CN111694304A - 一种面向空间飞行器的综合故障逻辑判决电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向空间飞行器的综合故障逻辑判决电路及方法，系统中的控制计算机CPU和MIO故障检测一方面基于CPU模块三机之间的检测，另一方面，基于MIO对CPU的检测，最后，综合CPU的之间自检测和互检测结果，以及MIO对CPU的检测结果，决定当前当班的CPU和MIO，CPU模块或IO模块一旦发生故障，通过自检+互检的分布式故障检测方式，智能判断出当前的当班正常模块三个CPU，负责CPU之间的故障判断和MIO模块的故障判断，MIO接收故障逻辑判断单元，保证MIO接收的CPU信息的正确性，MIO输出接口控制逻辑，完成正确模块的对MIO短接的输入输出控制；实现系统故障的分布式综合判断，故障通道级的冗余，判决更简单，最大化的利用系统资源，相对提升产品的寿命可靠性。

Description

一种面向空间飞行器的综合故障逻辑判决电路及方法

技术领域

本发明属于空间飞行器控制技术领域，具体涉及一种面向空间飞行器的综合故障逻辑判决电路及方法。

背景技术

目前空间飞行器一般只能实现单故障模式的检测和恢复，通过三取二等模式决定当班主控权，主控权确定后，由具有主控权的当班机对IO端口的输入输出进行控制，当主控权的当班机单模失效下，则只能制定当前优先级模块，无法实现主控权单机的三取二故障判决，导致系统可靠性降低。

在冗余深度方面，目前做到模块级，单模块部分功能故障，则全模块功能剔除，无法最大化的利用的有限资源实现功能备份。

发明内容

为了解决了现有技术中存在的问题，本发明提供一种面向空间飞行器的综合故障逻辑判决电路及方法，使得在有限的硬件资源下，一方面通过这种分布式故障检测方法实现故障的双向检测，提高系统的可靠性；另一方面使得空间飞行器能够最大化的利用系统资源，节省冗余备份代价，相对提升产品的寿命可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种面向空间飞行器的综合故障逻辑判决方法，具体如下：

三个CPU之间互检，每个CPU同时进行自检，将所述自检结果和对其他CPU的检测结果存储至锁存器，CPU将当前所有携载CPU的健康状态的检测结果传输至MIO，MIO根据所述自检和互检结果，确定当前具备条件的当班机；MIO将自身的健康状态发送至每一个CPU；

确定当前具备条件的当班机CPU，当班机CPU判断当前具备正确状态的MIO；

状态正确的CPU，即当前具备条件的当班机将需要传输的信息输入到状态正确的MIO中；

状态正确的MIO接收所有正常CPU发来的信息，比对所述信息携载数据的正确性；

状态正确的MIO使能输入输出。

MIO设有通道级冗余，通过数据流和使能传递需要使能的通道号和MIO；MIO中每一个通道都有使能控制，MIO1和MIO2热备份工作方式，同时接受多个CPU送来的信息和使能控制。

CPU根据三取二的硬件表决结果和CPU对自身的判断结果输出CPU是否健康；CPU通过自身检测的健康状态和其他两个CPU输入的表征自己自身状态的信号进行三取二表决，并将表决的信息进行锁定。

CPU将自身的健康状态信息和MIO的健康状态信息发送给正常状态的MIO；

MIO收到两种健康状态信息后，根据默认的优先权和CPU健康状态信息选择接收所有非故障CPU的信息流；MIO对于所接收的CPU的信息流进行三取二表决，表决后的信息流输入到MIO的信息处理单元进行处理后生成MIO离散量输出通道的控制信号。

MIO结合当前自身状态、CPU反馈的MIO的状态生成通道总使能信号，MIO根据每个通道的健康状态输出各通道的使能信号，控制离散量输出。

CPU判断自身电源正常；CPU判断是否有指令屏蔽该CPU信息流输出；CPU通过看门狗判断自身软件是否正常运转；CPU将自身的三种信息进行充要判断，三种信息均正常表明自身正常。

CPU将自身的信息通过三个CPU板之间的信号通道传递给其他两个CPU；CPU将自身判断结果和其他两个CPU对自身的判断结果进行三取二后，输出给MIO表征自身健康的状态标识。

一种面向空间飞行器的综合故障逻辑判决电路，包括三个CPU、两个MIO以及电源监测模块，三个CPU之间通过CCDL传输信息，三个CPU的使能信号和状态信号接口均连接MIO的输入，MIO自身状态输出接口连接每一个CPU的输入；CPU和MIO之间设置隔离电路以及电源监控模块，电源监控模块用于监测CPU和MIO的电源状态，并反馈至CPU和MIO。

