CN101192058A - 毫秒级实时计算机系统监控装置 - Google Patents

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Abstract

本发明创造提供了一种在毫秒级时间内即能判断出实时控制计算机的运行状态，并在计算机系统发生异常时驱动报警并实施保护，使实时控制系统的运行更加安全的毫秒级实时计算机系统监控装置。它包括标准时钟方波发生电路、波形频率整理电路、移位电路、锁存电路和用于检测实时计算机系统工作的系统运行心跳信号检测电路，其中标准时钟方波发生电路连接波形频率整形电路，波形频率整形电路连接移位寄存器，移位寄存器连接锁存电路，实时计算机系统检测电路连接移位寄存器，锁存电路连接六自由度运动模拟器保护回路。本发明创造可用于检测实时计算机系统的正常工作状态，在系统程序出现异常情况下，驱动保护装置实施保护。

Description

毫秒级实时计算机系统监控装置
(一)技术领域
本发明创造涉及实时计算机系统检测领域，具体涉及一种用于检测实时计算机系统工作的检测监控装置。
(二)背景技术
目前工业控制CPU中大多自带监控看门狗定时器，但多数用于非实时系统中且一般定时周期在1-255s之间，即使是专用的定时器，定时周期也基本在30ms左右。此类监控看门狗主要用于单系统计算机的保护，保护方式大多为重新初始化程序。在采样和控制周期较高的实时控制系统中，初始化程序会给系统带来危险，况且30ms意味着系统在较长时间内处在开环状态，无法保证系统的安全运行。
六自由度运动模拟器是一种模拟路况、海况以及航天飞行器在一定空间范围内六个自由度运动的模拟装置。该装置被广泛用于航空、航天等行业，其控制部分采用实时计算机系统，采样与控制周期为1ms。而目前市场上尚未有能够用于监测实时控制计算机的工作状态并提高控制系统的可靠性的保护装置。
(三)发明内容
本发明创造的目的在于提供一种在毫秒级时间内即能判断出实时控制计算机的运行状态，并在计算机系统发生异常时驱动报警并实施保护，使实时控制系统的运行更加安全的毫秒级实时计算机系统监控装置。
本发明创造的目的是这样实现的：它包括标准时钟方波发生电路、波形频率整理电路、移位电路、锁存电路和用于检测实时计算机系统工作的系统运行心跳信号检测电路，其中标准时钟方波发生电路连接波形频率整形电路，波形频率整形电路连接移位寄存器，移位寄存器连接锁存电路，实时系统计算机系统检测电路连接移位寄存器，锁存电路连接六自由度运动模拟器保护回路。
本发明创造的工作原理为：
实时控制系统在控制周期内由实时计算机系统通过数字输出发出TTL交变的心跳信号，该信号作为移位电路清零，保持移位寄存器溢出端置零。监控装置自身也备有基时方波发生电路，用于计时报警。基时信号通过波形频率整理电路将信号调整到需要的频率，进入移位寄存器计数。在实时控制计算机正常工作状态下，系统运行心跳信号复位移位电路的溢出端，以便接收下一个周期的监控。当计算机工作异常时，心跳信号停止，移位电路溢出，驱动报警。
本发明创造应用于六自由度运动模拟器的控制系统中监控实时计算机系统的工作状态，当计算机系统异常时监控装置发出报警，由锁存电路发出报警驱动六自由度运动模拟器保护回路，控制模拟器处于保护状态。本发明创造结构简单、设计合理可靠，能够保证系统的安全运行，并提高了控制系统的可靠性，是新一代毫秒级实时计算机系统监控装置。
(四)附图说明
图1为本发明创造的原理示意图；
图2为实施例中的波形频率整理电路；
图3为实施例中的移位电路的电路原理图；
图4为实施例的设计原理图；
图5为实施例实验中占空比与报警门限频率的关系曲线。
(五)具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明创造作进一步的详细说明：
结合图1，本发明创造包括标准时钟方波发生电路、波形频率整理电路、移位电路、锁存电路和用于检测实时计算机系统工作的系统运行心跳信号检测电路，其中标准时钟方波发生电路连接波形频率整形电路，波形频率整形电路连接移位寄存器，移位寄存器连接锁存电路，实时系统计算机系统检测电路连接移位寄存器，锁存电路连接六自由度运动模拟器保护回路。
本发明创造由方波信号发生电路提供高频方波信号，周期TS。该信号通过波形频率整理电路转换为需要的频率TTL电平信号，作为移位电路的脉冲指令。通过调整移位寄存器的位数，可以调整需要报警的时间，即在该时间段内没有接收到由实时计算机数字输出发送米的复位指令，就将移位电路溢出的报警信号送出至锁存电路，发出报警。当系统重新正常运行后，实时计算机可以进行报警复位。
报警时间TB计算公式如下：
TB＝N×TS×nf(式1)
式中：nf-波形频率调整电路的分频数；
N-移位寄存器的移位个数；
TS-波形发生器的波形周期。
