一種星載模塊級冗餘備份系統及方法
2023-10-17 05:49:39
一種星載模塊級冗餘備份系統及方法
【專利摘要】本發明提供一種設備內部資源利用率高，設備可靠性強，壽命長的星載模塊級冗餘備份系統及方法。通過功能類型和接口對硬體模塊進行統標準的劃分，組成多個能夠完成整機功能的冗餘單元，在冗餘單元中設置若干的同功能標準功能模塊，從而將冗餘備份的粒度由單機細化到功能模塊，減少資源浪費，提高系統利用率，達到提高電子產品壽命及可靠性指標的目的；並且通過內部背板互聯標準串行總線系統的連接，其模塊接口統一，模塊間能夠通過組合的實時實現不同冗餘單元嵌入式計算機產品的定製；從而快速的建立一種開放的計算機體系結構，解決了嵌入式計算機專機定製，研製周期長、成本高等問題。
【專利說明】一種星載模塊級冗餘備份系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電子信息【技術領域】，具體為一種星載模塊級冗餘粒度的備份方法。
【背景技術】
[0002]目前，星載電子設備均通過冗餘備份實現自身在軌長壽命、高可靠運行的設計目標。整機設備內部冗餘備份的最小單元為「單機」，一個整機內能夠包括多個互為備份的單機。這裡所說的單機是指具備完整功能的計算機，即具有CPU處理、運算、存儲以及I/O接口控制能力的電子產品。
[0003]星載電子設備多採用雙機冗餘備份方式，雙機工作方式分為「熱」與「冷」兩種類型。雙機「熱」備份指的是雙機均加電工作，只有一臺單機具有對外數據與命令發送的控制權，這臺單機又被稱為「主份」機；雙機「冷」備份指的是只有一臺單機加電工作，另一臺單機不加電工作。雙機的控制權通過冗餘切換機制實現，確保唯一單機對設備的控制與管理。「冗餘切換機制」通過接收「冗餘控制指令」來實現單機的信息輸出控制與供電管理控制。「冗餘切換機制」實質是一種表決控制，即在單機優先級順序確定的前提下，每個單機對系統中優先級最高的單機實施「投票」選舉。雙機系統中，其雙機冗餘備份的框圖如圖1所示，其中次優先級的單機擁有一票否決權，能夠直接「奪權」。三機系統中，通過「三中取二」的方式實行表決投票。利用表決結果實現信息輸出與供電管理的控制。若採用三機熱備冗餘方式，即三機均加電工作，只有一臺單機具有對外數據與命令發送的控制權；其三機冗餘備份框圖如圖2所示。
[0004]在以單機為單位的冗餘切換方式下，當單機內任意模塊出現故障均會導致單機異常，繼而發生單機主控權的切換。這種切換策略會造成單機內有效模塊的浪費，降低單機利用率與可靠性，進而影響整個電子設備的可靠性與壽命。
【發明內容】
[0005]針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種設備內部資源利用率高，設備可靠性強，壽命長的星載模塊級冗餘粒度的備份系統及方法。
[0006]本發明是通過以下技術方案來實現:
[0007]本發明一種星載模塊級冗餘備份方法，包括，
[0008]I)將單機組成中的具有同一功能類型和接口的硬體模塊劃分為多個標準功能模塊；將若干同類型的標準功能模塊設定優先等級後互為備份的組成一個冗餘單元，進行該類型的標準功能模塊的信息輸出和供電管理；
[0009]2)對所有冗餘單元中的每個標準功能模塊分別嵌入對應的冗餘切換機制；在冗餘切換機制的控制下，當前工作的標準功能模塊出現故障後，將對應控制功能切換到同一冗餘單元內其他標準功能模塊中優先級最高的標準功能模塊上；
[0010]3)將所有的冗餘單元中的每個標準功能模塊均連接在內部背板互聯標準串行總線系統上進行信號傳輸，並分別將各冗餘單元連接對應的數據和/或控制總線上；所有冗餘單元組成一臺整機完成相應的功能。
[0011 ] 優選的，標準功能模塊包括CPU模塊和I/O模塊；若干CPU模塊互為備份組成CPU冗餘單元，若干I/o模塊互為備份的組成I/O冗餘單元。
[0012]優選的，內部背板互聯標準串行總線系統支持支持冷、熱節點互聯。
[0013]本發明一種星載模塊級冗餘備份系統，包括內部背板互聯標準串行總線系統，與外部進行數據和信息交換的數據和/或控制總線，以及用於實現不同控制功能的冗餘單元；所述冗餘單元包括若干設定有優先等級且分別嵌入冗餘切換機制的標準功能模塊，標準功能模塊為單機組成中的具有對應該冗餘單元的同一功能類型和接口的硬體模塊；冗餘切換機制用於在對應的冗餘單元中將狀態正常且優先級最高的標準功能模塊置於工作狀態；系統內各個冗餘單元包括冗餘單元中的標準功能模塊均連接在內部背板互聯標準串行總線系統上進行信號傳輸，各冗餘單元對外有相應的數據和/或控制總線，所有冗餘單元按控制功能連接後組成一臺整機完成相應的控制功能。