CPU的自检状态信息存储在状态寄存器中，CPU自检状态信息、看门狗电路的输出以及电源监测信号作为第一与门的输入，第一与门的输出和第一或门的输出作为第二与门的输入，第二与门的结果输入至锁存器；另外两个CPU的检测结果信号同时作为第一或门的输入，电源监测信号及其延迟信号作为第三与门的输入；软件控制输出故障恢复信号和第三与门的输出作为第二或门的输入，第二或门的结果输入至锁存器；

锁存器的输出作为第三与非门和第四与非门的输入，经CCDL传输的另外两个CPU的健康状态信息分别作为第三与非门和第四与非门的输入，第三与非门和第四与非门的逻辑判断结果输出至MIO；第三与非门和第四与非门的逻辑判断结果为本CPU判断其他两个CPU状态的结果；

CPU软件自主切出信号输出作为第一与非门和第二与非门的输入，锁存器的输出作为第一与非门和第二与非门的输入；第一与非门和第二与非门的输出信号传输至每一个MIO的或门以及CPU状态回读寄存器；

MIO中，三个CPU的状态传输至CPU状态回读寄存器中；同时，三个CPU的使能信号作为MIO中的第三或门的输入，第三或门的输出接第五与门的输入；MIO看门狗电路、关键电源监测电路以及软件使能作为MIO中的第四与门的输入，第四与门的输出接第五与门的输入，第五与门输出使能信号。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明所述故障检测一方面基于CPU三机之间的检测，另一方面，基于MIO对CPU的检测，最后，综合CPU的之间自检测和互检测结果，以及MIO对CPU的检测结果，决定当前当班的CPU和MIO，CPU或MIO一旦发生故障，通过这种自检加互检的分布式故障检测方式，能智能判断出当前的当班正常模块；实现系统故障的分布式综合判断，实现故障通道级的冗余，判决更简单，算法不会发生变更；最大化的利用系统资源，节省冗余备份代价，相对提升产品的寿命可靠性。

附图说明

图1为本发明所述方法流程图。

图2为总体架构框图。

图3为局部电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细阐述。

综合通道故障检测方法主要基于分布式故障检测，系统中的控制计算机(即CPU)和MIO(即MIO)处于对等地位，故障检测一方面基于CPU三机之间的检测，另一方面，基于MIO对CPU的检测，最后，综合CPU的之间自检测和互检测结果，以及MIO对CPU的检测结果，决定当前当班的CPU和MIO，CPU或MIO一旦发生故障，通过这种自检加互检的分布式故障检测方式，可以智能判断出当前的当班正常模块。

三个CPU和两个MIO，三个CPU检测自身状态的同时还检验其他两个CPU的状态，

具体实现流程参考图1，本发明所述方法整体架构参考图2，具体如下：

任务启动后，三模的CPU之间互检，CPU同时进行自检，将所述自检结果和对其他CPU的检测结果存储至锁存器，CPU将当前所有携载CPU的健康状态的检测结果传输至MIO，MIO根据所述自检和互检结果，确定当前具备条件的当班机有哪几个单机；MIO将自身的健康状态也发送至每一个CPU；

CPU判断当前具备正确状态的MIO；

状态正确的CPU将需要传输的信息输入到状态正确的MIO中；

MIO接收所有正常CPU发来的信息，比对所述信息携载数据的正确性；

状态正确的IO使能输入输出接口；

参考图2，包括CPU通道故障逻辑单元，负责CPU之间的故障判断和MIO的故障判断，MIO接收故障逻辑判断单元，主要保证MIO接收的CPU信息的正确性，MIO输出接口控制逻辑，完成正确模块的对MIO短接的输入输出控制。

通道级冗余是在综合故障检测方法的基础上，通过数据流和使能传递需要使能的通道号和MIO，例如可以使能MIO1的通道1和MIO2的通道2，而不是传统的MIO1全部使能或者MIO2全部使能的方式。

每个MIO中每一个通道都有使能控制，MIO1和MIO2热备份工作方式，同时接受CPU1、CPU2和CPU3送来的信息和使能控制，假如MIO1板有一个输出通道有故障，通过MIO1的输出通道的反馈采集系统就可以知道MIO1该通道故障，此时，MIO1会单独禁止该通道输出，其他正常的通道输出使能保持有效，同时使能MIO2对应的通道使能，其他通道不使能，MIO1和MIO2上相同序号的输出通道对外接口接在在一起，这样就可以保证输出通道正常，做到通道级的冗余备份。

通过在硬件输出通道的驱动器件上，每一路输出均有控制的使能信号，所述使能信号除了要根据MIO自身的健康状态和CPU的命令信息外，还需要系统根据当前通道功能是否正确来综合评定，当前通道的健康状态是由每个MIO板自身的通道反馈采集系统进行健康状态的采集和记录存储。

