CN103631178B - 一种双机备份冗余控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双机备份冗余控制装置，包括安装在两个计算机中、完全相同的两部分，每部分包括状态采集模块、主备状态设置模块、主备状态翻转模块、主备状态清除模块和主备位生成逻辑模块；两个计算机通过导线相连，用以采集彼此的电源状态和主备位状态。单机通过主备位抢权机制确定主机，由主机输出对外的公共信号。外部输入的遥控命令两机同时接收，可使单机的主备位无条件进行切换。本发明既支持双机热备份工作模式，也支持双机冷备份工作模式，具有高可靠、长寿命、高实时性特点。

Description

一种双机备份冗余控制装置

技术领域

本发明涉及一种冗余控制装置，属于电子信息技术领域。

背景技术

目前，国内双机冗余计算机系统设计主要采用双机热备或双机冷备工作模式，在设计中采用两个完全相同的单机互为备份，来完成整个系统的功能，其中切换控制逻辑电路属于公共模块，为长期不断电部位。从双机冗余和可靠性角度分析，消除公共模块可极大的提高整机可靠性指标和优化双机切换机制。其冗余设计框图如图1所示。

对于此类双机冗余备份系统，两个计算机能够同时接收外部输入信号，由公共模块确定当班机，并控制当班机输出公共信号，同时禁止非当班机输出公共信号。当整个系统工作时，公共模块处于长期加电状态，无备份模块可以替代，双机处于不完全冗余状态。从可靠性角度分析，对整机的可靠性指标与寿命指标要求较高的装置，该双机冗余备份设计是不适用的。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种双机备份冗余控制装置，将公共模块进行简化冗余设计，并将其分配到两个独立单机中，构成一个完全冗余备份的系统，具有高可靠性，长寿命的优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括安装在两个计算机中、完全相同的两部分，每部分包括状态采集模块、主备状态设置模块、主备状态翻转模块、主备状态清除模块和主备位生成逻辑模块，

所述的主备状态设置模块输入本机处理器预置端口信号，本机处理器对该端口进行写操作时，主备状态设置模块输出低电平有效信号；

所述的主备状态翻转模块根据遥控切换信号输出上升沿信号；

所述的主备状态清除模块输入低电平有效的本机看门狗狗咬信号、上电复位信号和处理器清除端口信号，通过三输入与门输出低电平有效信号；

所述的主备位生成逻辑模块采用D触发器控制，D触发器的预置端低电平有效，当主备状态设置模块输出低电平有效信号时，本机主备状态输出为1，1表示主机，0表示备机；D触发器的输出负端反馈接至输入端；D触发器的时钟输入端上升沿有效，当收到主备状态翻转模块输出的上升沿信号时进行主备状态位的翻转；D触发器的清除端CLR低电平有效，当主备状态清除模块输出为低电平时，本机主备状态输出为0；

所述的主备状态采集模块输入本机电源状态信号和另一机电源状态信号，判断双机系统为冷备状态或热备状态，并且根据本机的主备位状态信号和另一机的主备位状态信号，输出主备位判断依据。

本发明的有益效果是：本发明针对传统双机冗余体系结构存在公共部分，即为不完全冗余体系结构的缺点，采用软硬件结合的方式，可实现两个计算机之间的完全冗余，既支持双机热备份工作模式，也支持双机冷备份工作模式，具有高可靠、长寿命、高实时性特点。

以某空间型号任务中双机热备计算机为例，存在公共模块时，通过元器件应力分析法，对整机按6个月任务时间进行可靠性预计，可靠性预计值为0.998；通过本发明取消公共模块的设计后，采用同样的分析方法，对整机按6个月任务时间进行可靠性预计，可靠性预计值为0.9995。比较两个可靠性预计值可以看出，采用本发明后，使双机成为完全冗余系统，可以极大提高整机的可靠性，相比未采用本发明的双机系统，可靠性指标提升接近一个数量级。

本发明在空间计算机、工业控制等对可靠性、寿命及实时性方面要求较高的领域，具有重要推广应用价值。

附图说明

图1是目前双机冗余计算机系统框图；

图2是切换控制装置框图；

图3是主备位生成逻辑模块框图；

图4是主备位抢权机制示意图；

图5是完全冗余双机备份计算机系统构成框图；

图6是切换控制电路框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明的切换控制装置如图2所示，该装置由状态采集模块、主备状态设置模块、主备状态翻转模块、主备状态清除模块和主备位生成逻辑模块组成：

主备状态采集模块输入信号为本机电源状态信号、另一机电源状态和主备状态信号，通过该模块的输入信号可判断系统为冷备状态或热备状态，并且可获知另一机的主备位状态，为系统输出主备位提供判断依据；

主备状态设置模块输入信号为本机处理器预置端口信号，本机处理器对该端口进行写操作时，主备状态设置模块输出低电平有效信号；

主备状态翻转模块输入信号为遥控切换信号；

主备状态清除模块输入信号为本机看门狗狗咬信号、上电复位信号和处理器清除端口信号，该三个信号均为低电平有效，通过三输入与门进行“与”处理，输出低电平有效信号；

主备位生成逻辑模块在设计中采用D触发器控制，如图3所示：

D触发器的预置端SET低电平有效，当主备状态设置模块输出低电平信号，本机主备状态输出为“1”（“1”表示主机，“0”表示备机）；

D触发器的时钟输入端CLK上升沿有效，D触发器的输出负端/Q反馈接至输入端D，当收到主备状态翻转模块输出的命令，可无条件进行主备状态位的翻转，从而实现主备状态切换；