[0014]優選的，數據和/或控制總線具體包括對外數據信息總線和對外控制指令總線。
[0015]進一步,整機由依次連接的CPU冗餘單元和I/O冗餘單元組成；連接外部控制及數據總線的CPU冗餘單元包括若干互為備份的CPU模塊；1/0冗餘單元包括若干互為備份的I/o模塊，I/O冗餘單元分別與對外輸入數據信息總線和對外輸出控制指令總線連接。
[0016]再進一步，系統內部背板互聯標準串行總線系統採用ARINC659總線，I/O模塊採用ANTC模塊。
[0017]優選的，該系統採用時間觸發機制下的窗口工作模式實現控制功能。
[0018]與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果:
[0019]本發明通過功能類型和接口對硬體模塊進行統標準的劃分，組成多個能夠完成整機功能的冗餘單元，在冗餘單元中設置若干的同功能標準功能模塊，從而將冗餘備份的粒度由單機細化到功能模塊，減少資源浪費，提高系統利用率，達到提高電子產品壽命及可靠性指標的目的；並且通過內部背板互聯標準串行總線系統的連接，其模塊接口統一，模塊間能夠通過組合的實時實現不同冗餘單元嵌入式計算機產品的定製；從而快速的建立一種開放的計算機體系結構，解決了嵌入式計算機專機定製，研製周期長、成本高等問題。
[0020]進一步的，採用時間觸發機制下的窗口工作模式執行控制功能，能夠實現資源備份和工作狀態的共享，能夠保存之前的工作狀態，實現任務的無縫連接，確保系統工作的連續性強。
[0021]進一步的，通過將標準功能模塊劃分為CPU模塊和I/O模塊，通過兩者的連接實現整機的控制作用和數據傳輸功能，保證粒度劃分的同時避免了切換控制複雜繁瑣以及系統無法升級拓展的問題；能夠更好地適用於長壽命高可靠星載綜合電子設備領域。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為現有技術中雙機冗餘備份的功能結構框圖。
[0023]圖2為現有技術中三機冗餘備份的功能結構框圖。
[0024]圖3為本發明所述系統的標準模塊連接示意圖。
[0025]圖4為現有技術中單機級冗餘備份的可靠性示意框圖。
[0026]圖5為本發明所述的模塊級冗餘備份的可靠性示意框圖。
[0027]圖6為本發明實例中所述產品的模塊級冗餘備份的功能連接框圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合具體的實施例對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。
[0029]本發明一種星載模塊級冗餘備份方法，其包括，
[0030]I)將單機組成中的具有同一功能類型和接口的硬體模塊劃分為多個標準功能模塊；將若干同類型的標準功能模塊設定優先等級後互為備份的組成一個冗餘單元，進行該類型的標準功能模塊的信息輸出和供電管理；本優選實例中，如圖3所示，標準功能模塊包括CPU模塊和I/O模塊；若干CPU模塊互為備份組成CPU冗餘單元，若干I/O模塊互為備份的組成I/o冗餘單元。
[0031]2)對所有冗餘單元中的每個標準功能模塊分別嵌入對應的冗餘切換機制；在冗餘切換機制的控制下，當前工作的標準功能模塊出現故障後，將對應控制功能切換到同一冗餘單元內其他標準功能模塊中優先級最高的標準功能模塊上，如圖3所示；
[0032]3)將所有的冗餘單元中的每個標準功能模塊均連接在內部背板互聯標準串行總線系統上進行信號傳輸，並分別將各冗餘單元連接對應的數據和/或控制總線上；所有冗餘單元組成一臺整機完成相應的功能，如圖3所示。其中，內部背板互聯標準串行總線系統支持支持冷、熱節點互聯。