离散量输出通道的综合故障判断方法：

1)三个CPU周期性的检测自身的健康状态；

2)三个CPU周期性的检测另外两个CPU的健康状态；

3)各CPU通过自身检测的健康状态和其他两个CPU输入的表征自己自身状态的信号进行三取二表决，并将表决的信息进行锁定；

4)各CPU根据三取二的硬件表决结果和CPU自身软件对于本CPU的判断结果输出CPU是否健康的标志；

5)各CPU接收来自MIO1和MIO2传输过来的包括各通道自检结果、数据流传输是否正确、MIO1/MIO2处理器是否正常运行、供电是否正常等健康信息，判断MIO1/MIO2是否具备正常工作的能力；

6)CPU将自身的健康状态信息、MIO1和MIO2的健康状态发送给正常状态的MIO1和/或MIO2

7)MIO1和/或MIO2收到两种信息后，根据默认的优先权和CPU健康状态信息选择接收所有非故障CPU的信息流；

8)MIO1和/或MIO2对于所接收的CPU的信息流进行三取二表决，表决后的信息流所谓最终MIO1/2的控制信息流输入到MIO1和/或MIO2的信息处理单元进行处理后生成MIO离散量输出通道的控制信号；

9)MIO1和/或MIO2结合当前软硬件自身状态、CPU反馈的MIO1和/或MIO2的状态生成通道总使能信号，MIO1和/或MIO2内部将总使能信号驱动为不同的使能信号，用于控制离散量端口的输出；

10)MIO1和/或MIO2根据每个通道的健康状态输出各通道的使能信号，控制离散量输出。

离散量输出通道的故障检测：

1)CPU判断自身电源正常；

2)CPU判断是否有指令屏蔽该CPU信息流输出；

3)CPU通过看门狗判断自身软件是否正常运转；

4)CPU将自身的三种信息进行充要性判断，三种信息均正常表明自身正常；

5)CPU将自身的信息通过三个CPU板之间的信号通道传递给其他两个CPU；

6)CPU将自身判断结果和其他两个CPU对自身的判断结果按照优先级进行三取二后，

输出给MIO表征自身健康的状态标识；

7)MIO将CPU健康状态标识和自身的看门狗状态以及CPU反馈的MIO的状态、电源正常状态进行“与”“或”运算，生成MIO的通道总使能信号。

参考图3，CPU通道故障逻辑单元中：CPU的自检状态信息存储在状态寄存器中，CPU自检状态信息、看门狗电路的输出以及电源监测信号作为第一与门的输入，第一与门的输出和第一或门的输出作为第二与门的输入，第二与门的结果输入至锁存器；另外两个CPU的检测结果信号同时作为第一或门的输入，电源监测信号及其延迟信号作为第三与门的输入；软件控制输出故障恢复信号和第三与门的输出作为第二或门的输入，第二或门的结果输入至锁存器；

锁存器的输出作为第三与非门和第四与非门的输入，经CCDL传输的另外两个CPU的健康状态信息分别作为第三与非门和第四与非门的输入，第三与非门和第四与非门的逻辑判断结果输出至MIO；第三与非门和第四与非门的逻辑判断结果为本CPU判断其他两个CPU状态的结果；

CPU软件自主切出信号输出作为第一与非门和第二与非门的输入，锁存器的输出作为第一与非门和第二与非门的输入；第一与非门和第二与非门的输出信号传输至每一个MIO的或门以及CPU状态回读寄存器；三个CPU之间的信息通过CCDL传输，

MIO中，三个CPU的状态传输至CPU状态回读寄存器中；同时，三个CPU的使能信号作为MIO中的第三或门的输入，第三或门的输出接第五与门的输入；MIO看门狗电路、关键电源监测电路以及软件使能作为MIO中的第四与门的输入，第四与门的输出接第五与门的输入，第五与门输出使能信号。

第四与门的输出反馈至CPU中的MIO状态回读寄存器中，MIO看门狗电路的输出同时接DSP处理器。

MIO采用FPGA模块，CPU和MIO之间设置隔离电路，并设置有FPGA电源监控模块和隔离电路，若MIO或CPU断电两者相互不影响，CPU自身电源出现故障时，CPU能通过自身所接的FPGA电源监控模块禁止自身信号传输，当MIO电源出现故障时，MIO能通过自身所接FPGA电源监测模块禁止自身信号传输。

在某无人机飞控计算机中，采用一种面向空间飞行器的综合故障逻辑判决方法，大大提高了产品的可靠性，成功飞行100架次。

Claims (9)

