CN107065830A - 一种基于仲裁方式的双冗余热备份系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于仲裁方式的双冗余热备份系统，包括主CPU模块、备CPU模块、仲裁模块、电源模块和背板模块；仲裁模块将输入设备生成的USB信号进行分路后分别发送至主、备CPU模块；仲裁模块接收主CPU模块发送的DVI视频信号并将其发送至显示设备；主、备CPU模块通过背板上VPX总线或直连网线进行数据同步；主、备CPU模块对自身状态进行实时监测，在监测到发生故障时生成故障状态信息；主、备CPU模块分别通过各自的串口向仲裁模块发送故障状态信息并周期性发送各自的心跳数据；仲裁模块根据心跳数据和故障状态信息进行故障判定，在判定出现故障后进行故障报警，若故障为主和/或备CPU模块自身的故障则进行故障的切换处理。本发明提高了系统的可靠性。

Description

一种基于仲裁方式的双冗余热备份系统

技术领域

本发明涉及热备份技术领域。更具体地，涉及一种基于仲裁方式的双冗余热备份系统。

背景技术

目前，为满足地面装备车辆低成本、高可靠、信息化的发展需求，采用集成化的综合控制设备完成车辆的一体化控制功能已成为未来发展的重要方向，综合控制设备作为地面装备车辆的核心设备，主要功能包括流程控制、人机交互、接收其他车载设备状态信息并进行分析处理、对外发送控制命令完成控制功能，其可靠性、安全性将直接影响装备车辆的整车性能，同时综合控制设备作为装车设备，其使用环境条件恶劣，会受到各种干扰，可能导致设备在运行中出现死机、通信故障等问题，一旦综合控制设备出现故障后，地面装备车辆的任务将被迫终止，最终导致装备无法正常使用。因此车载综合控制设备已逐步采用容错技术来提高可靠性，针对关键设备、部件、元器件采用冗余热备份的设计方法，但并非余度越多可靠性越高，因为余度提高后对应的冗余部件增加，使得用于故障检测和余度切换的部件增多，仲裁模块功能越复杂，可靠性反而可能降低。

因此，需要提供一种针对地面装备车辆上的综合控制设备，综合考虑可靠性、复杂度、实现难度以及成本因素的基于仲裁方式的双冗余热备份系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于仲裁方式的双冗余热备份系统，解决系统可靠性低的问题，特别是解决现有地面车辆装备上的综合控制设备可靠性低的问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于仲裁方式的双冗余热备份系统，包括主CPU模块、备CPU模块、仲裁模块、电源模块和背板模块；

主CPU模块、备CPU模块和仲裁模块通过VPX总线连接背板模块，电源模块通过背板模块为主CPU模块、备CPU模块和仲裁模块供电；

仲裁模块将输入设备生成的USB信号进行分路后通过USB信号输出端口分别发送至主CPU模块和备CPU模块；

仲裁模块通过DVI视频信号输入端口接收主CPU模块发送的DVI视频信号并将DVI视频信号发送至显示设备；

主CPU模块和备CPU模块通过背板上VPX总线或直连网线进行数据同步；

主CPU模块和备CPU模块对自身状态进行实时监测，在监测到发生故障时生成故障状态信息；

主CPU模块和备CPU模块分别通过各自的串口向仲裁模块发送故障状态信息并周期性发送各自的心跳数据；

仲裁模块，根据心跳数据和故障状态信息进行故障判定，在判定出现故障后进行故障报警，若故障为主CPU模块和/或备CPU模块自身的故障则进行故障的切换处理。

优选地，心跳数据的发送周期为10ms。

优选地，故障状态信息包括：CPU模块硬件故障的故障状态信息、软件运行故障的故障状态信息、通信链路故障的故障状态信息、数据同步失败故障的故障状态信息和数据同步不一致故障的故障状态信息，其中，数据同步失败故障的故障状态信息和数据同步不一致故障的故障状态信息由主CPU模块生成。

优选地，仲裁模块根据心跳数据和故障状态信息进行故障判定的方式为：当仲裁模块连续五个周期未收到某个CPU模块的心跳数据，或，当仲裁模块收到某个CPU模块发送的CPU模块硬件故障的故障状态信息、软件运行故障的故障状态信息或通信链路故障的故障状态信息时，判定该CPU模块出现故障；当仲裁模块收到主CPU模块发送的数据同步失败故障的故障状态信息或数据同步不一致故障的故障状态信息时，判定同步失效。

优选地，仲裁模块进行故障的切换处理的方式为：

故障为主CPU模块自身的故障时，仲裁模块停止接收主CPU模块发送的DVI视频信号、停止将USB信号发送至主CPU模块、对主CPU模块实施断电处理，同时，仲裁模块接收备CPU模块发送的DVI视频信号并将DVI视频信号发送至显示设备、控制备CPU模块停止其与主CPU模块之间的数据同步，使得备CPU模块以单余度状态工作；