[0033]本發明一種星載模塊級冗餘備份系統，如圖6所示，包括內部背板互聯標準串行總線系統，與外部進行數據和信息交換的數據和/或控制總線，以及用於實現不同控制功能的冗餘單元；所述冗餘單元包括若干設定有優先等級且分別嵌入冗餘切換機制的標準功能模塊，標準功能模塊為單機組成中的具有對應該冗餘單元的同一功能類型和接口的硬體模塊；冗餘切換機制用於在對應的冗餘單元中將狀態正常且優先級最高的標準功能模塊置於工作狀態；系統內各個冗餘單元包括冗餘單元中的標準功能模塊均連接在內部背板互聯標準串行總線系統上進行信號傳輸，各冗餘單元對外有相應的數據和/或控制總線，所有幾餘單兀按控制功能連接後組成一臺整機完成相應的控制功能。其中，數據和/或控制總線具體包括對外數據信息總線和對外控制指令總線。整機由依次連接的CPU冗餘單元和I/O冗餘單元組成；連接外部控制及數據總線的CPU冗餘單元包括若干互為備份的CPU模塊；I/O冗餘單元包括若干互為備份的I/O模塊，I/O冗餘單元分別與對外輸入數據信息總線和對外輸出控制指令總線連接。本優選實例中，系統內部背板互聯標準串行總線系統採用ARINC659總線，I/O模塊採用ANTC模塊；並且系統採用時間觸發機制下的窗口工作模式實現控制功能。
[0034]具體的，本發明所述系統中將整機中硬體模塊按功能類型和接口進行劃分，分為包括CPU模塊和I/O模塊的標準功能模塊，其各自的冗餘切換控制機制的控制方式不變，但是將其拆分後分別對應到同類型的標準功能模塊當中，從而使控制粒度由單機級降低至模塊級；所有的標準功能模塊使用標準的串行總線作為背板總線，將通過背板總線將所有的標準功能模塊連接起來，冗餘控制機制的冗餘控制指令也通過背板總線進行傳輸；如圖3所示，分別設置有N個CPU模塊和N個I/O模塊分別對應各自的冗餘切換控制機制並各自連接對外控制及數據信息，再將其一一的連接起來後構成模塊級冗餘備份系統，系統運行時能夠通過任意一個CPU模塊和I/O模塊的組成實現整機功能。
[0035]採用此種架構之後，其可靠性如圖5所示，與現有技術中單機級冗餘備份的可靠性對比如圖4所示；現有技術中的單機級冗餘備份是將兩個分別包括CPU模塊和I/O模塊的單機並聯後採用冗餘切換控制機制實現冗餘備份，但是當主機內部部分模塊發生故障時，需要停滯整個主機而切換到備機上，實際在主機上未發生故障的模塊也被迫停止了工作，造成了極大的浪費，其可靠度如果為一的話，如圖5所示的模塊級冗餘備份的可靠性就是六；如圖5所示，其中只有在CPU模塊中對應各自的冗餘切換控制機制，兩者並聯後再介入到並聯的I/O模塊中，CPU模塊與I/O模塊組成一臺整機完成相應的功能；當CPU模塊與I/O模塊中的任意一塊出現異常，只需採用同類型的模塊實施替換重新組合後即可確保系統的正常工作，繼續完成設備的功能任務。這種冗餘切換模式可提高設備內部資源利用率，減少浪費，提高設備可靠性與壽命。
[0036]本發明所述的系統與以往系統中使用的自定義並行總線相比，標準背板總線具有統一接口，方便系統拓展與重組。解決了嵌入式計算機專機定製，研製周期長、成本高等問題。其中，任意模塊的組合，能夠滿足不同任務需求，具有計算機快速定製能力。針對實時性強的系統，可構建多CPU模塊與I/O模塊的「熱備份」電子系統；針對長壽命需求的系統，可構建多CPU模塊與I/O模塊的「冷備份」電子系統。以下就通過具體的例子來分別對兩種類型的電子系統進行具體說明。
[0037]具體產品中選用ARINC659總線作為背板總線，其由2類5個標準功能模塊組成，如圖6所示，其中3塊CPU模塊，2塊ANTC模塊，ANTC模塊屬於I/O模塊的一種。5個標準功能模塊全部串接在背板總線ARINC659總線上。在功能方面，3塊CPU模塊互為備份形成CPU冗餘單元，2塊ANTC模塊互為備份形成I/O冗餘單元。在冗餘單元執行對應控制功能時，只有優先級最高的標準功能模塊工作。
[0038]在快速定製兩模的「冷備份」電子系統時；通過供電模塊給CPU模塊I加電。CPU模塊I啟動工作後，通過ANTC模塊冗餘單元的冗餘切換機制給ANTC模塊I加電，產品進入正常工作模式:CPU模塊I通過外部控制及數據總線向外發布控制命令，並收集相關數據信息，通過ARINC659總線與ANTC模塊I實現信息交互。ANTC模塊I通過外部輸入數據信息總線和對外輸出控制指令總線實現外部模擬量信息的採集功能以及對外指令的發送。CPU模塊I通過ARINC659總線定時監測ANTC模塊I的健康狀態，當發現其異常時利用對應ANTC模塊I的冗餘切換機制禁止ANTC模塊I工作，使能ANTC模塊2工作，執行冗餘切換4。當CPU模塊I發生故障時，對應CPU模塊I的冗餘切換機制禁止CPU模塊I工作，使能CPU模塊2工作，執行冗餘切換I。
