CN110879549A - 一种基于交叉互比方法的余度测量架构及余度管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于交叉互比方法的余度测量架构，包括：两个独立、性能相同、皆具备独立的测量及计算飞机油箱油量的能力的CPU模块：CPU_A模块模块、CPU_B模块；两个分别向CPU模块独立供电的电源模块：电源模块A、电源模块B；所述CPU_A模块模块、CPU_B模块之间不会相互影响，以确保控制计算机具备双余度硬件配置；每个CPU模块中均设置通讯连接的DSP单元、FPGA单元，且每个DSP单元均集成设置SPI总线接口。本发明能够有效应对突发故障，保证燃油测量计算机在故障状态下的正常使用。

Description

一种基于交叉互比方法的余度测量架构及余度管理方法
技术领域
本发明属于飞机控制计算机技术领域，具体涉及一种基于交叉互比方法的余度测量架构及余度管理方法。
背景技术
飞机控制计算机，主要负责测量及上报飞机油箱燃油油量，具有使用环境恶劣、精度及稳定度要求高的典型特点，可靠性要求较高。
目前，国内飞机控制计算机多采用单余度测量架构设计，单余度测量架构设计对突发故障缺乏有效的应对机制及处理手段。多余度就是一种能够提高飞机安全、可靠性的技术，其引入后可对飞机的控制计算机及燃油测量系统进行故障监控，当某处发生故障时，采用多余度测量架构的飞机的控制计算机可以进行故障隔离并重构剩余资源继续承担功能任务。
余度管理的目的为最大限度提高飞机飞行系统的可靠性，使系统发生故障后性能不变或性能损失降低到最小。虽然余度技术是提高系统可靠性的重要手段,但目前多余度飞控计算机软件测试中普遍存在联调困难、测试周期长、模拟与同步精度有关的故障较为困难等问题。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足之处，提供一种基于交叉互比方法的余度测量架构，能够有效应对突发故障，保证燃油测量计算机在故障状态下的正常使用。
本发明主要通过以下技术方案实现：
技术方案一：一种基于交叉互比方法的余度测量架构，包括：
两个独立、性能相同、皆具备独立的测量及计算飞机油箱油量的能力的CPU模块：CPU_A模块模块、CPU_B模块；
两个分别向CPU模块独立供电的电源模块：电源模块A、电源模块B；
所述CPU_A模块模块、CPU_B模块之间不会相互影响，以确保控制计算机具备双余度硬件配置；所述电源模块A与CPU_A模块模块连接，向CPU_A模块模块单独供电；所述电源模块B与CPU_B模块连接，向CPU_B模块单独供电；
每个CPU模块中均设置通讯连接的DSP单元、FPGA单元，且每个DSP单元均集成设置SPI总线接口；即CPU_A模块模块中设置通讯连接的A机DSP单元、A机FPGA单元，CPU_B模块模块中设置通讯连接的B机DSP单元、B机FPGA单元，A机DSP单元与B机FPGA单元通讯连接，B机DSP单元与A机FPGA单元通讯连接，且A机DSP单元与B机DSP单元通过连接在SPI总线接口的SPI总线通讯连接以交叉传输数据。
进一步地，任何工作状态时，两个CPU模块中一个CPU模块为主测量与处理模块、另一个CPU模块为从测量与处理模块。
技术方案二：一种基于交叉互比方法的余度测量架构，由两个独立的CPU模块和两个为两个CPU模块分别独立供电的供电模块组成；
两个CPU模块相互独立、性能相同、皆具备独立的测量及计算飞机油箱油量的能力，且两个CPU模块记为：CPU_A模块模块、CPU_B模块；所述CPU_A模块模块、CPU_B模块之间不会相互影响，以确保控制计算机具备双余度硬件配置；
两个电源模块记为：电源模块A、电源模块B；所述电源模块A与CPU_A模块模块连接，向CPU_A模块模块单独供电；所述电源模块B与CPU_B模块连接，向CPU_B模块单独供电；
每个CPU模块中均设置通讯连接的DSP单元、FPGA单元，且每个DSP单元均集成设置SPI总线接口；即CPU_A模块模块中设置通讯连接的A机DSP单元、A机FPGA单元，CPU_B模块模块中设置通讯连接的B机DSP单元、B机FPGA单元，A机DSP单元与B机FPGA单元通讯连接，B机DSP单元与A机FPGA单元通讯连接，且A机DSP单元与B机DSP单元通过连接在SPI总线接口的SPI总线通讯连接以交叉传输数据。
