CN101996110B - 基于模块化结构的三余度容错计算机平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于模块化结构的三余度容错计算机平台，旨在实现计算机系统综合化控制与管理，从处理器平台的角度出发构建一种基于模块化结构的三余度容错计算机平台系统，以克服联合式结构下的固有问题。该计算机平台主要由硬件结构相同、相互独立的三个功能通道和分别提供数字信号处理供电、模拟信号处理供电的两个电源模块构成，并采用物理集中方式集成在一个箱体内；每个功能通道作为一台计算机，其内部均包含有采用开放式标准内总线实现交联的基板、主处理器模块和一个或多个功能模块。本发明基于模块化结构，实现计算机系统综合化控制与管理，具有较高的安全性和可靠性，满足了小型化需求和环境适应性。

Description

基于模块化结构的三余度容错计算机平台

技术领域

本发明涉及基于模块化结构的计算机平台，具体涉及常用于航空机载系统的基于模块化结构的三余度容错计算机平台。

背景技术

飞行器的功能划分为直接与飞行器完成任务有关的“有效载荷功能”和帮助飞行器支撑任务功能执行的“飞行器管理功能”，其中“飞行器管理功能”则包括：飞行控制、推力控制、惯导、发动机控制、大气数据、燃油系统、航路管理、综合导航、液压控制、健康监控等方面功能。现役飞行器采用联合式体系结构，关于飞行器平台管理的各项功能分布在各子系统(一子系统对应一种功能)中，如惯导装置、飞行控制系统、大气数据系统、发动机控制系统、导航系统、电源管理、燃油系统等，各子系统各自采用独立的计算机实现控制管理，子系统间相互独立，其客观存在的缺点是实现飞机平台管理的设备过多、重量大、体积大占用空间多、布线复杂、线缆重、维护成本高，子系统间信息综合程度低，不能最大程度的发挥飞行器平台的性能，无法优化飞行品质。同时各子系统内计算机微处理器能力有限、资源相互独立，飞行器平台不得不通过增加设备来实现新功能的扩充，但又受到了平台自身有限空间和承重负荷的限制，因此联合式结构严重抑制了飞行器平台自身的发展，更不利于向无人机系统应用。

发明内容

本发明提供了一种基于模块化结构的三余度容错计算机平台，旨在实现计算机系统综合化控制与管理，从处理器平台的角度出发构建一种基于模块化结构的三余度容错计算机平台系统，以克服联合式结构下的固有问题。

本发明的技术方案如下：

基于模块化结构的三余度容错计算机平台，主要由硬件结构相同、相互独立的三个功能通道和分别提供数字信号处理供电、模拟信号处理供电的两个电源模块构成，并采用物理集中方式集成在一个箱体内，所述两个电源模块内部均设置有分别为所述三个功能通道提供独立供电的三组二次电源电路；每个功能通道作为一台计算机，其内部均包含有采用开放式标准内总线实现交联的基板、主处理器模块和一个或多个功能模块，所述基板包含有基板资源处理器、专用数据交叉传输电路、电源监控电路、硬件同步指示电路、通道故障逻辑及硬件表决电路、高精度的模/数、数/模转换电路和满足用户需求足够数量的系统离散量输入/输出接口资源，所述主处理器模块采用工作主频不低于200MHz的处理器且具备FLASH存储器、SRAM存储器、非易失存储器，每个功能模块都具有独立的模块处理器；所述主处理器模块和功能模块加固于基板上。

上述三个功能通道采用物理集中电器隔离的方式分为三个独立的完整的外场可替换单元，每个功能通道集成在一个模块中并采用金属壳体封装；这样，计算机平台内部电路功能的高密集成化并配合集中式的物理结构使得整机在物理空间方面具有明显优势，满足了机载产品小型化的较高需求。

上述开放式标准内总线为标准PCI总线，主处理器模块和功能模块符合PMC规范。

上述基板由主基板和从基板组成，从基板通过局部总线与主基板连接，所述高精度的模/数、数/模转换电路设置于从基板上。

上述基板资源处理器选择DSP芯片，所述模块处理器选择DSP芯片。

考虑到安装空间有限，上述功能模块一般不超过三块。

考虑到各个存储器的容量最好足够大以满足更高需求，所以上述FLASH存储器的容量不低于64Mbytes，SRAM存储器容量不低于128Mbytes，非易失存储器的容量不低于32kbytes。

上述提供数字信号处理供电的电源模块选择+5V电源，提供模拟信号处理供电的电源模块选择±15V电源。

本发明的优点在于以下几个方面：

1、模块化组成：原联合式航电体系结构下机载计算机内部也采用了功能模块化的设计思路，但其模块间的通讯互联是采用非开放式的专用总线实现，各个功能模块的可替换性及配置能力较弱几乎不存在易采购性，无法平滑实现产品功能、性能的升级扩展。三余度容错计算机从电源、功能通道到其内部功能资源电路均采用模块化设计便于故障的隔离和定位，功能通道内部采用工业标准总线实现模块的互联充分支持了功能资源的可配置性和易采购性，并利于性能的升级扩展；

