CN112685265B - 基于双向通信串口的导航接收机主备机切换和测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于双向通信串口的导航接收机主备机切换方法，所述的导航接收机包括第一接收机和至少一个第二接收机，第一接收机为工作设备，实现业务功能，并输出心跳信号；第二接收机为备份设备，导航接收机设备上电，所有接收机均加载FPGA、DSP程序；接收机的FPGA检测外部输入的心跳信号，如果心跳信号达标，指定本机为第二接收机，关闭第二接收机的心跳脉冲输出功能，如果心跳信号不达标，或者接收机的FPGA识别本机DSP的下发指令，将本机配置为为第一接收机，第一接收机的FPGA将本机状态寄存器设置为主机，正式打开心跳脉冲输出功能，并将主机状态上报至本机DSP。

Description

基于双向通信串口的导航接收机主备机切换和测试方法

技术领域

本发明属于卫星导航系统技术领域，尤其涉及一种基于双向通信串口的导航接收机主备机切换和测试方法。

背景技术

卫星导航地面站运控系统包含了大量终端设备，这些设备又组合成为不同功能的集群子系统。运控系统的可靠性与各集群子系统、各终端的可靠性关系紧密，所以在系统设计时，必须考虑到集群备份和终端备份的必要性，而终端的备份设计是集群备份的前提基础。

终端设备作为运控系统中可分解到的最小颗粒，也是整个系统中最基本、最关键的组件，系统的所有业务功能都是由各终端协同工作才最终完成。这就要求终端需要考虑主备设计，当主终端出现异常状况时，备终端可以立即接替工作，否则整个系统业务就有可能出现状态出错；因而明确终端主备机切换设计是确定系统可靠性的关键因素，尽量小的切换延时对保证系统稳定性有非常重要的意义。

将运控系统进行简化模拟，可分为终端、合路器、信道、天线等组件，系统框图如图1所示。终端1、终端2、终端3分别承担不同的子系统功能，如果终端1发生故障，则子系统1功能不能正常工作，就会对整个系统业务带来极大的影响，甚至造成业务中断。

故对系统框架进行改进，改进后的系统框图如图2所示。终端1A、终端1B之间通过双向串口连接，组成互为主备的集群架构，终端2A、终端2B、终端3A、终端3B同理。如果终端1A 为主设备时发生故障，则终端1B可以接替为主设备继续工作，所以单台设备的故障不会对整个系统业务带来影响。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于双向通信串口的导航接收机主备机切换方法，所述的导航接收机包括第一接收机和至少一个第二接收机，第一接收机为工作设备，实现业务功能，并输出心跳信号；第二接收机为备份设备，包括以下运行步骤：

步骤1，导航接收机设备上电，所有接收机均加载FPGA、DSP 程序，执行步骤2；

步骤2，接收机的FPGA在1ms内检测外部输入的心跳信号，执行步骤3；

步骤3，如果心跳信号达标，执行步骤4，反之，执行步骤7；

步骤4，当检测的心跳信号达标，该接收机的FPGA将本机状态寄存器设置为备机状态，指定本机为第二接收机，关闭第二接收机的心跳脉冲输出功能，并将设置为备机的状态上报至本机的 DSP；执行步骤5

步骤5，接收机的FPGA识别本机DSP是否下发将本机状态寄存器配置为主机状态指令，如是，将本机状态寄存器配置为主机状态，将本机配置为为第一接收机，转到步骤6；反之，回到步骤2；