技术方案三：将一种基于交叉互比方法的余度测量架构用于飞机油量测量计算机。
技术方案四：一种基于交叉互比方法的余度管理方法，基于余度测量架构，设置余度管理策略；
所述余度管理策略包括双余度信号监控与表决策略、故障检测与诊断策略、系统重构与恢复策略、同步管理策略；
所述双余度信号监控与表决策略，具体是指：先确定基本的监控表决原则，根据基本的监控表决原则制定双余度信号监控与表决方法，最后表决结果由主测量与处理模块输出；
所述故障检测与诊断策略，具体是指：采用总线请求/应答握手的故障检测机制检测故障；检测的内容包括：自身的检测、诊断出故障的位置和类型；
所述系统重构与恢复策略，具体是指：根据余度测量架构、双余度信号监控与表决策略、故障检测与诊断策略，制定一系列在检测到故障后能够继续正常运行的故障隔离和系统重构以及故障恢复后的处理方案；
所述同步管理策略，具体是指：采用时钟级同步、松散同步、任务级同步中任意一种同步方式保证两个CPU模块的同步。
进一步地，所述时钟级同步是指采用相同的时钟源驱动两个CPU模块，使得两个CPU模块在每个时钟周期进行重同步。
进一步地，所述松散同步是指两个CPU模块在每个时间片内进行同步。
进一步地，所述任务级同步是指两个CPU模块在每个控制周期进行同步。
此技术方案中的基于交叉互比方法的余度测量架构，用于飞机油量测量计算机。
本发明的有益效果：
（1）本发明能够有效应对突发故障，保证燃油测量计算机在故障状态下的正常使用。
（2）本发明采用双余度的测量架构，采用精简的结构即可实现对系统的有效保障，大大降低了整个控制系统的冗余。
附图说明
图1是本发明的工作原理简图。
图2是时钟级同步示意图。
图3是松散同步示意图。
图4是任务级同步示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案、优点更加清楚，下面将结合附图对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本实施例提供了一种基于交叉互比方法的余度测量架构，如图1所示，包括：
两个独立、性能相同、皆具备独立的测量及计算飞机油箱油量的能力的CPU（测量与处理）模块和两个分别向CPU（测量与处理）模块独立供电的电源模块。
两个CPU模块（测量与处理）：CPU_A模块模块、CPU_B模块；
两个电源模块：电源模块A、电源模块B；
所述电源模块A与CPU_A模块模块连接，向CPU_A模块模块单独供电；所述电源模块B与CPU_B模块连接，向CPU_B模块单独供电。
所述CPU_A模块模块、CPU_B模块、电源模块A、电源模块B之间不会相互影响，以确保控制计算机具备双余度硬件配置。
每个CPU模块中均采用DSP（数字信号处理器）单元加FPGA（可编程逻辑器件）的硬件架构，DSP（数字信号处理器）具备集成的SPI总线接口，测量与处理模块之间可以通过SPI总线接口交换彼此的故障信息；FPGA（可编程逻辑器件）设计了模块状态识别接口，通过该接口，测量与处理模块之间可以相互交换状态信息，确认主从状态。
即，CPU_A模块模块中设置通讯连接的A机DSP单元、A机FPGA单元，CPU_B模块模块中设置通讯连接的B机DSP单元、B机FPGA单元，A机DSP单元与B机FPGA单元通讯连接，B机DSP单元与A机FPGA单元通讯连接，且A机DSP单元与B机DSP单元通过连接在SPI总线接口的SPI总线通讯连接以交叉传输数据。
进一步地，任何工作状态时，两个CPU模块中一个CPU模块为主测量与处理模块、另一个CPU模块为从测量与处理模块。
如图1所示， CPU_A（测量与处理）模块由电源模块A供电，CPU_B（测量与处理）模块由电源模块B供电。燃油测量计算机上电启动后，CPU_A（测量与处理）模块进入工作状态，CPU_B（测量与处理）模块进入备份状态。
CPU_A（测量与处理）模块与CPU_B（测量与处理）模块通过SPI总线交换故障信息，当CPU_A（测量与处理）模块出现故障时，CPU_A（测量与处理）模块进入进入备份状态，
