CN101968756B - 一种基于fpga的星载计算机自主切机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于FPGA的星载计算机自主切机系统，该系统采用硬件看门狗、狗咬计数模块、连续狗咬识别模块对当前工作计算机的工作状态进行监测，当监测到1次狗咬时，对当前工作计算机进行复位，当在一定时间段t内连续监测到2次狗咬时，切换到备机，如果两次狗咬时间间隔大于t时，只对当前工作计算机复位而不实施切机，系统还采用累计狗咬计数模块对当前工作计算机的累计故障进行监测，当累计故障次数大于设定值N时，实施切机。该系统可有效监测星载计算机的故障，且在排除故障的基础上有效减少了切机的次数。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于FPGA的星载计算机自主切机系统，属于卫星星上电子技术领域。
背景技术
星载计算机是卫星星上电子系统的核心部件，通常需要负责整星的管理与控制任务，其可靠性直接影响整星的可靠性。大量在轨卫星的运行情况表明，由于受空间环境的影响，即使采取了一系列抗辐照措施，星载计算机系统还是不可避免的会受空间环境因素影响出现逻辑异常或失效，为了确保整星的安全可靠，星载计算机通常采用主备机双机备份的方式，主机故障时切换到备机工作，备机故障时切换到主机工作。
对于星载计算机，系统复位可以在一定程度上排除某些突发的可恢复的故障，当复位不能解决故障时，可通过切机来排除。但实际应用情况表明，切机虽然可以有效地排除故障，但也带来了当前工作的星载计算机工作数据的丢失，需要地面重新上传相关信息才能连续工作，因此，从整星连续可靠运行的角度出发，星载计算机的切机策略应确保在故障有效排除的基础上尽量减少切机次数。
现有的星载计算机切机主要通过看门狗监测狗咬信号的累计出现次数，只要累计达到2次，就进行主备机切换，但是实际情况中，往往当第一次狗咬信号出现之后，该星载计算机能够正常工作很长时间，此时可以把该星载计算机看作一直正常状态，若又出现了一次狗咬信号，那么现有技术的处理方式会直接对该星载计算机实行切机，但这是不必要的，其结果是不能有效的降低切机的发生，而切机会导致当前工作的星载计算机工作数据的丢失， 需要地面重新上传相关信息才能连续工作，因此，会增大卫星在轨运行管理的工作量。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于FPGA的星载计算机自主切机系统，该系统可有效监测星载计算机的故障，且在排除故障的基础上有效减少了切机的次数，另外避免故障在主备机间扩散。
本发明的技术解决方案是：
一种基于FPGA的星载计算机自主切机系统，包括继电器、主计算机、备用计算机、主机硬件看门狗、备机硬件看门狗、主机FPGA芯片、备机FPGA芯片、主机时钟、备机时钟、主机OC驱动芯片和备机OC驱动芯片；
外部供电通过继电器给主计算机和备用计算机供电，主计算机连接主机硬件看门狗，主机硬件看门狗和主机时钟连接主机FPGA芯片，主机FPGA芯片连接主机OC驱动芯片，主机OC驱动芯片与继电器连接；
备用计算机连接备机硬件看门狗，备机硬件看门狗和备机时钟连接备机FPGA芯片，备机FPGA芯片连接备机OC驱动芯片，备机OC驱动芯片与继电器连接；
主机FPGA芯片中还包括主机狗咬计数模块、主机连续狗咬识别模块、主机累计狗咬计数模块、主机指令生成模块和主机分频器；
备机FPGA芯片中还包括备机狗咬计数模块、备机连续狗咬识别模块、备机累计狗咬计数模块、备机指令生成模块和备机分频器；
