CN102176202B - 一种星上商用器件冗余网络设计电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种星上商用器件冗余网络设计电路，其包括：多个商用器件，所述的多个商用器件通过数据总线互联，实现多个功能，并且任一功能都至少由两个商用器件完成；多个稳压模块，每一稳压模块分别连接一所述商用器件；一仲裁控制电路，其分别连接多个稳压模块及多个商用器件，通过采集所述商业器件的状态信息，控制所述稳压模块的使能端，使所述稳压模块为所述商用器件提供稳定的电源。本发明实现了星上商用器件的网络化设计、结构简单，能够提高采用商用器件的卫星系统的可靠性、降低卫星设计对商用器件的性能要求，满足卫星系统设计与研制的使用要求。

Description

一种星上商用器件冗余网络设计电路

技术领域

本发明涉及一种冗余网络电路的设计，特别设计一种商用器件冗余网络设计电路。

背景技术

随着空间技术的发展和进步，空间任务越来越复杂，对空间飞行器的要求也越来越高，比如低成本，高可靠。高实时性等。为了满足这些要求，世界各国都在研究低成本、高性能的商用器件代替昂贵的宇航级器件。但是商用器件可靠性低，在复杂恶劣的空间环境下发生故障的概率较高。卫星在轨运行期间受空间粒子影响，商用器件经常会出现单粒子翻转、单粒子锁定故障，从而导致卫星系统故障。

传统的提高可靠性的设计方法，比如对商用器件的加固设计、错误检测与纠正(EDAC)设计、看门狗设计、备份设计等，可以降低故障发生的频率和概率，但是这些被动防护的设计方法，不能主动对单粒子故障进行主动防护与处理，一般对商用器件要求较高。

因此，如何研发一种可以降低商用器件对系统的要求，增强系统信息冗余，同时能够对单粒子故障进行主动防护的网络设计电路，即为本领域技术人员的研究方向所在。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种星上商用器件冗余网络设计电路，其解决了现有卫星系统设计中高性能商用器件可靠性低、对系统设计要求高、影响整星安全性与可靠性问题。

为了达到上述目的，本发明提供一种星上商用器件冗余网络设计电路，其包括

多个商用器件，所述的多个商用器件通过数据总线互联，实现多个功能，并且任一功能都至少由两个商用器件完成；

多个稳压模块，每一稳压模块分别连接一所述商用器件；

一仲裁控制电路，其分别连接多个稳压模块及多个商用器件，通过采集所述商业器件的状态信息，控制所述稳压模块的使能端，使所述稳压模块为所述商用器件提供稳定的电源。

较佳的实施方式中，还包括一供电模块，与所述的多个稳压模块相连，用于对所述多个稳压模块进行供电。

较佳的实施方式中，所述的供电模块为一直流-直流供电模块。

较佳的实施方式中，所述的商业器件为m个，欲实现功能的数量为n个，每个器件实现的功能数量为L＝ceil(2n/m)，其中ceil()表示向无穷大方向取整。

较佳的实施方式中，所述的商业器件为C1、C2、...、Cm，欲实现多个功能为P1、P2、...、Pn，每个器件的功能分配公式如下：

C1：P1、P2、...、PL；

C2：P2、P3、...、PL、PL+1；

Ci：Pj、Pj+1、...、PL+j-1，其中1≤i＜m；

Cm：Pn-L+2、Pn-L+3、...、Pn、P1；

其中i与j的关系为，如果i为奇数则j＝fix((i-1)/2)*L+1，如果i为偶数则j＝fix((i-1)/2)*L+2，其中fix()表示向零方向取整。

较佳的实施方式中，所述功能中的部分功能有三个商业器件来实现。

较佳的实施方式中，所述仲裁控制电路采集商业器件的状态信号为商业器件内部看门狗输出的信号。

较佳的实施方式中，所述仲裁控制电路采集商业器件的状态信号为商业器件外部看门狗输出的信号。

较佳的实施方式中，所述仲裁控制电路输出的使能信号为周期性高低电平转换的电平信号。

与现有技术相比，本发明网络中每个商用器件实现系统的部分功能，网络中所有商用器件共同完成该网络全部功能，任一功能在该网络中至少有两个商用器件独立实现。网络中的商用器件通过仲裁控制电路控制稳压模块的使能信号实现商用器件的自主加/断电控制。本发明实现了星上商用器件的网络化设计、结构简单，能够提高采用商用器件的卫星系统的可靠性、降低卫星设计对商用器件的性能要求，满足卫星系统设计与研制的使用要求。