故障为备CPU模块自身的故障时，仲裁模块停止将USB信号发送至备CPU模块、对主CPU模块实施断电处理，同时，仲裁模块控制主CPU模块停止其与备CPU模块之间的数据同步，使得主CPU模块以单余度状态工作；

故障为主CPU模块和备CPU模块自身的故障时，仲裁模块停止接收主CPU模块发送的DVI视频信号、停止将USB信号发送至主CPU模块和备CPU模块、对主CPU模块和备CPU模块均实施断电处理。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案针对CPU模块采取双冗余热备份的设计，通过仲裁模块实现故障监测及切换处理，提高了系统的可靠性，特别是应用于地面装备车辆时保证了地面装备车辆上的综合控制设备执行任务的连续性，提高了地面装备车辆的整体可靠性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出基于仲裁方式的双冗余热备份系统。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明公开的基于仲裁方式的双冗余热备份系统包括主CPU模块、备CPU模块、仲裁模块、电源模块和背板模块；

主CPU模块、备CPU模块和仲裁模块通过VPX总线连接背板模块，电源模块通过背板模块为主CPU模块、备CPU模块和仲裁模块供电；

主CPU模块和备CPU模块的硬件完全相同；

主CPU模块和备CPU模块的DVI视频信号输出端口分别连接仲裁模块的两个DVI视频信号输入端口，仲裁模块的DVI视频信号输出端口连接至显示设备；

主CPU模块和备CPU模块的USB信号输入端口分别连接仲裁模块的两个USB信号输出端口，仲裁模块的USB信号输入端口连接至输入设备；

主CPU模块和备CPU模块的串口分别连接仲裁模块的两个串口，其中，串口为RS422串口；

仲裁模块将输入设备生成的USB信号进行一分为二的分路处理后通过USB信号输出端口分别发送至主CPU模块和备CPU模块；

仲裁模块通过DVI视频信号输入端口接收主CPU模块发送的DVI视频信号并将DVI视频信号发送至显示设备；

主CPU模块和备CPU模块通过背板上VPX总线或直连网线进行数据同步；

主CPU模块和备CPU模块均具有自检功能，分别通过底层传感器及自检程序对自身状态进行实时监测，在监测到发生故障时生成故障状态信息；

主CPU模块和备CPU模块分别通过各自的串口向仲裁模块发送故障状态信息并周期性发送各自的心跳数据，其中，心跳数据的发送周期为10ms；

仲裁模块，根据心跳数据和故障状态信息进行故障判定，在判定出现故障后进行故障报警，若故障为主CPU模块和/或备CPU模块自身的故障则进行故障的切换处理。

其中，

主CPU模块和备CPU模块在监测到自身发生故障时生成故障状态信息包括：

1)CPU模块硬件故障的故障状态信息：CPU模块上电后，采用自检程序实时对自身工作状态进行监控，自检状态包括对CPU模块温度、CPU使用率、CPU电压值、CPU工作频率、内存温度、内存使用率等进行快速自检，若自检结果异常则生成CPU模块硬件故障的故障状态信息；

2)软件运行故障的故障状态信息：在CPU模块上运行的应用软件中设置看门狗，用看门狗定时器监控程序状态，当程序出现跑飞或锁死故障时，生成软件运行故障的故障状态信息；

3)通信链路故障的故障状态信息：CPU模块与外部节点通信过程中，因为通信链路故障导致数据接收或发送失败则生成通信链路故障的故障状态信息；

4)数据同步失败故障的故障状态信息：两个CPU模块之间的直连网线出现链路故障，导致数据同步失败，则主CPU模块生成数据同步失败故障的故障状态信息。

5)数据同步不一致故障的故障状态信息：两个CPU模块进行数据同步过程中出现同步结果不一致，导致两个CPU模块的状态不一致，则主CPU模块生成数据同步不一致故障的故障状态信息。

仲裁模块在判定出现故障后进行故障报警时，CPU模块硬件故障的故障状态信息、软件运行故障的故障状态信息、通信链路故障的故障状态信息、数据同步失败故障的故障状态信息和数据同步不一致故障的故障状态信息均进行具体类型的故障报警。

仲裁模块根据心跳数据和故障状态信息进行故障判定的方式为：当仲裁模块连续五个周期未收到某个CPU模块的心跳数据，或，当仲裁模块收到某个CPU模块发送的CPU模块硬件故障的故障状态信息、软件运行故障的故障状态信息或通信链路故障的故障状态信息时，判定该CPU模块出现故障；当仲裁模块收到主CPU模块发送的数据同步失败故障的故障状态信息或数据同步不一致故障的故障状态信息时，判定同步失效故障。

仲裁模块进行故障的切换处理的方式为：

故障为主CPU模块自身的故障时，即当判定主CPU模块出现故障时，仲裁模块停止接收主CPU模块发送的DVI视频信号、停止将USB信号发送至主CPU模块、对主CPU模块实施断电处理，同时，仲裁模块接收备CPU模块发送的DVI视频信号并将DVI视频信号发送至显示设备、控制备CPU模块停止其与主CPU模块之间的数据同步，使得备CPU模块以单余度状态工作；仲裁模块还向其他节点发送切换通知；