本发明创造应用标准基时方波电路发出定时的脉冲信号，由波形频率整形电路对该波形的工作频率与形式进行整理再由移位寄存器进行计数。实时系统计算机的实时心跳信号用于对移位寄存器的复位与清零，在一定时间内未接收到实时系统计算机的心跳信号，则移位寄存器会发出溢出，该溢出信号会驱动锁紧电路实施保护驱动。
实施例：
1、波形频率整理电路
结合图2和图4，本实施例中波形整理电路包括8位2进制计数器IC2、IC3，石英晶振IC1的输出脚连接R1连接计数器IC2的1脚，计数器IC2的6脚连接计数器IC3的13脚，计数器IC2的2脚、IC3的8、12脚接地、计数器IC2的3-5脚、IC3的9-11脚输出。
其中，波形整理电路应用8位2进制计数器实现。输入端为石英晶振的标准频率信号，为了提高精度系统基时信号的精度，石英晶振的频率取1MHz，为简化移位寄存器的结构，采用2进制计数器实现基时频率的整理。当输入端信号为1MHz时，2进制计数器IC2的Q0端经过计数器分频后为500KHz，Q1端再经过分频使频率达到250KHz，以此类推经过计数器IC2、IC3和IC4模块的10次2分频后，波形频率调整为0.9765625KHz的TTL方波信号，满足移位寄存器的输入要求。
2、移位电路
结合图3和图4，本实施例中移位电路由8位移位寄存器IC5、IC6、与非门IC8、IC9与电阻R2-R5、R8组成，标准方波信号输出端连接电阻R2连接8位移位寄存器IC5的7脚和8位移位寄存器IC6的7脚，实时计算机心跳信号输出端连接电阻R8连接8位移位寄存器IC5的9脚和与非门IC9的3脚，与非门IC9的1脚连接电阻R3连接8位移位寄存器IC6的9脚，8位移位寄存器IC5的13脚连接电阻R5连接与非门IC8的6脚，8位移位寄存器IC6的13脚连接电阻R4连接与非门IC8的5脚，与非门IC8的4脚输出移位寄存器溢出信号连接锁存器IC7，8位移位寄存器IC5的1、15脚和8位移位寄存器IC6的1、15脚连接电源，8位移位寄存器IC5的2-6、10-12、14脚和8位移位寄存器IC6的2-6、10-12、14脚接地。
标准方波信号经过电阻R2输入双CLK并进/串行输出8位移位寄存器。SET端为高电平，每当方波信号翻转时SET端的信号会随方波信号向P0-P7端依次至“1”，Q7为溢出端。实时计算机心跳信号经过电阻R8连接IC5的CLR端，作用是将P0-P7端置“0”。IC9会将心跳信号反向后驱动IC6的CLR保证IC5和IC6交替工作。当IC5或IC6监测到心跳信号长期处于低电位时，标准方波信号翻转8次后，则移位电路溢出(Q7置“1”)，信号经过电阻R5和IC8的7脚和R7送出报警信号，锁存器IC7的5脚一面输出复位信号一面连接电阻R6到电源。
结合图4-5，本实施例中采用8位2进制移位寄存器作为波形频率整理电路，将信号调节到需要基时频率的方波信号，并应用两片8位移位寄存器作为检测装置，用计算机输出的定占空比信号作为移位寄存器的复位信号，当规定时间内没有复位脉冲到来，则移位寄存器将高电平送到输出端驱动六自由度运动模拟器的保护电路。
表1列出了主要元器件的选择：
表1
  序号   名称  型号   数量
  1   晶振  1M   1
  2   8位计数器  74LS393   2
  3   8为移位寄存器  74LS166   2
  4   R-S触发器  74LS279   1
  5   4或非门  74LS02   1
根据式1计算报警时间选择基时频率改变监控报警时间。
实验：
a)初始条件：
波形频率：0.97625KHz
心跳信号频率：20Hz-250Hz占空比＝1
实验中，以函数发生器发出可变频率的TTL信号，检测不同频率下电路的工作情况，得到如下试验结果：
表2
  复位频率  输出TTL电平
  无信号  1
  小于70Hz  1
  大于70Hz  0(复位后)
表2给出了占空比＝1时的实验数据。
报警时间：8ms
b)初始条件：
波形频率：0.97625KHz
心跳信号频率：20Hz-250Hz占空比＝0.176-5.667
试验结果：
表3
  占空比   报警频率(Hz)
  0.18   120
  0.25   110.3
  0.43   97.8
  0.67   84.4
  1   70.3
  1.5   81.5
  2.33   94.6
  4   109.6
  5.66   114.5
表3给出了占空比可变时的实验数据。
由于电路中采用两片8位移位寄存器分别检测实时计算机的复位脉冲，所以占空比会直接影响报警的时间即报警门限频率会随占空比的改变而改变如图5所示。
本发明创造可用于检测实时计算机系统的正常工作状态，在系统程序出现异常情况下，驱动保护装置实施保护。本发明创造能够已在多套六自由度运动模拟器中进行了实验，运行可靠。