2、安全性/可靠性：原机载计算机也采用有双余度或4余度的容错结构，但双余度结构在机载控制系统中主要基于“故障/安全”的工作机制，4余度容错结构虽然可靠性较高但需要克服首次“歧异故障”(即双双比较不一致)的决策问题且开发周期较长。三余度容错计算机内部完全三余度的计算体系结构其“一次故障工作”的容错能力可满足多数飞行器的安全性/可靠性需求，不存在首次“歧异故障”问题；

3、高速处理器：原机载计算机所采用处理器的工作频率较低只能实现某项专用控制功能，在有限周期内不支持实现多项实时任务功能的执行，更无法实现对多设备的系统综合管理。三余度容错计算机平台采用了高速处理器可消除原联合式系统内的低速子任务设备，为实现系统多任务功能的综合提供了基础；

4、小型化：原联合式航电体系结构下机载计算机由于集成度较低导致整机物理外形较大，尤其是具有余度配置的计算机所占用的空间则更大。三余度容错计算机平台内部电路功能的高密集成化并配合集中式的物理结构使整机在物理空间方面有明显优势；

5、深度外场可替换性：原机载计算机是将整机作为一个外场可替换单元，其内部组件不支持外场可替换性。三余度容错计算机平台的功能通道具有外场可替换的特性，支持二级维修体制，可有效减少产品在外场的维护时间；

6、环境适应性：指对不同系统功能使用环境的适应性(适应自然环境的机载计算机必须的特性这里不做说明)。原机载计算机面向特定机型系统的指定使用环境必须进行专项开发，产品不具有通用性和可重用性。基于模块化结构的三余度容错计算机平台其资源可配置化结构可为不同机载系统实现可靠控制管理计算平台的快速构建。

附图说明

图1是三余度容错计算机平台内部功能配置组成图；

图2是三余度容错计算机平台的整机正视图；

图3是三余度容错计算机平台的整机结构原理图(整机俯视方向)；

图4是每个功能通道的结构示意图；其中(a)为正视图，(b)为右视图，(c)为后视图，(d)为俯视图，对各个视图进行了部分剖视，其中(a)、(c)进行了两级剖视。

附图标号说明：

1-主基板，2-从基板，3-主基板安装框，4-从基板安装框，5-主处理器子板(主处理器模块)，6-功能子板(功能模块)，7-高密连接器。

具体实施方式

本发明公开的基于模块化结构的三余度容错计算机平台是三通道交叉互比监控系统，整体由硬件结构相同的三个功能通道和分别提供+5V、±15V的两个电源构成，原理结构如图1所示。每个功能通道即是一台计算机，其内部包含：主处理器模块、主/从基板、功能模块，内部模块间采用开放式标准内总线实现交联，主处理器模块使用工作主频不低于200MHz的处理器并设计大容量的FLASH存储器、SRAM存储器、非易失存储器等，是通道内开放式内总线的主控模块，主基板配置DSP处理器用于管理主/从基板内的功能资源(其中“主基板”在实现通道间专用数据交叉传输电路、电源监控电路、硬件同步指示电路、通道故障逻辑及硬件表决电路的基础上并配置有足够数量的系统离散量输入/输出接口资源，“从基板”使用高精度的模/数、数/模转换芯片处理模拟量接口信号，作为功能通道内的固有资源接口其数量应足够多以满足不同应用环境的需求)，功能通道支持不同功能的子板功能模块(如RS422接口、RS232接口、光纤通讯、CAN总线、IEEE1394总线、1553B总线等等)实现资源的可配置性，基于物理空间的考虑子板功能模块的使用数量控制在3块。每个功能通道构成一个完整的外场可替换单元(即一个通道集成在一个模块中并采用金属壳体封装)，三个通道采用同构型设计(包括软件)以具有实际的互换性。+5V、±15V电源模块内部设计三组独立的二次电源电路为三个功能通道提供独立的供电。功能通道、电源模块采用物理集中方法集成在一个箱体内实现强功能小型化的特点。三余度容错计算机平台整机方案图示见图3，在三块功能通道的左右两侧分别装载+5V、±15V电源模块。图4给出了单个功能通道的结构示意图，其中主处理器子板5加固于主基板1上，功能子板6在主基板1和从基板2上均有分布，主基板1与从基板2之间通过高密连接器7(局域总线)连接。

实施例：

依据发明内容为某型无人机构建三余度综合管理计算机平台实例：作为三通道交叉互比监控系统，由硬件结构相同的三个功能通道及2块三余度供电电源组成，功能通道间相互独立采用物理集中电器隔离的方式分为三个LRM机械结构。通道之间通过CCDL(以2Mbit曼彻斯特编码传输)交换信息，通道间通过硬件同步指示保证三通道的同步运行。功能通道内采用标准PCI总线，功能子板符合PMC规范，功能通道包含CPU模块(子板)、SIO模块(子板)、CAN模块(子板)、DIO模块(主基板)、AIO模块(从基板)。