CPU_B（测量与处理）模块进入工作状态。同时CPU_A（测量与处理）模块与CPU_B（测量与处理）模块通过FPGA交换状态信息（工作或是备份），避免双机同时进入工作或是备份状态。
实施例2：
本实施例中将一种基于交叉互比方法的余度测量架构用于飞机油量测量计算机。
本实施例中的一种基于交叉互比方法的余度测量架构，由两个独立的CPU模块和两个为两个CPU模块分别独立供电的供电模块组成；
两个CPU模块相互独立、性能相同、皆具备独立的测量及计算飞机油箱油量的能力，且两个CPU模块记为：CPU_A模块模块、CPU_B模块；所述CPU_A模块模块、CPU_B模块之间不会相互影响，以确保控制计算机具备双余度硬件配置；
两个电源模块记为：电源模块A、电源模块B；所述电源模块A与CPU_A模块模块连接，向CPU_A模块模块单独供电；所述电源模块B与CPU_B模块连接，向CPU_B模块单独供电；
每个CPU模块中均设置通讯连接的DSP单元、FPGA单元，且每个DSP单元均集成设置SPI总线接口；即CPU_A模块模块中设置通讯连接的A机DSP单元、A机FPGA单元，CPU_B模块模块中设置通讯连接的B机DSP单元、B机FPGA单元，A机DSP单元与B机FPGA单元通讯连接，B机DSP单元与A机FPGA单元通讯连接，且A机DSP单元与B机DSP单元通过连接在SPI总线接口的SPI总线通讯连接以交叉传输数据。
实施例3：
本实施例提供了一种基于交叉互比方法的余度管理方法，基于余度测量架构，设置余度管理策略；
所述余度管理策略包括双余度信号监控与表决策略、故障检测与诊断策略、系统重构与恢复策略、同步管理策略；
所述双余度信号监控与表决策略，具体是指：先确定基本的监控表决原则，根据基本的监控表决原则制定双余度信号监控与表决方法，最后表决结果由主测量与处理模块输出；
所述故障检测与诊断策略，具体是指：采用总线请求/应答握手的故障检测机制检测故障；检测的内容包括：自身的检测、诊断出故障的位置和类型；
所述系统重构与恢复策略，具体是指：根据余度测量架构、双余度信号监控与表决策略、故障检测与诊断策略，制定一系列在检测到故障后能够继续正常运行的故障隔离和系统重构以及故障恢复后的处理方案；
所述同步管理策略，具体是指：采用时钟级同步、松散同步、任务级同步中任意一种同步方式保证两个CPU模块的同步。
同步是余度管理设计的前提，其设计的好坏直接关系着余度管理功能的正确性。只有在同步的条件下，各个中央处理单元在同一任务周期内执行相同的任务，才能保证所要表决的数据具有一致性和可靠性，否则表决毫无疑义。
进一步地，所述时钟级同步是指采用相同的时钟源驱动两个CPU模块，使得两个CPU模块在每个时钟周期进行重同步。
CPU_A模块作为系统的节点1，CPU_B模块作为系统的节点2，此时如图2所示，系统中两个CPU模块按照相同时序同步运行，即处于同步状态。进一步地，所述松散同步是指两个CPU模块在每个时间片内进行同步。
进一步地，所述松散同步是指两个CPU模块在每个时间片内进行同步。
CPU_A模块作为系统的节点1，CPU_B模块作为系统的节点2，如图3所示，松散同步采用的是一种基于时间片的同步方式，每个时间片由多个时钟周期组成，在每个时间片内允许系统中CPU_A模块对应的节点1，CPU_B模块对应的节点2存在异步度，异步度在允许范围内则认为其同步，在下一个时间片内进行重同步。
进一步地，所述任务级同步是指两个CPU模块在每个控制周期进行同步。
如图4所示，任务级同步也属于松散同步的一种，时间的基本单位为任务周期，每个任务周期包括任务执行时间和任务空闲时间。多个任务周期组成重同步周期，系统中的CPU_A模块对应的节点1，CPU_B模块对应的节点2在每个任务周期重复执行任务，在系统中以CPU_A模块对应的节点1或CPU_B模块对应的节点2的时钟或者以CPU_A模块对应的节点1，CPU_B模块对应的节点2综合出来的时钟作为基准时钟，若有节点的时钟异步度大于最大异步度，则以基准时钟为标准对所有节点的逻辑时钟进行校正，使得系统中的CPU_A模块对应的节点1，CPU_B模块对应的节点2重新回到同步状态。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于交叉互比方法的余度测量架构，其特征在于，包括：
