CN115022159A - 一种控制设备主控制器冗余备份系统及方法 - Google Patents

一种控制设备主控制器冗余备份系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种控制设备主处理器冗余备份系统及方法，控制设备的主处理器和备份处理器通过RS422总线与外部上级设备通讯，通过CAN总线与内部任务模块通讯，备份处理器通过主处理器的心跳信号、状态信号、UART通讯数据流信号、RS422通讯状态和CAN通讯状态判断主处理器的工作状态是否正常。备份处理器的优先级高于主处理器，当备份处理器检测到主处理器出现异常时，启动接替逻辑，接替主处理器工作。本发明中控制设备的主处理器和备份处理器互为备份，当主处理器出现故障时，备份处理器启动接替逻辑，接替主处理器工作，保证控制设备的正常运行。

Description

一种控制设备主控制器冗余备份系统及方法
技术领域
本发明属于控制器冗余备份技术领域，特别涉及一种控制设备主控制器冗余备份系统及方法。
背景技术
航空飞行器对设备的可靠性、稳定性要求较高，特别是控制设备。控制设备完成对飞机中某些部件的控制，如配电控制设备，配电设备的主处理器出现故障时，后级的用电设备将无法正常工作，处于失能状态，从而影响任务完成，造成不可预计的后果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种控制设备主控制器冗余备份系统及方法，以解决主处理器出现故障，后级的用电设备将无法正常工作的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种控制设备主控制器冗余备份系统，包括主处理器、备份处理器、CAN总线和任务模块；主处理器和备份处理器之间通过UART总线通讯，主处理器和备份处理器分别连接到上级设备；主处理器和备份处理器均通过CAN总线与若干任务模块通讯；
主处理器与备份处理器间还设置有四条互联线连接，两条为状态线，提供状态信息，两条为心跳线，提供心跳信息。
进一步的，主处理器和备份处理器分别通过RS422总线连接到上级设备。
进一步的，备份处理器外接FLASH存储模块，用于存储主处理器故障信息和故障发送的时间。
进一步的，备份处理器与主处理器采用相同的连接方式与各任务模块连接，主处理器与备处理器同时接收上级设备的指令、任务模块的信息。
进一步的，一种控制设备主控制器冗余备份方法，包括以下步骤：
主处理器通过两路互为冗余的RS422总线与外部上级设备通讯，控制设备的主处理器通过CAN总线与控制设备内部任务模块通讯；
备份处理器与主处理器采用CAN总线的连接方式与各任务模块连接，主处理器与备处理器同时接收上级设备的指令、任务模块的信息，备份处理器外接FLASH存储，用于存储主处理器故障信息和故障发送的时间；
主处理器与备份处理器之间通过UART总线通讯，主处理器将RS422通讯状态和CAN通讯状态信息发送给备份处理器；
控制设备启动后，主处理器处于工作模式，主处理器将上级设备的控制指令进行下发，将任务模块反馈的信息整理上传，备份处理器处于监控模式，监控主处理器的工作状态；
备份处理器通过主处理器的状态信号、心跳信号、UART数据流检测、RS422通讯状态和CAN通讯状态五种方式判断主处理器是否工作正常；
备份处理器检测到主处理器故障时，备份处理器将故障信息和故障发生时间进行存储，并启动接替逻辑，通过UART数据告知主处理器，主处理器收到备处理器的接替指令，主处理器切换到监控模式，此时备份处理器切换到工作模式。
进一步的，处理器的工作模式：具备接收上级设备、向上级设备回复数据、向内部任务模块发送数据、接收内部任务模块数据的能力；处理器的监控模式：具备接收上级设备、接收内部任务模块数据的能力，不具备向上级设备回复数据、向内部任务模块发送数据的能力。