步骤6，第一接收机的FPGA将本机状态置为预切换状态，打开心跳脉冲输出功能，执行步骤2；

步骤7，第一接收机的FPGA将本机状态寄存器设置为主机，正式打开心跳脉冲输出功能，并将主机状态上报至本机DSP；执行步骤8；

步骤8，接收机FPGA识别DSP是否下发将本机状态寄存器配置为备机状态指令，如是，将本机状态寄存器配置为备机状态，执行步骤9，反之，回到步骤2；

步骤9，接收机FPGA将本机状态置为预切换状态，关闭心跳脉冲输出功能，并执行步骤2。

进一步的，所述步骤2 中检测心跳信号的步骤包括以下子步骤：

步骤3.1，根据工作时钟计数，每1ms为一次判决周期；

步骤3.2，使用工作时钟检测心跳信号的上升沿并进行计数；

步骤3.3，每次判决周期起始时，将心跳信号计数值清零，周期内每识别到一次上升沿，计数值加1；

步骤3.4，每次判决周期结束时，统计本周期计数值，若实际统计数值值与设计值偏离的差异小于10％，则认为心跳达标。

进一步的，心跳信号频率为10kHz-100MHz，则1ms内上升沿计数值应为10—100。

进一步的，每个接收机均内置内部的FPGA+DSP架构，并且在串口上接收心跳脉冲信号。

进一步的，所述的FPGA使用其内部硬件逻辑完成心跳信号的生成、检测和终端上电/异常状态的判定。

本发明还提供一种基于双向通信串口的导航接收机主备机切换的测试方法，所述的导航接收机包括第一接收机和至少一个第二接收机，第一接收机为工作设备，实现业务功能，并输出心跳信号；第二接收机为备份设备；接收机内部包括FPGA+DSP，其中FPGA的内部硬件逻辑完成心跳信号的生成、监测和终端上电/异常状态的判定，DSP用于完成主备状态的手动切换以及状态上报存储等外部功能接口；双向串口的连接使用FPGA的通用输入/输出接口实现，FPGA与DSP之间使用EMIF接口完成交互，DSP通过寄存器的方式实现指令下发和状态回传；所述的测试方法包括以下步骤：

步骤S1，将FPGA代码模块复用两份，一份置于测试本端，一份置于远端，两者共用一个通过一个时钟发生器提供工作时钟；

步骤S2，测试本端和远端由各自的复位信号完成异步复位，构成两个设备先后上电的状态；

步骤S3，测试本端模块DSP接口引出，用以模拟所述的测试本端DSP对本端的主机切换到备机、备机切换到主机的操作，远端DSP 接口不进行操作；

步骤S4，测试本端和远端的脉冲输出交叉互连，用以模拟心跳信号线收发交叉互连；

步骤S5，仿真实验时测试本端先上电成为主机，远端后上电作为为备机，然后使用测试控制器对控制本端下发切换备机指令，测试主机和备机切换功能。

进一步的，使用个人电脑作为测试控制器，使用vivado软件与 QuestaSim软件用于进行方法仿真验证。

进一步的，步骤S1中所述的时钟发生器提供工作时钟的频率为 10-100MHz。

进一步的，所述的接收机内部的FPGA选用XC7K410T-2FFG900I，使用其内部硬件逻辑完成心跳信号的生成、监测和终端上电/异常状态的判定，所述的接收机内部DSP选用TMS320C6678CYPA。

进一步的，所述的步骤S5中通过测试控制器直接发送测试本端故障信号，切断心跳信号输出，验证备机能否准确切换为主机，来检测设备的功能是否完好。

采用本发明的方法设计的装置安装于系统终端上，就能够实现终端的主备切换，并且在终端发生故障异常的情况下，仍能保证系统业务的稳定连续运行。

附图说明

图1为简化系统框架示意图；

图2改进后系统框架示意图；

图3本发明切换设计时序示意图；

图4本发明设备内部设计框架示意图；

图5本发明中主备机切换方法的流程框图；

图6本发明方法功能仿真平台示意图。

具体实施方式

本发明的目的是针对以上工程应用中面临的实际问题，提出一种基于双向通信串口的导航接收机主备机切换和测试方法。该方法可以在保证不影响接收机原有功能的情况下，仅在主备接收机之间搭建通信串口连接，通过在嵌入式软件中增加相应功能代码模块，实现导航接收机主备机切换的目的，保证系统的连续稳定运行。

切换设计时序示意图如图3所示。t0时刻为初始时刻，此时终端A为工作设备，终端B为备份设备，由终端A实现业务功能，并输出心跳信号；t1时刻为故障突发时刻，表示终端A出现异常或者断电等故障现象，此时终端A的输出心跳信号消失；t2时刻为切换时刻，表示备份设备终端B监测到外部心跳的消失，自动升级为工作设备，由终端B实现业务功能。整个切换耗时很短(t2-t1，1ms之内)，对用户来说，在感知不到故障的情况下就完成了切换功能。

本发明的技术方案是：利用接收机内部的FPGA+DSP架构，实现在串口上模拟心跳脉冲信号，其中FPGA选用型号为 XC7K410T-2FFG900I，使用其内部硬件逻辑完成心跳信号的生成、监测和终端上电/异常状态的判定，DSP选用型号为TMS320C6678CYPA，对其编写软件用以完成主备状态的手动切换以及状态上报存储等外部功能接口。设备终端内部的设计框架如图4所示，双向串口的连接使用FPGA的通用输入/输出接口实现，FPGA与DSP之间使用EMIF接口(External Memory Interface外部存储器接口)交互，通过寄存器的方式实现指令下发和状态回传。