两个独立、性能相同、皆具备独立的测量及计算飞机油箱油量的能力的CPU模块：CPU_A模块模块、CPU_B模块；
两个分别向CPU模块独立供电的电源模块：电源模块A、电源模块B；
所述CPU_A模块模块、CPU_B模块之间不会相互影响，以确保控制计算机具备双余度硬件配置；所述电源模块A与CPU_A模块模块连接，向CPU_A模块模块单独供电；所述电源模块B与CPU_B模块连接，向CPU_B模块单独供电；
每个CPU模块中均设置通讯连接的DSP单元、FPGA单元，且每个DSP单元均集成设置SPI总线接口；即CPU_A模块模块中设置通讯连接的A机DSP单元、A机FPGA单元，CPU_B模块模块中设置通讯连接的B机DSP单元、B机FPGA单元，A机DSP单元与B机FPGA单元通讯连接，B机DSP单元与A机FPGA单元通讯连接，且A机DSP单元与B机DSP单元通过连接在SPI总线接口的SPI总线通讯连接以交叉传输数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于交叉互比方法的余度测量架构，其特征在于，任何工作状态时，两个CPU模块中一个CPU模块为主测量与处理模块、另一个CPU模块为从测量与处理模块。
3.一种基于交叉互比方法的余度测量架构，其特征在于，由两个独立的CPU模块和两个为两个CPU模块分别独立供电的供电模块组成；
两个CPU模块相互独立、性能相同、皆具备独立的测量及计算飞机油箱油量的能力，且两个CPU模块记为：CPU_A模块模块、CPU_B模块；所述CPU_A模块模块、CPU_B模块之间不会相互影响，以确保控制计算机具备双余度硬件配置；
两个电源模块记为：电源模块A、电源模块B；所述电源模块A与CPU_A模块模块连接，向CPU_A模块模块单独供电；所述电源模块B与CPU_B模块连接，向CPU_B模块单独供电；
每个CPU模块中均设置通讯连接的DSP单元、FPGA单元，且每个DSP单元均集成设置SPI总线接口；即CPU_A模块模块中设置通讯连接的A机DSP单元、A机FPGA单元，CPU_B模块模块中设置通讯连接的B机DSP单元、B机FPGA单元，A机DSP单元与B机FPGA单元通讯连接，B机DSP单元与A机FPGA单元通讯连接，且A机DSP单元与B机DSP单元通过连接在SPI总线接口的SPI总线通讯连接以交叉传输数据。
4.一种基于交叉互比方法的余度测量架构，其特征在于，将权利要求1所述的余度测量架构用于飞机油量测量计算机。
5.一种基于交叉互比方法的余度管理方法，其特征在于，基于权利要求2所述的余度测量架构，设置余度管理策略；
所述余度管理策略包括双余度信号监控与表决策略、故障检测与诊断策略、系统重构与恢复策略、同步管理策略；
所述双余度信号监控与表决策略，具体是指：先确定基本的监控表决原则，根据基本的监控表决原则制定双余度信号监控与表决方法，最后表决结果由主测量与处理模块输出；
所述故障检测与诊断策略，具体是指：采用总线请求/应答握手的故障检测机制检测故障；检测的内容包括：自身的检测、诊断出故障的位置和类型；
所述系统重构与恢复策略，具体是指：根据余度测量架构、双余度信号监控与表决策略、故障检测与诊断策略，制定一系列在检测到故障后能够继续正常运行的故障隔离和系统重构以及故障恢复后的处理方案；
所述同步管理策略，具体是指：采用时钟级同步、松散同步、任务级同步中任意一种同步方式保证两个CPU模块的同步。
6.根据权利要求5所述的一种基于交叉互比方法的余度管理方法，其特征在于，所述时钟级同步是指采用相同的时钟源驱动两个CPU模块，使得两个CPU模块在每个时钟周期进行重同步。
7.根据权利要求5所述的一种基于交叉互比方法的余度管理方法，其特征在于，所述松散同步是指两个CPU模块在每个时间片内进行同步。
8.根据权利要求5所述的一种基于交叉互比方法的余度管理方法，其特征在于，所述任务级同步是指两个CPU模块在每个控制周期进行同步。
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