主计算机产生脉冲信号送入主机硬件看门狗中，主机硬件看门狗输出复位信号，并将复位信号同时送入主计算机中以及主机FPGA芯片中的主机狗咬计数模块、主机连续狗咬识别模块和主机累计狗咬计数模块中，主机狗咬计数模块和主机累计狗咬计数模块的输出信号送入主机指令生成模块，主机连续狗咬识别模块的输出送入主机狗咬计数模块，主机时钟通过FPGA中的主机分频器将时钟信号送入主机连续狗咬识别模块和主机指令生成模块，主 机指令生成模块的输出信号通过主机OC驱动芯片控制继电器动作；
备用计算机产生脉冲信号送入备机硬件看门狗中，备机硬件看门狗输出复位信号，并将复位信号同时送入备用计算机中以及备机FPGA芯片中的备机狗咬计数模块、备机连续狗咬识别模块和备机累计狗咬计数模块中，备机狗咬计数模块和备机累计狗咬计数模块的输出信号送入备机指令生成模块，备机连续狗咬识别模块的输出送入备机狗咬计数模块，备机时钟通过FPGA中的备机分频器将时钟信号送入备机连续狗咬识别模块和备机指令生成模块，备机指令生成模块的输出信号通过备机OC驱动芯片控制继电器动作；
继电器初始状态为给主计算机加电、备用计算机断电，主计算机正常工作时不间断地给主机硬件看门狗发送低电平脉冲信号，此时主机硬件看门狗输出的复位信号为高电平，是无效状态；若主计算机工作异常，则不能给主机硬件看门狗不间断的发送低电平脉冲信号，此时主机硬件看门狗输出的复位信号为低电平，所述低电平复位信号送入主计算机中，使得主计算机复位，同时所述低电平复位信号还送入主机狗咬计数模块、主机连续狗咬识别模块和主机累计狗咬计数模块中，主机狗咬计数模块用于接收到的低电平复位信号次数的计数，每接收到一次增加1，若主机狗咬计数模块计数为2，则发送高电平的第一主机切机使能信号给主机指令生成模块；主机连续狗咬识别模块统计从主机硬件看门狗每一次接收到低电平复位信号的时刻起10S内总计接收到低电平复位信号的次数，起始时刻时接收到的低电平复位信号计数为1，若10S后统计出的总次数为1，则发送清零信号给主机狗咬计数模块使得主机狗咬计数模块计数清零，若10S后主机连续狗咬识别模块统计出的总次数大于1，则不输出清零信号；主机累计狗咬计数模块统计从主计算机通电工作开始，主机硬件看门狗输出的低电平复位信号的累计次数，当主机累计狗咬计数模块统计出的累计次数为N时，所述主机累计狗咬计数模块发送高电平的第二主机切机使能信号给主机指令生成模块；所述N为大于3的自然数；当第一主机切机使能信号和第二主机切机使能信号至少有 一个为高电平信号时，主机指令生成模块将接收到的第一主机切机使能信号和第二主机切机使能信号进行逻辑或运算之后处理成高电平脉冲信号输出，通过主机OC驱动芯片的放大驱动继电器动作，使得继电器将主计算机供电切断，转换到给备用计算机供电，备用计算机中各个部分的工作情况和主计算机相同，如果备机指令生成模块输出高电平脉冲信号给备机OC驱动芯片，则备机OC驱动芯片的输出信号控制继电器将供电切换给主计算机。
所述主机OC驱动芯片和备机OC驱动芯片采用型号为NUD3105D的OC型继电器驱动芯片。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明的自主切机系统采用连续狗咬识别硬件逻辑电路对计算机故障监测硬件看门狗输出的狗咬信号(复位信号)进行监测，可对设定时间段内的连续狗咬信号进行识别，当监测到连续狗咬信号时，认为当前工作的星载计算机故障，然后产生切机指令，而对设定时间内没有发生连续狗咬信号的情况，认为当前工作的计算机接收到一次狗咬信号(复位信号)而进行复位后已经正常工作，不产生切机指令，因此可有效减少切机次数；
(2)本发明的自主切机系统设置了累计狗咬计数模块，可以对当前工作计算机累计的故障次数进行统计，当检测到当前工作计算机累计出现多次故障及复位时，认为该计算机不宜继续使用，产生硬件切机指令，对当前工作计算机实施切机，保证系统安全；