附图说明

图1为本发明星上商用器件冗余网络设计电路组成结构示意图；

图2为本发明仲裁控制电路的输入输出逻辑关系示意图；

图3为本发明星上商用器件冗余网络设计电路一实施例组成框图。

附图标记说明：1、2-商用器件冗余网络设计电路；11、21-商用器件；12、221、222、223-稳压模块；13、23-数据总线；14、24-仲裁控制电路；3-供电模块。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

如图1所示，为本发明星上商用器件冗余网络设计电路组成结构示意图，本发明的星上商用器件冗余网络设计电路1包括多个商用器件11、多个稳压模块12、数据总线13及仲裁控制电路14，其中，所述的多个商用器件11通过数据总线13互联，实现多个功能，并且，任一功能都至少由两个商用器件完成，所述的仲裁控制电路14采集所述多个商用器件11的状态信息(一般为商用器件内部的看门狗输出信号)，控制稳压模块12的使能端，使稳压模块12为商用器件提供稳定的电源。

如图2所示，为本发明仲裁控制电路的输入输出逻辑关系示意图，仲裁控制电路14将采集到的商用器件11的状态信息作为触发信号控制使能信号输出，如果商用器件11正常，其内部看门狗输出高电平信号，仲裁控制电路相应的使能信号输出为低电平，该使能信号控制的稳压模块12正常输出，与该稳压电源模块12相连接的商用器件11正常供电；一旦商用器件11发生故障，其内部看门狗输出低电平信号，仲裁控制电路14相应的使能信号输出为高电平，该使能信号控制的稳压模块12输出被禁止，与该稳压电源12相连接的商用器件11自动断电；如果仲裁控制电路14将采集的商用器件11的外部看门狗信号(外部看门狗信号一般为脉冲信号)，经过一个脉冲宽度的时间后，看门狗信号跳变为高电平，仲裁控制电路14输出相应的使能信号为低电平，稳压模块12输出正常，商用器件11自动加电，看门狗输出信号的脉冲宽度为自主断电时长。

本发明假设商用器件数量为m(C1、C2、...、Cm)，功能数量为n(P1、P2、...、Pn)，为了实现功能完全冗余，需要每个器件实现功能数量为L＝ceil(2n/m)，其中ceil()表示向无穷大方向取整，比如ceil(3.1)＝4，每个器件的功能分配公式如下：

C1：P1、P2、...、PL

C2：P2、P3、...、PL、PL+1

Ci：Pj、Pj+1、...、PL+j-1(1≤i＜m)

Cm：Pn-L+2、Pn-L+3、...、Pn、P1

其中i与j的关系为，如果i为奇数则j＝fix((i-1)/2)*L+1，如果i为偶数则j＝fix((i-1)/2)*L+2，其中fix()表示向零方向取整，比如fix(3.8)＝3，根据该功能分配方案，每个功能至少由两个器件独立实现。

由L定义可知2n/m≤L，则2n≤mL，k＝mL-2n≥0，说明n个功能由m个器件完全冗余实现(每个功能至少由两个器件独立实现)，其中k表示所有功能完全冗余后，还可以再完成的额外功能数，由于所有功能都已经实现了，可以在功能列表里任意选择k个再次进行实现，那么这k个功能就有三个独立器件实现，也可以选择第m个器件只实现L-k个功能。需要说明的是如果不加限制k有可能大于L，即只需要m-1个器件每个器件完成L个功能就可以实现n个功能的完全冗余(器件数较多，待实现功能较少)，这种情况不在讨论范围内。

下面举一实施例来具体说明，如图3所示，为本发明星上商用器件冗余网络设计电路一实施例组成框图；在本实施例中，所述的商用器件21的数量为3个，功能的数量为3个，即m＝3、n＝3，因此，由上述公式可以算出，L＝2，因此，每个器件的功能分配如下：

C1：P1、P2

C2：P2、P3

C3：P3、P1。

由图3可以看出，所述的商用器件冗余网络设计电路2包括商用器件COTS_A、商用器件COTS_B、商用器件COTS_C、稳压模块221、稳压模块222、稳压模块223，数据总线23及仲裁电路24，商业器件COTS_A实现功能P1、P2，商业器件COTS_B实现功能P2、P3，商业器件COTS_C实现功能P1、P3，商用器件COTS_A、商用器件COTS_B、商用器件COTS_C通过数据总线23互联，仲裁控制电路24分别采集商用器件COTS_A、商用器件COTS_B、商用器件COTS_C输出的状态信号，同时分别输出使能信号1、使能信号2、使能信号3到商用器件21的稳压模块221、稳压模块222、稳压模块223，稳压模块221输出信号作为商用器件COTS_A的供电信号，稳压模块222输出信号作为商用器件COTS_B的供电信号，稳压模块223输出信号作为商用器件COTS_C的供电信号。