[0039]由圖6可以看出:任意CPU模塊與任意ANTC模塊可組合工作，形成單機完成任務。與單機級冗餘方式相比，模塊級冗餘備份提高了資源利用率，減少了不必要的浪費，提高了產品的壽命與可靠性。
[0040]快速定製三模「熱備份」電子系統時；通過供電模塊給CPU模塊1、CPU模塊2、CPU模塊3加電。三個CPU模塊中，CPU模塊I具有最高優先級，其它模塊按照編號優先級別依次類推，高優先級的CPU模塊具有對系統的控制權。CPU模塊I通過ANTC模塊冗餘單元的冗餘切換機制給ANTC模塊I加電。CPU模塊I通過外部控制及數據總線向外發布控制命令，並收集相關數據信息，通過背板總線與ANTC模塊I實現信息交互。ANTC模塊I可實現外部模擬量信息的採集功能以及對外指令的發送。CPU模塊I通過背板總線定時監測ANTC模塊I的健康狀態，當發現其異常時利用其對應的冗餘切換機制禁止ANTC模塊I工作，使能ANTC模塊2工作，執行冗餘切換4。CPU模塊2與CPU模塊3通過背板總線定時監測CPU模塊I的健康狀態，當發現其異常時通過其自身的冗餘切換機制實現自我隔離與關閉，執行冗餘切換1，同時，CPU模塊2獲取系統的主控權繼續完成任務。
【權利要求】
1.一種星載模塊級冗餘備份方法，其特徵在於，包括， 1)將單機組成中的具有同一功能類型和接口的硬體模塊劃分為多個標準功能模塊；將若干同類型的標準功能模塊設定優先等級後互為備份的組成一個冗餘單元，進行該類型的標準功能模塊的信息輸出和供電管理； 2)對所有冗餘單元中的每個標準功能模塊分別嵌入對應的冗餘切換機制；在冗餘切換機制的控制下，當前工作的標準功能模塊出現故障後，將對應控制功能切換到同一冗餘單元內其他標準功能模塊中優先級最高的標準功能模塊上； 3)將所有的冗餘單元中的每個標準功能模塊均連接在內部背板互聯標準串行總線系統上進行信號傳輸，並分別將各冗餘單元連接對應的數據和/或控制總線上；所有冗餘單元組成一臺整機完成相應的功能。
2.根據權利要求1所述的一種星載模塊級冗餘備份方法，其特徵在於，所述的標準功能模塊包括CPU模塊和I/O模塊；若干CPU模塊互為備份組成CPU冗餘單元，若干I/O模塊互為備份的組成I/O冗餘單元。
3.根據權利要求1所述的一種星載模塊級冗餘備份方法，其特徵在於，所述的內部背板互聯標準串行總線系統支持支持冷、熱節點互聯。
4.一種星載模塊級冗餘備份系統，其特徵在於，包括內部背板互聯標準串行總線系統，與外部進行數據和信息交換的數據和/或控制總線，以及用於實現不同控制功能的冗餘單元；所述冗餘單元包括若干設定有優先等級且分別嵌入冗餘切換機制的標準功能模塊，標準功能模塊為單機組成中的具有對應該冗餘單元的同一功能類型和接口的硬體模塊；冗餘切換機制用於在對應的冗餘單元中將狀態正常且優先級最高的標準功能模塊置於工作狀態；系統內各個冗餘單元包括冗餘單元中的標準功能模塊均連接在內部背板互聯標準串行總線系統上進行信號傳輸，各冗餘單元對外有相應的數據和/或控制總線，所有冗餘單元按控制功能連接後組成一臺整機完成相應的控制功能。
5.根據權利要求4所述的一種星載模塊級冗餘備份系統，其特徵在於，所述的數據和/或控制總線具體包括對外數據信息總線和對外控制指令總線。
6.根據權利要求5所述的一種星載模塊級冗餘備份系統，其特徵在於，所述的整機由依次連接的CPU冗餘單元和I/O冗餘單元組成；連接外部控制及數據總線的CPU冗餘單元包括若干互為備份的CPU模塊；1/0冗餘單元包括若干互為備份的I/O模塊，I/O冗餘單元分別與對外輸入數據信息總線和對外輸出控制指令總線連接。
7.根據權利要求6所述的一種星載模塊級冗餘備份系統，其特徵在於，所述的系統內部背板互聯標準串行總線系統採用ARINC659總線，I/O模塊採用ANTC模塊。
8.根據權利要求4所述的一種星載模塊級冗餘備份系統，其特徵在於，該系統採用時間觸發機制下的窗口工作模式實現控制功能。
【文檔編號】G06F11/16GK104407949SQ201410717473
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月28日 優先權日:2014年11月28日
【發明者】劉曙蓉, 伊嵐, 何海峰 申請人:中國航天科技集團公司第九研究院第七七一研究所