D触发器的清除端CLR低电平有效，当主备状态清除模块输出为低电平时，本机主备状态输出为“0”；

处理器通过D触发器的的反馈端口检测本机主备状态。

切换控制装置在工作中需与软件协同配合，通过主备位抢权机制，确定主机，并由主机控制系统对外接口的输出权。主备位抢权机制流程图如图4示。

本机上电复位后，主备状态清除模块输出为低电平信号，此时本机处于备状态“0”；

本机处理器每个工作周期通过状态采集模块输出获取另一台单机的电源状态信号和主备状态信号；当检测到另外一台单机处于备状态“0”时，才可通过主备状态设置模块置本机为主状态“1”，并开始执行应用程序；

当检测到另外一台单机处于主状态“1”，且通过反馈端口获知本机也处于主状态“1”时，则通过主备状态清除模块清除本机的主状态位“1”，通过软件后退算法，重新开始进行抢权操作；

为了防止两台单机都处于主状态“1”而引起的系统混乱，在单机设计中，将另一台单机主备状态与本机主备状态进行“与”处理，形成本机禁止信号，当禁止信号为“1”时，表明出现双机主备状态错误，则禁止本机输出；

本机在运行过程中出现看门狗溢出，可通过处理器清除模块对本机进行复位。

软件后退算法：在事务运行的过程中发生了某种故障，事务不能继续执行，系统将事务中所有或部分已经完成的操作全部撤销，回退到事务开始时的状态或中间某一状态，继续执行。在本发明中即为当处理器检测到两机都为主状态“1”时，软件默认为无效状态，此时软件可后退回至图4②处，重新采集另一机主备状态，并开始抢权，若几次（次数软件可设）抢权仍然检测到两机都为主状态“1”时，软件再次后退至图4①处，从复位后状态再次开始抢权，直至确定当班机。

采用本发明设计的完全冗余双机备份计算机系统如图5所示。切换控制模块被分配到两个单机中，分别由电源单独供电，两机之间通过导线相连，用以采集彼此的电源状态和主备位状态。单机通过主备位抢权机制确定主机，由主机输出对外的公共信号。外部输入的遥控命令两机同时接收，可使单机的主备位无条件进行切换。

在此处介绍一个应用该发明的双机冗余控制装置产品。该产品中切换控制电路框图如图6所示。

本装置在系统复位后，切换控制电路自动预置本机为备状态，即D触发器Q端输出为‘0’，通过双机之间的互连模块采集另一台单机的主备位状态，当检测到另一台单机主备位为‘0’时，由CPU对D触发器的预置（SET）端口进行操作，设置本机为主状态，D触发器Q输出端此时翻转为‘1’；当检测到另一台单机主备位为‘1’时，CPU通过D触发器的反馈端口判断本机的主备位状态，若本机备状态为‘0’，置本机为备状态‘0’，若本机主备状态为‘1’，则由CPU对D触发器的清除端口进行操作，设本机主备位为‘0’，并通过软件的后退算法，重新进行抢权操作。

为防止两台单机都设本机为‘1’而引起的系统混乱，在单机设计中，将本机主备状态与另一台单机的主备状态进行“与”处理，形成本机的禁止信号，当禁止信号为‘1’时，表明出现主备状态错误，则禁止本机对外输出，并重新开始进行抢权操作。

当主机中的看门狗发生二次狗咬时，看门狗切换信号由‘1’变为‘0’，则D触发器的Q端输出为‘0’，可实现主备状态的切换。

当单机接收到遥控切换命令后，D触发器的Q输出端将无条件进行翻转，从而实现主备状态的切换。

在某空间型号任务中，原控制计算机采用传统双机热备份体系结构，可靠性一直难以满足用户提出的指标，在后续的控制计算机中，采用本发明后，实现了双机间的完全冗余备份，可靠性指标完全满足用户需求。

Claims (1)

1.一种双机备份冗余控制装置，其特征在于：包括安装在两个计算机中、完全相同的两部分，每部分包括主备状态采集模块、主备状态设置模块、主备状态翻转模块、主备状态清除模块和主备位生成逻辑模块；

所述的主备状态设置模块输入本机处理器预置端口信号，本机处理器对该端口进行写操作时，主备状态设置模块输出低电平有效信号；

所述的主备状态翻转模块根据遥控切换信号输出上升沿信号；

所述的主备状态清除模块输入低电平有效的本机看门狗狗咬信号、上电复位信号和处理器清除端口信号，通过三输入与门输出低电平有效信号；

所述的主备位生成逻辑模块采用D触发器控制，D触发器的预置端低电平有效，当主备状态设置模块输出低电平有效信号时，本机主备状态输出为1，1表示主机，0表示备机；D触发器的输出负端反馈接至输入端；D触发器的时钟输入端上升沿有效，当收到主备状态翻转模块输出的上升沿信号时进行主备状态位的翻转；D触发器的清除端CLR低电平有效，当主备状态清除模块输出为低电平时，本机主备状态输出为0；

所述的主备状态采集模块输入本机电源状态信号和另一机电源状态信号，判断双机系统为冷备状态或热备状态，并且根据本机的主备位状态信号和另一机的主备位状态信号，输出主备位判断依据。