整个商用器件网络设计电路2实现功能P1、P2、P3，且顺序执行(P1-＞P2-＞P3)，输出功能为P3，商用器件网络通过输入模块获得所需要的外部数据，通过功能P1、P2、P3处理后，输出P3。工作过程中，商用器件COTS_A、COTS_C分别独立地完成P1功能、并将结果输出到数据总线23上，商用器件COTS_A、COTS_B从总线上取得P1的结果后，分别独立完成功能P2，并将结果输出到数据总线23上，商用器件COTS_B、COTS_C从数据总线23上取得P2的结果后，分别独立完成功能P3，并将结果输出数据总线23上供下一周期实现P1功能，同时本周期的P3功能被输出。所有商用器件都正常工作时，在一个周期内信号商用器件工作顺序为COTS_A(P1)-＞COTS_B(P2)-＞COTS_C(P3)、COTS_C(P1)-＞COTS_A(P2)-＞COTS_B(P3)两个完全独立的通路，在每个功能的执行都有两个独立的商用器件同时进行，即整个商用器件网络内信息是完全冗余的，网络中任何一个商用器件故障断电不影响整个网络的正常输出。

本发明还可以包括一供电模块3，商用器件COTS_A通过稳压模块221由供电模块3供电，COTS_B通过稳压模块222由供电模块3供电，COTS_C通过稳压模块223由供电模块3供电。本实施方式中所述的供电模块3采用直流-直流供电模块实现。

本实施方式中所述的一种星上商用器件冗余网络设计电路2由输入接口提供外部数据输入，分别作为商用器件COTS_A、商用器件COTS_B、商用器件COTS_C的输入信号，参与逻辑运算或者数学运算。本商用器件网络实现的功能P1、P2、P3，且顺序实现。商用器件COTS_A实现功能P1、P2，商用器件COTS_B实现功能P2、P3，商用器件COTS_C实现功能P1、P3。在实现功能P2时可能用到功能P1的结果，实现功能P3时可能用到功能P1、P2的结果，实现功能P1时可能用到上一周期的功能P2、P3的结果。商用器件COTS_A、商用器件COTS_B、商用器件COTS_C完成得功能P1、P2、P3的结果通过数据总线23进行交互。本发明商用器件网络电路2所实现的所有功能都是冗余的，功能P1由COTS_A、商用器件COTS_C独立实现，功能P2有COTS_A、商用器件COTS_B独立实现，功能P3由COTS_B、商用器件COTS_C独立实现。

因此，本实施方式中所述的一种星上商用器件冗余网络设计电路中商用器件COTS_A、商用器件COTS_B、商用器件COTS_C是互为备份的，任一商用器件的功都可以由两外两个商用器件实现，比如商用器件COTS_A的功能可由商用器件COTS_C(实现功能P1)和COTS_B(实现功能P2)来实现，网络中的任一功能都由两个商用器件独立实现，即整个商用器件网络中信息是冗余的。

在上述实施方式中，冗余网络设计电路输出为功能P3的输出，功能P1、P2为中间过渡功能不作为直接输出，但是功能P1、P2是不能缺少的。

在上述实施方式中，稳压模块221输出信号作为商用器件COTS_A的供电信号，稳压模块222输出信号作为商用器件COTS_B的供电信号，稳压模块223输出信号作为商用器件COTS_C的供电信号，稳压模块221、稳压模块222、稳压模块223是否输出电信号由其使能端控制，在本实施方式中稳压模块221、稳压模块222、稳压模块223的使能信号为低电平时输出有效，正常输出，使能信号为高电平时稳压模块输出禁止，相当于对相应的商用器件进行断电。

本发明提供了一种星上商用器件冗余网络设计电路，仲裁控制电路24采集商用器件COTS_A的状态信号，经过逻辑元算后输出使能信号，控制稳压模块221的使能端，采集商用器件COTS_B的状态信号，经过逻辑元算后输出使能信号，控制稳压模块222的使能端，采集商用器件COTS_C的状态信号，经过逻辑元算后输出使能信号，控制稳压模块223的使能端。

因此，商用器件COTS_A、COTS_B、COTS_C分别完成了整个商用器件网络的部分功能，在本实施方式中每个商用器件完成了两个功能，整个商用器件网络实现三个功能，相对整个商用器件网络，网络中的每个商用器件的性能要求降低了。

上述的商用器件网络的功能如果不采用网络设计则需要两片高性能的商用器件实现，网络中的每个商用器件只完成整个商用器件网络的部分功能，这降低了网络中商用器件的要求。同时这种商用器件网络设计可以应用在芯片级、也可以应用在模块级、电路板级设计。