(3)本发明的自主切机系统由纯硬件实现，包括硬件看门狗、FPGA、OC指令驱动模块及继电器组成，故障监测及切机的实施电路完全独立于主备份星载计算机系统各自的系统内，切机过程中备机加电则主机断电，主机加电则备机断电，不存在双机同时加电的情况，因此可确保整个计算机系统完全独立，可防止故障在主备机间扩散。
附图说明
图1为本发明一种基于FPGA的星载计算机自主切机系统的原理框图；
图2为本发明的狗咬计数模块原理框图；
图3为本发明的连续狗咬识别模块原理框图；
图4为本发明的累计狗咬计数模块原理框图；
图5为本发明的指令生成模块原理框图。
具体实施方式
星载计算机系统是星上电子的核心，为了确保整星的可靠运行，星载计算机系统通常由主、备星载计算机构成，主、备星载计算机软硬件配置基本一致且均设置有故障监测电路，监测电路通常基于硬件看门狗，主、备星载计算机间设置有主备切换电路，主机故障时切换至备机工作，备机故障时切换至主机工作。但是因为每一次切换计算机，原工作计算机都会数据丢失，切换使用的计算机必须由地面系统上传之前丢失数据，对整体系统非常不利，因此，应在保证星载计算机能够正常工作的情况下，尽可能减少切机次数。
主、备计算机切换通常由继电器实现，继电器通常采用单刀双掷型自保持继电器，包括一个输入端、两个输出端和两个切换控制输入引脚，输入端与供电电源连接，两个输出端分别与主备计算机的供电输入连接，在继电器的切换控制输入引脚施加一定时间和一定强度的电流便可使得继电器发生切换。
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
如图1所示，本发明基于FPGA的星载计算机自主切机系统，包括继电器、主计算机、备用计算机、主机硬件看门狗、备机硬件看门狗、主机FPGA芯片、备机FPGA芯片、主机时钟、备机时钟、主机OC驱动芯片和备机OC驱动芯片；主机部分和备机部分的硬件组成，连接方式，工作方式完全相同，都由继电器控制供电切电。
外部供电通过继电器给主计算机和备用计算机供电，主计算机连接主机硬件看门狗，主机硬件看门狗和主机时钟连接主机FPGA芯片，主机FPGA 芯片连接主机OC驱动芯片，主机OC驱动芯片与继电器连接；
备用计算机这方面的连接方式与主机的完全一致。
主机FPGA芯片中包括主机狗咬计数模块、主机连续狗咬识别模块、主机累计狗咬计数模块、主机指令生成模块和主机分频器；
备机FPGA芯片中包括备机狗咬计数模块、备机连续狗咬识别模块、备机累计狗咬计数模块、备机指令生成模块和备机分频器；
主计算机产生脉冲信号送入主机硬件看门狗中，主机硬件看门狗输出复位中断信号，并将复位信号同时送入主计算机中以及主机FPGA芯片中的主机狗咬计数模块、主机连续狗咬识别模块和主机累计狗咬计数模块中，主机狗咬计数模块和主机累计狗咬计数模块的输出信号送入主机指令生成模块，主机连续狗咬识别模块的输出送入主机狗咬计数模块，主机时钟通过FPGA中的主机分频器将时钟信号送入主机连续狗咬识别模块和主机指令生成模块，主机指令生成模块的输出信号通过主机OC驱动芯片控制继电器动作；
备用计算机产生脉冲信号送入备机硬件看门狗中，备机硬件看门狗输出复位中断信号，并将复位信号同时送入备用计算机中以及备机FPGA芯片中的备机狗咬计数模块、备机连续狗咬识别模块和备机累计狗咬计数模块中，备机狗咬计数模块和备机累计狗咬计数模块的输出信号送入备机指令生成模块，备机连续狗咬识别模块的输出送入备机狗咬计数模块，备机时钟通过FPGA中的备机分频器将时钟信号送入备机连续狗咬识别模块和备机指令生成模块，备机指令生成模块的输出信号通过备机OC驱动芯片控制继电器动作；
