息的保護採用鐵電存儲器的主備數據區加軟開關，記為Sl和S2實現；具體流程為首先，將軟開關Sl設置為「開」狀態，再將當前採樣周期的關鍵信息存儲在主數據區，存儲完成後將軟開關Sl重新設置為「關」狀態；其次，將軟開關S2設置為「開」狀態，將當前採樣周期的關鍵信息存儲在備份數據區，存儲完成後將軟開關S2再設置為「關」 狀態。
全文摘要
一種嵌入式計算機信息加固方法及系統，所述系統包括故障檢測和異常告警電路、時間伺服器、關鍵信息保護電路、瞬時故障恢復模塊和輸出控制電路；該方案通過對關鍵信息進行有效的保護，利用瞬時故障恢復模塊使飛行器在發生瞬時故障時，能夠實現自主恢復確保飛行成功，具有很高的軍事應用價值和社會效益。
文檔編號G06F1/24GK102508535SQ20111035008
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月8日 優先權日2011年11月8日
發明者劉晶晶, 周春梅, 張俊, 張春俠, 林金永, 董文杰, 訾乃全, 馬繼峰, 高曉穎 申請人:北京航天自動控制研究所