上述的星上商用器件冗余网络设计电路是例举商业器件为3个，实现功能数为3个的情况，本领域技术人员通过上述的公式，可以更换商业器件和功能的数量，均在本发明的保护范围之内。

继续参与图1所示，本发明的仲裁控制电路14采集商业器件12的状态信号分别为商业器件12内部或者外部看门狗输出的信号，表征相应的商用器件12是否故障，在本实施方式中看门狗输出的信号为脉冲信号，如图2所示。商用器件正常时看门狗输出高电平信号，一旦发生故障看门狗输出信号首先跳变为低电平，经过一段时间后(秒级)，输出信号跳变为高电平。

本发明的仲裁控制电路14输出的使能信号也可为电平信号，如果仲裁控制电路14输入的采集信号为高电平则输出的使能为低电平，如果输入的采集信号为低电平，则输出的使能输出信号为高电平。

综上所述，该网络中每个商用器件实现系统的部分功能，网络中所有商用器件共同完成该网络全部功能，任一功能在该网络中至少有两个商用器件独立实现。网络中的商用器件通过仲裁控制电路控制稳压模块的使能信号实现商用器件的自主加/断电控制。本发明实现了星上商用器件的网络化设计、结构简单，能够提高采用商用器件的卫星系统的可靠性、降低卫星设计对商用器件的性能要求，满足卫星系统设计与研制的使用要求。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改，变化，或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种星上商用器件冗余网络设计电路，其特征在于，其包括

多个商用器件，所述的多个商用器件通过数据总线互联，实现多个功能，并且任一功能都至少由两个商用器件完成；

多个稳压模块，每一稳压模块分别连接一所述商用器件；

一仲裁控制电路，其分别连接多个稳压模块及多个商用器件，通过采集所述商用器件的状态信息，控制所述稳压模块的使能端，使所述稳压模块为所述商用器件提供稳定的电源;

所述的商用器件冗余网络设计电路2包括商用器件COTS_A、商用器件COTS_B、商用器件COTS_C、稳压模块221、稳压模块222、稳压模块223，数据总线23及仲裁电路24，商用器件COTS_A实现功能P1、P2，商用器件COTS_B实现功能P2、P3，商用器件COTS_C实现功能P1、P3，商用器件COTS_A、商用器件COTS_B、商用器件COTS_C通过数据总线23互联，仲裁控制电路24分别采集商用器件COTS_A、商用器件COTS_B、商用器件COTS_C输出的状态信号，同时分别输出使能信号1、使能信号2、使能信号3到商用器件21的稳压模块221、稳压模块222、稳压模块223，稳压模块221输出信号作为商用器件COTS_A的供电信号，稳压模块222输出信号作为商用器件COTS_B的供电信号，稳压模块223输出信号作为商用器件COTS_C的供电信号。

2.根据权利要求1所述的星上商用器件冗余网络设计电路，其特征在于，还包括一供电模块，与所述的多个稳压模块相连，用于对所述多个稳压模块进行供电。

3.根据权利要求2所述的星上商用器件冗余网络设计电路，其特征在于，所述的供电模块为一直流-直流供电模块。

4.根据权利要求1所述的星上商用器件冗余网络设计电路，其特征在于，所述的商用器件为m个，欲实现功能的数量为n个，每个器件实现的功能数量为L＝ceil(2n/m)，其中ceil()表示向无穷大方向取整。

5.根据权利要求4所述的星上商用器件冗余网络设计电路，其特征在于，所述的商用器件为C₁、C₂、...、C_m，欲实现多个功能为P₁、P₂、...、P_n，每个器件的功能分配公式如下：

C₁：P₁、P₂、...、P_L，其中1≤L<n；

C₂：P₂、P₃、...、P_L、P_L+1；

C_i：P_j、P_j+1、...、P_L+j-1，其中1≤i＜m；

C_m：P_n-L+2、P_n-L+3、...、P_n、P₁；

其中i与j的关系为，如果i为奇数则j＝fix((i-1)/2)*L+1，如果i为偶数则j＝fix((i-1)/2)*L+2，其中fix()表示向零方向取整。

6.根据权利要求1所述的星上商用器件冗余网络设计电路，其特征在于，所述多个功能中的部分功能有三个商用器件来实现。

7.根据权利要求1所述的星上商用器件冗余网络设计电路，其特征在于，所述仲裁控制电路采集商用器件的状态信号为商用器件内部看门狗输出的信号。

8.根据权利要求1所述的星上商用器件冗余网络设计电路，其特征在于，所述仲裁控制电路采集商用器件的状态信号为商用器件外部看门狗输出的信号。

9.根据权利要求1所述的星上商用器件冗余网络设计电路，其特征在于，所述仲裁控制电路输出的使能信号为周期性高低电平转换的电平信号。

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