故障为备CPU模块自身的故障时，即当判定备CPU模块出现故障时，仲裁模块停止将USB信号发送至备CPU模块、对主CPU模块实施断电处理，同时，仲裁模块控制主CPU模块停止其与备CPU模块之间的数据同步，使得主CPU模块以单余度状态工作；仲裁模块还向其他节点发送故障通知；

故障为主CPU模块和备CPU模块自身的故障时，即当判定主CPU模块和备CPU模块均出现故障时，仲裁模块停止接收主CPU模块发送的DVI视频信号、停止将USB信号发送至主CPU模块和备CPU模块、对主CPU模块和备CPU模块均实施断电处理；仲裁模块还向其他节点发送故障通知。

需要说明的是，故障为同步失效故障时，即当判定出现同步失效故障时，仲裁模块不进行故障的切换处理，仅进行故障报警。

在本发明应用于地面装备车辆上的综合控制设备时：

在综合控制设备上电后，默认第一个槽位上的CPU模块为主CPU模块，实现与外部的通讯、控制功能；另一个CPU模块作为热备份的备CPU模块，只接收输入设备的USB信号并进行处理，不向显示设备发送DVI视频信号。两个CPU模块上电自检无误后开始工作，构成双余度系统。

仲裁模块进行故障报警的方式为在综合控制设备前面板上通过状态指示灯进行故障指示。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种基于仲裁方式的双冗余热备份系统，其特征在于，该系统包括主CPU模块、备CPU模块、仲裁模块、电源模块和背板模块；

主CPU模块、备CPU模块和仲裁模块通过VPX总线连接背板模块，电源模块通过背板模块为主CPU模块、备CPU模块和仲裁模块供电；

仲裁模块将输入设备生成的USB信号进行分路后通过USB信号输出端口分别发送至主CPU模块和备CPU模块；

仲裁模块通过DVI视频信号输入端口接收主CPU模块发送的DVI视频信号并将DVI视频信号发送至显示设备；

主CPU模块和备CPU模块通过背板上VPX总线或直连网线进行数据同步；

主CPU模块和备CPU模块对自身状态进行实时监测，在监测到发生故障时生成故障状态信息；

主CPU模块和备CPU模块分别通过各自的串口向仲裁模块发送故障状态信息并周期性发送各自的心跳数据；

仲裁模块，根据心跳数据和故障状态信息进行故障判定，在判定出现故障后进行故障报警，若故障为主CPU模块和/或备CPU模块自身的故障则进行故障的切换处理。

2.根据权利要求1所述的基于仲裁方式的双冗余热备份系统，其特征在于，心跳数据的发送周期为10ms。

3.根据权利要求1所述的基于仲裁方式的双冗余热备份系统，其特征在于，故障状态信息包括：CPU模块硬件故障的故障状态信息、软件运行故障的故障状态信息、通信链路故障的故障状态信息、数据同步失败故障的故障状态信息和数据同步不一致故障的故障状态信息，其中，数据同步失败故障的故障状态信息和数据同步不一致故障的故障状态信息由主CPU模块生成。

4.根据权利要求3所述的基于仲裁方式的双冗余热备份系统，其特征在于，仲裁模块根据心跳数据和故障状态信息进行故障判定的方式为：当仲裁模块连续五个周期未收到某个CPU模块的心跳数据，或，当仲裁模块收到某个CPU模块发送的CPU模块硬件故障的故障状态信息、软件运行故障的故障状态信息或通信链路故障的故障状态信息时，判定该CPU模块出现故障；当仲裁模块收到主CPU模块发送的数据同步失败故障的故障状态信息或数据同步不一致故障的故障状态信息时，判定同步失效。

5.根据权利要求4所述的基于仲裁方式的双冗余热备份系统，其特征在于，仲裁模块进行故障的切换处理的方式为：

故障为主CPU模块自身的故障时，仲裁模块停止接收主CPU模块发送的DVI视频信号、停止将USB信号发送至主CPU模块、对主CPU模块实施断电处理，同时，仲裁模块接收备CPU模块发送的DVI视频信号并将DVI视频信号发送至显示设备、控制备CPU模块停止其与主CPU模块之间的数据同步，使得备CPU模块以单余度状态工作；

故障为备CPU模块自身的故障时，仲裁模块停止将USB信号发送至备CPU模块、对主CPU模块实施断电处理，同时，仲裁模块控制主CPU模块停止其与备CPU模块之间的数据同步，使得主CPU模块以单余度状态工作；

故障为主CPU模块和备CPU模块自身的故障时，仲裁模块停止接收主CPU模块发送的DVI视频信号、停止将USB信号发送至主CPU模块和备CPU模块、对主CPU模块和备CPU模块均实施断电处理。