Claims (3)

1.一种毫秒级实时计算机系统监控装置，其特征在于：它包括标准时钟方波发生电路、波形频率整理电路、移位电路、锁存电路和用于检测实时计算机系统工作的系统运行心跳信号检测电路，其中标准时钟方波发生电路连接波形频率整形电路，波形频率整形电路连接移位寄存器，移位寄存器连接锁存电路，实时计算机系统检测电路连接移位寄存器，锁存电路连接六自由度运动模拟器保护回路。
2.根据权利要求1所述的一种毫秒级实时计算机系统监控装置，其特征在于：所述的波形整理电路包括8位2进制计数器IC2、IC3，石英晶振连接计数器IC2的1脚，计数器IC2的6脚连接计数器IC3的13脚，计数器IC2的2脚、IC3的8、12脚接地、计数器IC2的3-5脚、IC3的9-11脚输出。
3.根据权利要求1或2所述的一种毫秒级实时计算机系统监控装置，其特征在于：所述的移位电路由8位移位寄存器IC5、IC6、与非门IC8、IC9与电阻R2-R5、R8组成，标准方波信号连接电阻R2连接8位移位寄存器IC5的7脚和8位移位寄存器IC6的7脚，实时计算机心跳信号连接电阻R8连接8位移位寄存器IC5的9脚和与非门IC9的3脚，与非门IC9的1脚连接电阻R3连接8位移位寄存器IC6的9脚，8位移位寄存器IC5的13脚连接电阻R5连接与非门IC8的6脚，8位移位寄存器IC6的13脚连接电阻R4连接与非门IC8的5脚，与非门IC8的4脚连接移位寄存器溢出信号，8位移位寄存器IC5的1、15脚和8位移位寄存器IC6的1、15脚连接电源，8位移位寄存器IC5的2-6、10-12、14脚和8位移位寄存器IC6的2-6、10-12、14脚接地。
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