继电器初始状态为给主计算机加电、备用计算机断电，主计算机正常工作时不间断地给主机硬件看门狗发送低电平脉冲信号，此时主机硬件看门狗输出的复位信号为高电平，是无效状态；若主计算机工作异常，则不能给主机硬件看门狗不间断的发送低电平脉冲信号，此时主机硬件看门狗输出的复位信号为低电平，所述低电平复位信号送入主计算机中，使得主计算机复位， 同时所述低电平复位信号还送入主机狗咬计数模块、主机连续狗咬识别模块和主机累计狗咬计数模块中，主机狗咬计数模块用于接收到的低电平复位信号次数的计数，每接收到一次增加1，若主机狗咬计数模块计数为2，则发送高电平的第一主机切机使能信号给主机指令生成模块；主机连续狗咬识别模块统计从主机硬件看门狗每一次接收到低电平复位信号的时刻起10S内总计接收到低电平复位信号的次数，起始时刻时接收到的低电平复位信号计数为1，若10S后统计出的总次数为1，则发送清零信号给主机狗咬计数模块使得主机狗咬计数模块计数清零，若10S后主机连续狗咬识别模块统计出的总次数大于1，则不输出清零信号；主机累计狗咬计数模块统计从主计算机通电工作开始，主机硬件看门狗输出的低电平复位信号的累计次数，当主机累计狗咬计数模块统计出的累计次数为N时，所述主机累计狗咬计数模块发送高电平的第二主机切机使能信号给主机指令生成模块；所述N为大于3的自然数；当第一主机切机使能信号和第二主机切机使能信号至少有一个为高电平信号时，主机指令生成模块将接收到的第一主机切机使能信号和第二主机切机使能信号进行逻辑或运算之后处理成高电平脉冲信号输出，通过主机OC驱动芯片的放大驱动继电器动作，使得继电器将主计算机供电切断，转换到给备用计算机供电，备用计算机中各个部分的工作情况和主计算机相同，如果备机指令生成模块输出高电平脉冲信号给备机OC驱动芯片，则备机OC驱动芯片的输出信号控制继电器将供电切换给主计算机。
本发明的星载计算机自主切机系统中，继电器可以选用磁保持继电器TQ2-L2，或松下TQ系列其它磁保持继电器或其它类似功能参数的磁保持继电器；硬件看门狗采用MAXIM公司的MAX6746或类似功能的硬件看门狗；FPGA芯片采用Altera公司的Cyclone系列的EP1C3T144芯片，也可采用Altera、Xilinx、Actel等公司的其它系列FPGA芯片；时钟采用常规有源晶体振荡器，震荡频率为10MHz，也可采用其它频率大于100Hz的有源晶体振荡器；OC驱动模块采用安森美的OC型继电器或电感驱动芯片 NUD3105D，也可采用其它类似功能的OC型继电器驱动芯片；本系统适用的星载计算机包括基于星上常用处理器的计算机，如80386、8086、TSC695、AT697、ARM等；
本发明的星载计算机自主切机系统中，分频器采用100000分频，将10MHz的信号分频为100Hz的时钟信号，输入至连续狗咬识别模块和指令生成模块。
主机部分FPGA内部实现和备用计算机部分FPGA内部实现完全相同，下面仅以通用称谓介绍。
如图2所示，狗咬计数模块在FPGA内部实现，由计数器和数字比较器组成，计数器包括一个计数引脚、一个清零引脚和一个计数输出引脚，狗咬信号连接至计数器的计数引脚，对脉冲下降沿进行计数，即对狗咬信号的下降沿进行计数，计数结果由计数输出引脚送至数字比较器，数字比较器比较的阈值为2，当计数值小于2时数字比较器输出低电平，当计数值大于等于2时数字比较器输出高电平，作为第一主机切机使能信号，输出至切机指令生成模块。
如图3所示，连续狗咬识别模块在FPGA内部实现，由计数器和数字比较器组成，计数器包括一个计数引脚、一个清零引脚和一个计数输出引脚，清零信号与狗咬信号连接，计数引脚与时钟输入信号连接，对100Hz的时钟信号进行计数，计数器的计数输出引脚连接至数字比较器，数字比较器的比较阈值设计为1000，当计数值达到1000(对应时间段为10s)时，比较器输出高电平，否则输出低电平，高电平可对狗咬计数模块进行清零。当两次狗咬时间间隔小于10s时，计数器的计数值不能达到1000，则比较器输出低电平，不能对狗咬计数模块实施清零，导致狗咬计数模块累计计满2次狗咬，进而产生第一主机切机使能信号。