1.一种面向空间飞行器的综合故障逻辑判决方法，其特征在于，具体如下：

三个CPU之间互检，每个CPU同时进行自检，将所述自检结果和对其他CPU的检测结果存储至锁存器，CPU将当前所有携载CPU的健康状态的检测结果传输至MIO，MIO根据所述自检和互检结果，确定当前具备条件的当班机；MIO将自身的健康状态发送至每一个CPU；

确定当前具备条件的当班机CPU，当班机CPU判断当前具备正确状态的MIO；

状态正确的CPU，即当前具备条件的当班机将需要传输的信息输入到状态正确的MIO中；

状态正确的MIO接收所有正常CPU发来的信息，比对所述信息携载数据的正确性；

状态正确的MIO使能输入输出。

2.根据权利要求1所述的面向空间飞行器的综合故障逻辑判决方法，其特征在于，MIO设有通道级冗余，通过数据流和使能传递需要使能的通道号和MIO；MIO中每一个通道都有使能控制，MIO1和MIO2热备份工作方式，同时接受多个CPU送来的信息和使能控制。

3.根据权利要求1所述的面向空间飞行器的综合故障逻辑判决方法，其特征在于，CPU根据三取二的硬件表决结果和CPU对自身的判断结果输出CPU是否健康；CPU通过自身检测的健康状态和其他两个CPU输入的表征自己自身状态的信号进行三取二表决，并将表决的信息进行锁定。

4.根据权利要求1所述的面向空间飞行器的综合故障逻辑判决方法，其特征在于，CPU将自身的健康状态信息和MIO的健康状态信息发送给正常状态的MIO；

MIO收到两种健康状态信息后，根据默认的优先权和CPU健康状态信息选择接收所有非故障CPU的信息流；MIO对于所接收的CPU的信息流进行三取二表决，表决后的信息流输入到MIO的信息处理单元进行处理后生成MIO离散量输出通道的控制信号。

5.根据权利要求1所述的面向空间飞行器的综合故障逻辑判决方法，其特征在于，MIO结合当前自身状态、CPU反馈的MIO的状态生成通道总使能信号，MIO根据每个通道的健康状态输出各通道的使能信号，控制离散量输出。

6.根据权利要求1所述的面向空间飞行器的综合故障逻辑判决方法，其特征在于，CPU判断自身电源正常；CPU判断是否有指令屏蔽该CPU信息流输出；CPU通过看门狗判断自身软件是否正常运转；CPU将自身的三种信息进行充要判断，三种信息均正常表明自身正常。

7.根据权利要求1所述的面向空间飞行器的综合故障逻辑判决方法，其特征在于，CPU将自身的信息通过三个CPU板之间的信号通道传递给其他两个CPU；CPU将自身判断结果和其他两个CPU对自身的判断结果进行三取二后，输出给MIO表征自身健康的状态标识。

8.一种面向空间飞行器的综合故障逻辑判决电路，其特征在于，包括三个CPU、两个MIO以及电源监测模块，三个CPU之间通过CCDL传输信息，三个CPU的使能信号和状态信号接口均连接MIO的输入，MIO自身状态输出接口连接每一个CPU的输入；CPU和MIO之间设置隔离电路以及电源监控模块，电源监控模块用于监测CPU和MIO的电源状态，并反馈至CPU和MIO。

9.根据权利要求8所述的面向空间飞行器的综合故障逻辑判决电路，其特征在于，CPU的自检状态信息存储在状态寄存器中，CPU自检状态信息、看门狗电路的输出以及电源监测信号作为第一与门的输入，第一与门的输出和第一或门的输出作为第二与门的输入，第二与门的结果输入至锁存器；另外两个CPU的检测结果信号同时作为第一或门的输入，电源监测信号及其延迟信号作为第三与门的输入；软件控制输出故障恢复信号和第三与门的输出作为第二或门的输入，第二或门的结果输入至锁存器；

锁存器的输出作为第三与非门和第四与非门的输入，经CCDL传输的另外两个CPU的健康状态信息分别作为第三与非门和第四与非门的输入，第三与非门和第四与非门的逻辑判断结果输出至MIO；第三与非门和第四与非门的逻辑判断结果为本CPU判断其他两个CPU状态的结果；

CPU软件自主切出信号输出作为第一与非门和第二与非门的输入，锁存器的输出作为第一与非门和第二与非门的输入；第一与非门和第二与非门的输出信号传输至每一个MIO的或门以及CPU状态回读寄存器；

MIO中，三个CPU的状态传输至CPU状态回读寄存器中；同时，三个CPU的使能信号作为MIO中的第三或门的输入，第三或门的输出接第五与门的输入；MIO看门狗电路、关键电源监测电路以及软件使能作为MIO中的第四与门的输入，第四与门的输出接第五与门的输入，第五与门输出使能信号。

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