CPU模块(主处理器子板)：实现控制律计算，余度管理，任务设备管理以及检测的功能。微处理器采用PowerPC755，主频266MHz，局部总线频率为66MHz，1Mbytes的L2缓存，128Mbytes 64位SDRAM，64Mbytes 64位USER Flash^TM存储器，2Mbytes 8位SYSTEM Flash^TM存储器，32kbytes 8位nvRAM存储器，4个32位定时器，2路RS232串行调试接口，1路10M/100M以太网开发接口，总线频率为33MHz的PCI总线接口，支持4个PCI设备。

DIO模块(主基板)：实现故障逻辑，同步电路，CCDL电路，具有32路的离散量I/O接口，并通过基板资源处理器(工作主频60MHz)局部总线控制AIO模块。

AIO模块(从基板)：实现32路模拟量输入采集处理，16路模拟量输出电路。其中A/D转换器选用AD976A(工业档)集成芯片，信号输入为±10V双极性输入，数据位为16位，线性偏差为±2LSB，数据定义为16进制补码，转换时间为5μS。

SIO模块(功能子板)：模块处理器选用TI公司的DSP芯片TMS320F240。串行输入输出控制芯片选用TI公司的TL16C554，每片包含8路RS422串行收发通路、4路RS232串行收发通路，传输速率可编程，RS422接口波特率最高达921.6kbps，RS232接口波特率最高达115.2kbps，单功能通道内配置2块。

CAN模块：提供传输速率1Mbps的2路CAN2.0B网络通讯接口。

+5V电源模块：为计算机完成系统数字量信号接入，向每个功能通道提供独立5V直流供电，供电特性符合GJB181《飞机供电特性及对用电设备的要求》中规定的B类供电条件。

±15V电源模块：为计算机完成系统模拟量信号接入，向每个功能通道提供独立±15V直流供电，供电特性符合GJB181《飞机供电特性及对用电设备的要求》中规定的B类供电条件。

整机体积：305mmX215mmX200mm，重量＜14Kg。

该实例可满足无人机系统综合化控制与管理的需求，并且通过对功能子板模块的选择可适应不同机型的使用环境具有快速构建的特性。

Claims (8)

1.一种基于模块化结构的三余度容错计算机平台，其特征在于：该基于模块化结构的三余度容错计算机平台主要由硬件结构相同、相互独立的三个功能通道和分别提供数字信号处理供电、模拟信号处理供电的两个电源模块构成，并采用物理集中方式集成在一个箱体内，所述两个电源模块内部均设置有分别为所述三个功能通道提供独立供电的三组二次电源电路；每个功能通道作为一台计算机，其内部均包含有采用开放式标准内总线实现交联的基板、主处理器模块和一个或多个功能模块，所述基板包含有基板资源处理器、专用数据交叉传输电路、电源监控电路、硬件同步指示电路、通道故障逻辑及硬件表决电路、高精度的模/数、数/模转换电路和满足用户需求足够数量的系统离散量输入/输出接口资源，所述主处理器模块采用工作主频不低于200MHz的处理器且具有FLASH存储器、SRAM存储器、非易失存储器，每个功能模块都具有独立的模块处理器；所述主处理器模块和功能模块加固于基板上。

2.根据权利要求1所述的基于模块化结构的三余度容错计算机平台，其特征在于：所述三个功能通道采用物理集中电器隔离的方式分为三个独立的完整的外场可替换单元，每个功能通道集成在一个模块中并采用金属壳体封装。

3.根据权利要求2所述的基于模块化结构的三余度容错计算机平台，其特征在于：所述开放式标准内总线为标准ＰＣＩ总线，主处理器模块和功能模块符合ＰＭＣ规范。

4.根据权利要求３所述的基于模块化结构的三余度容错计算机平台，其特征在于：所述基板由主基板和从基板组成，从基板通过局部总线与主基板连接，所述高精度的模/数、数/模转换电路设置于从基板上。

5.根据权利要求４所述的基于模块化结构的三余度容错计算机平台，其特征在于：所述基板资源处理器选择DSP芯片，所述模块处理器选择DSP芯片。

6.根据权利要求4所述的基于模块化结构的三余度容错计算机平台，其特征在于：所述功能模块的数量不超过三块。

7.根据权利要求4所述的基于模块化结构的三余度容错计算机平台，其特征在于：所述FLASH存储器的容量不低于64Mbytes，SRAM存储器容量不低于128Mbytes，非易失存储器的容量不低于32Kbytes。

8.根据权利要求4所述的基于模块化结构的三余度容错计算机平台，其特征在于：所述提供数字信号处理供电的电源模块选择+5V电源，提供模拟信号处理供电的电源模块选择±15V电源。

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