如图4所示，累计狗咬计数模块在FPGA内部实现，由计数器和数字比较器组成，计数器包括一个计数引脚和一个计数输出引脚，计数引脚与狗 咬信号连接，计数器的计数输出引脚连接至数字比较器，数字比较器的比较阈值设计为10，当计数值达到10时，比较器输出高电平，否则输出低电平。数字比较器的输出连接至切机指令生成模块，当累计狗咬计数模块达到阈值时，产生第二主机切机使能信号。
如图5所示，指令生成模块在FPGA内部实现，主机指令生成模块和备机指令生成模块构成完全相同，由逻辑或门、计数器和数字比较器组成，计数器有一个计数使能引脚、一个计数引脚和一个计数输出引脚。逻辑或门的输入信号为狗咬计数模块输出的第一切机使能信号和累计狗咬计数模块输出的第二切机使能信号，逻辑或门的输出连接至计数器的计数使能引脚，当逻辑或门输出高电平时，计数器对100Hz的时钟信号进行计数，同时数字比较器输出高电平，当计数满16(对应160ms)时，数字比较器输出低电平，即产生160ms的高电平脉冲信号作为切机指令信号。第一主机切机使能信号、第二主机切机使能信号与第一备机切机使能信号、第二备机切机使能信号相同，称谓仅作为区分。
FPGA输出的切机指令信号通过OC型继电器或电感驱动芯片NUD3105D的驱动作用到双机切换磁保持继电器的切换控制引脚。双机切换磁保持继电器TQ2-L2为单刀双掷型继电器，其两个切换控制引脚分别与主备机的OC指令驱动模块的输出连接，其电源输入来自于主备机统一的外部供电输入，其电源输出分别连接至主备机各自的供电输入。当双机切换磁保持继电器的切换控制引脚接收到备机加电主机断电切机指令则产生切换，使得外部供电输入与备机供电输入导通，当双机切换磁保持继电器的切换控制引脚接收到主机加备主机断电切机指令则产生切换，使得外部供电输入与主机供电输入导通。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (2)
1.一种基于FPGA的星载计算机自主切机系统，其特征在于：包括继电器、主计算机、备用计算机、主机硬件看门狗、备机硬件看门狗、主机FPGA芯片、备机FPGA芯片、主机时钟、备机时钟、主机OC驱动芯片和备机OC驱动芯片；
外部供电通过继电器给主计算机和备用计算机供电，主计算机连接主机硬件看门狗，主机硬件看门狗和主机时钟连接主机FPGA芯片，主机FPGA芯片连接主机OC驱动芯片，主机OC驱动芯片与继电器连接；
备用计算机连接备机硬件看门狗，备机硬件看门狗和备机时钟连接备机FPGA芯片，备机FPGA芯片连接备机OC驱动芯片，备机OC驱动芯片与继电器连接；
主机FPGA芯片中还包括主机狗咬计数模块、主机连续狗咬识别模块、主机累计狗咬计数模块、主机指令生成模块和主机分频器；
备机FPGA芯片中还包括备机狗咬计数模块、备机连续狗咬识别模块、备机累计狗咬计数模块、备机指令生成模块和备机分频器；
主计算机产生脉冲信号送入主机硬件看门狗中，主机硬件看门狗输出复位信号，并将复位信号同时送入主计算机中以及主机FPGA芯片中的主机狗咬计数模块、主机连续狗咬识别模块和主机累计狗咬计数模块中，主机狗咬计数模块和主机累计狗咬计数模块的输出信号送入主机指令生成模块，主机连续狗咬识别模块的输出送入主机狗咬计数模块，主机时钟通过FPGA中的主机分频器将时钟信号送入主机连续狗咬识别模块和主机指令生成模块，主机指令生成模块的输出信号通过主机OC驱动芯片控制继电器动作；