该装置的工作流程是：该装置的工作流程是：FPGA使用外部晶振时钟作为工作时钟输入，时钟频率为100MHz，该工作时钟引入内部计数器1和内部计数器2。其中计数器1计数范围为0-4999，并生成单比特信号作为输出。每当计数器1达到最大值4999时，计数器计数归零，并将输出单比特信号进行高低电平翻转，由此可以将该单比特信号(频率为10kHz，占空比50％)作为心跳脉冲信号。计数器 2计数范围为0-99999，并生成单比特信号作为输出。每当计数器2 达到最大值99999时，计数器计数归零，并将输出信号置高电平单时钟周期，由此可以将该单比特脉冲信号(脉冲间隔1ms)作为心跳检测周期指示标识。

工作阶段FPGA对输入的心跳信号进行上升沿采样计数，并在每次1ms检测周期时判断计数值是否达标，然后将计数值清零后重新开始计数。若计数值达标(外部输入心跳信号频率10kHz，检测周期1ms，则每次检测周期内心跳信号上升沿计数应为10kHz×1ms＝10次)，说明外部有设备正常运行，本机应配置为备机，脉冲信号(心跳信号) 不输出，设备内部功能模块运行结果不输出；反之，说明本机应配置为主机，脉冲信号(心跳信号)需要输出，设备内部功能模块运行结果需要输出。DSP会从FPGA读取本机状态并上报系统监控软件，用于操作人员确认当前状态。并且提供接口供操作人员根据需求进行手动主备切换。

以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。

在卫星导航地面站运控系统中，终端设备是主备机切换方法及装置的应用所在。

此处针对其终端主备机切换方法及装置的实现，介绍本发明的具体实施方式。

图5所示的是本发明中主备机切换方法的流程框图，本发明切换方法包括以下步骤：

(1)设备上电，加载FPGA、DSP程序，执行步骤(2)。

(2)FPGA在1ms内检测外部输入的心跳信号。

(3)如果心跳信号达标，执行步骤(4)，反之，执行步骤(7)。

(4)FPGA将本机状态寄存器设置为备机状态，关闭心跳脉冲输出功能，并将备机状态上报至DSP，执行步骤(5)。

(5)FPGA识别DSP是否下发将本机状态寄存器配置为主机状态指令，如是，将本机状态寄存器配置为主机状态，执行步骤(6)，反之，执行步骤(2)。

(6)FPGA将本机状态置为预切换状态，打开心跳脉冲输出功能，执行步骤(2)。

(7)FPGA将本机状态寄存器设置为主机状态，正式打开心跳脉冲输出功能，并将主机状态上报至DSP，执行步骤(8)。

(8)FPGA识别DSP是否下发将本机状态寄存器配置为备机状态指令，如是，将本机状态寄存器配置为备机状态，执行步骤(9)，反之，执行步骤(2)。

(9)FPGA将本机状态置为预切换状态，关闭心跳脉冲输出功能，并在2ms内同步检测外部输入的心跳信号，执行步骤(3)。

功能仿真验证

使用个人电脑，使用vivado软件(FPGA代码编辑及工程编译工具软件，此处用于代码编辑)与QuestaSim软件(FPGA仿真验证软件，此处用于进行方法仿真验证确认)，进行功能仿真验证。仿真验证平台示意图如图6所示。测试方法为：

(a)将FPGA代码模块复用两份，一份为u_loacl(本端)，一份为u_remote(远端)，两者共用一个osc_clk(100M)作为工作时钟。

(b)两者异步复位信号分开，分别使用local_rstn、remote_rstn 来控制两个模块的复位，达到模拟两个设备先后上电的场景。

(c)本端模块DSP接口引出，可以模拟DSP对本机的主机切备机、备机切主机的操作，远端DSP接口不进行操作。

(d)两者的local_pulse、remote_pulse交叉互连，模拟实际心跳线收发交叉互连的情景。

仿真模拟场景为本端先上电成为主机，远端后上电成为备机，然后对本端下发切备机指令(等同于本端故障/断电)的场景。

通过仿真可以看到，当本端先上电，在1ms处由于没有外部心跳输入，自动将本机设为主机模式，所以2ms远端上电时，远端设备能收到本端的心跳信号，自动将远端设为备机；4ms处，本端设置指令立刻降为备机(等同于本端故障/断电)，心跳信号停止输出；到5ms处，远端工作稳定在主机状态，输出心跳信号。

以上结果验证了基于双向通信串口的导航接收机主备切换方法的可行性，并且说明了只要将按照本方法设计的装置安装于系统终端上，就能够实现终端的主备切换，并且在终端发生故障异常的情况下，仍能保证系统业务的稳定连续运行。

最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.基于双向通信串口的导航接收机主备机切换方法，所述的导航接收机包括第一接收机和至少一个第二接收机，第一接收机为工作设备，实现业务功能，并输出心跳信号；第二接收机为备份设备，其特征在于，包括以下运行步骤：