备用计算机产生脉冲信号送入备机硬件看门狗中，备机硬件看门狗输出复位信号，并将复位信号同时送入备用计算机中以及备机FPGA芯片中的备机狗咬计数模块、备机连续狗咬识别模块和备机累计狗咬计数模块中，备机狗咬计数模块和备机累计狗咬计数模块的输出信号送入备机指令生成模块，备机连续狗咬识别模块的输出送入备机狗咬计数模块，备机时钟通过FPGA中的备机分频器将时钟信号送入备机连续狗咬识别模块和备机指令生成模块，备机指令生成模块的输出信号通过备机OC驱动芯片控制继电器动作；
继电器初始状态为给主计算机加电、备用计算机断电，主计算机正常工作时不间断地给主机硬件看门狗发送低电平脉冲信号，此时主机硬件看门狗输出的复位信号为高电平，是无效状态；若主计算机工作异常，则不能给主机硬件看门狗不间断的发送低电平脉冲信号，此时主机硬件看门狗输出的复位信号为低电平，所述低电平复位信号送入主计算机中，使得主计算机复位，同时所述低电平复位信号还送入主机狗咬计数模块、主机连续狗咬识别模块和主机累计狗咬计数模块中，主机狗咬计数模块用于接收到的低电平复位信号次数的计数，每接收到一次增加1，若主机狗咬计数模块计数为2，则发送高电平的第一主机切机使能信号给主机指令生成模块；主机连续狗咬识别模块统计从主机硬件看门狗每一次接收到低电平复位信号的时刻起10S内总计接收到低电平复位信号的次数，起始时刻时接收到的低电平复位信号计数为1，若10S后统计出的总次数为1，则发送清零信号给主机狗咬计数模块使得主机狗咬计数模块计数清零，若10S后主机连续狗咬识别模块统计出的总次数大于1，则不输出清零信号；主机累计狗咬计数模块统计从主计算机通电工作开始，主机硬件看门狗输出的低电平复位信号的累计次数，当主机累计狗咬计数模块统计出的累计次数为N时，所述主机累计狗咬计数模块发送高电平的第二主机切机使能信号给主机指令生成模块；所述N为大于3的自然数；当第一主机切机使能信号和第二主机切机使能信号至少有一个为高电平信号时，主机指令生成模块将接收到的第一主机切机使能信号和第二主机切机使能信号进行逻辑或运算之后处理成高电平脉冲信号输出，通过主机OC驱动芯片的放大驱动继电器动作，使得继电器将主计算机供电切断，转换到给备用计算机供电，备用计算机中各个部分的工作情况和主计算机相同，如果备机指令生成模块输出高电平脉冲信号给备机OC驱动芯片，则备机OC驱动芯片的输出信号控制继电器将供电切换给主计算机。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的星载计算机自主切机系统，其特征在于：所述主机OC驱动芯片和备机OC驱动芯片采用型号为NUD3105D的OC型继电器驱动芯片。
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| CN101634959A (zh) * | 2009-08-21 | 2010-01-27 | 北京航空航天大学 | 一种基于嵌入式cpu的双机冗余容错系统 |
| CN101794241A (zh) * | 2010-01-27 | 2010-08-04 | 清华大学 | 基于可编程逻辑器件三冗余容错计算机上电复位的电路 |
| CN101833536A (zh) * | 2010-04-16 | 2010-09-15 | 北京航空航天大学 | 一种冗余仲裁机制的可重构星载计算机 |
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2010
- 2010-09-29 CN CN2010102980190A patent/CN101968756B/zh active Active
Patent Citations (4)
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