步骤1，导航接收机设备上电，所有接收机均加载FPGA、DSP程序，执行步骤2；

步骤2，接收机的FPGA在1ms内检测外部输入的心跳信号，执行步骤3；

步骤3，如果心跳信号达标，执行步骤4，反之，执行步骤7；

步骤4，当检测的心跳信号达标，该接收机的FPGA将本机状态寄存器设置为备机状态，指定本机为第二接收机，关闭第二接收机的心跳脉冲输出功能，并将设置为备机的状态上报至本机的DSP；执行步骤5

步骤5，接收机的FPGA识别本机DSP是否下发将本机状态寄存器配置为主机状态指令，如是，将本机状态寄存器配置为主机状态，将本机配置为为第一接收机，转到步骤6；反之，回到步骤2；

步骤6，第一接收机的FPGA将本机状态置为预切换状态，打开心跳脉冲输出功能，执行步骤2；

步骤7，第一接收机的FPGA将本机状态寄存器设置为主机，正式打开心跳脉冲输出功能，并将主机状态上报至本机DSP；执行步骤8；

步骤8，接收机FPGA识别DSP是否下发将本机状态寄存器配置为备机状态指令，如是，将本机状态寄存器配置为备机状态，执行步骤9，反之，回到步骤2；

步骤9，接收机FPGA将本机状态置为预切换状态，关闭心跳脉冲输出功能，并执行步骤2。

2.根据权利要求1所述的基于双向通信串口的导航接收机主备机切换方法，其特征在于：所述步骤2 中检测心跳信号的步骤包括以下子步骤：

步骤3.1，根据工作时钟计数，每1ms为一次判决周期；

步骤3.2，使用工作时钟检测心跳信号的上升沿并进行计数；

步骤3.3，每次判决周期起始时，将心跳信号计数值清零，周期内每识别到一次上升沿，计数值加1；

步骤3.4，每次判决周期结束时，统计本周期计数值，若实际统计数值与设计值偏离的差异小于10％，则认为心跳达标。

3.根据权利要求2所述的基于双向通信串口的导航接收机主备机切换方法，其特征在于：心跳信号频率为10KHZ-1MHz，则1ms内上升沿计数值应为10—1000。

4.根据权利要求3所述的基于双向通信串口的导航接收机主备机切换方法，其特征在于：每个接收机均内置内部的FPGA+DSP架构，并且在串口上接收心跳脉冲信号。

5.根据权利要求4所述的基于双向通信串口的导航接收机主备机切换方法，其特征在于：所述的FPGA使用其内部硬件逻辑完成心跳信号的生成、检测和终端上电/异常状态的判定。

6.一种基于双向通信串口的导航接收机主备机切换的测试方法，其特征在于：所述的导航接收机包括第一接收机和至少一个第二接收机，第一接收机为工作设备，实现业务功能，并输出心跳信号；第二接收机为备份设备；接收机内部包括FPGA+DSP，其中FPGA的内部硬件逻辑完成心跳信号的生成、监测和终端上电/异常状态的判定，DSP用于完成主备状态的手动切换以及状态上报存储等外部功能接口；双向串口的连接使用FPGA的通用输入/输出接口实现，FPGA与DSP之间使用EMIF接口完成交互，DSP通过寄存器的方式实现指令下发和状态回传；所述的测试方法包括以下步骤：

步骤S1，将FPGA代码模块复用两份，一份置于测试本端，一份置于远端，两者共用一个通过一个时钟发生器提供工作时钟；

步骤S2，测试本端和远端由各自的复位信号完成异步复位，构成两个设备先后上电的状态；

步骤S3，测试本端模块DSP接口引出，用以模拟所述的测试本端DSP对本端的主机切换到备机、备机切换到主机的操作，远端DSP接口不进行操作；

步骤S4，测试本端和远端的脉冲输出交叉互连，用以模拟心跳信号线收发交叉互连；

步骤S5，仿真实验时测试本端先上电成为主机，远端后上电作为为备机，然后使用测试控制器对控制本端下发切换备机指令，测试主机和备机切换功能。

7.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于：使用个人电脑作为测试控制器，使用vivado软件与QuestaSim软件用于进行方法仿真验证。

8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，步骤S1中所述的时钟发生器提供工作时钟的频率为10-100MHz。

9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，所述的接收机内部的FPGA选用XC7K410T-2FFG900I，使用其内部硬件逻辑完成心跳信号的生成、监测和终端上电/异常状态的判定，所述的接收机内部DSP选用TMS320C6678CYPA。

10.根据权利要求9所述的测试方法，其特征在于，所述的步骤S5中通过测试控制器直接发送测试本端故障信号，切断心跳信号输出，验证备机能否准确切换为主机，来检测设备的功能是否完好。

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