进一步的，备份处理器接替逻辑，当备份处理器检测到主处理器异常时，会启动接替逻辑，接替主处理器的工作，首先备份处理器通过UART总线向主处理器发送接替指令，主处理器收到接替指令向备份处理器回复可以接替指令，此时主处理器切换到监控模式，备处理器切换到工作模式，完成接替；若备处理器向主处理器发送三次接替指令，主处理器未回复，此时备份处理器强制切换到工作模式，完成接替。
进一步的，两条互联心跳线，一根从主处理器DO1输出，备份处理器DI1读取状态，另一根从备份处理器的DO1输出，主处理器的DI1读取状态；当主处理器正常运行时，DO1输出50Hz、占空比50％的方波信号，备份处理器检测到心跳信号正确后，处于监控模式；当备份处理器检测到心跳信号异常，启动接替逻辑，接替主处理器的工作；
两条互联状态线，一根从主处理器DO2输出，备份处理器DI2读取状态，另一根从备份处理器的DO2输出，主处理器的DI2读取状态；当主处理器正常运行时，DO2输出低电平信号，备份控制检测到后，处于监控模式；当主处理器检测到自身异常时，将DO2输出高电平，备份处理器检测到后启动接替逻辑，接替主处理器的工作。
进一步的，UART数据流检测，主处理器和备份处理器的通讯周期为50ms，主处理器每隔50ms向备份处理器发送一组状态数据，当主处理器收到此数据时，处于待机状态；当备份处理器超过500ms未收到主处理器的交互数据，备份处理器启动接替逻辑，接替主处理器的工作。
进一步的，RS422通讯状态，与上级设备的RS422通讯周期为100ms，若主处理器或备份处理器连续1s未收到上级设备的数据则认为RS422通讯故障；主处理器通过UART总线将两路RS422的通讯状态发送给备份处理器，通讯周期50ms，备份处理器判断主处理器的两路RS422接口故障持续存在500ms，且备份处理器的两路RS422接口未全故障，备份处理器启动接替逻辑，接替主处理器的工作；
CAN通讯状态，主处理器和备份处理器的CAN总线回环自检周期为100ms，连续10次自检，大于7次自检成功，则认为CAN通讯状态正常；主处理器通过UART总线将CAN通讯状态发送给备份处理器，通讯周期50ms，备份处理器判断主处理器的CAN总线故障持续存在500ms，备份处理器的CAN总线未出现故障，备份处理器启动接替逻辑，接替主处理器的工作。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明控制设备的主处理器和备份处理器通过RS422总线与外部上级设备通讯，通过CAN总线与内部任务模块通讯，备份处理器通过主处理器的心跳信号、状态信号、UART通讯数据流信号、RS422通讯状态和CAN通讯状态判断主处理器的工作状态是否正常。备份处理器的优先级高于主处理器，当备份处理器检测到主处理器出现异常时，启动接替逻辑，接替主处理器工作，及时切换到备份处理器完成主处理器的工作，保证控制设备的正常工作运行。对提高控制设备的可靠性具有重要意义。
通过备份处理器接替主处理器的工作，以保证控制设备的正常工作，提高控制设备工作的可靠性，备份处理器将主处理器的故障信息进行记录，方便对产品排故。
附图说明
图1为本发明的控制设备的交联示意图；
图2为本发明主处理器工作流程图；
图3为本发明备份处理器的工作流程图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明的结构原理，工作原理作进一步说明。
一种控制设备主控制器冗余备份系统及方法
a)控制设备的主处理器通过两路互为冗余的RS422总线与外部上级设备通讯，控制设备的主处理器通过CAN总线与控制设备内部任务模块通讯；
b)备份处理器与主处理器采用相同的连接方式与各任务模块连接，主处理器与备处理器同时接收上级设备的指令、任务模块的信息，备份处理器外接FLASH存储，用于存储主处理器故障信息和故障发送的时间；
c)主处理器与备份处理器之间通过UART总线通讯，主处理器将RS422通讯状态和CAN通讯状态信息发送给备份处理器。
d)主处理器与备份处理器间有四条互联线连接，两条为状态线，提供状态信息，两条为心跳线，提供心跳信息；
e)主处理器和备份处理器按照相同的控制处理逻辑执行上级设备的指令、任务模块的信息，但主处理器与备份处理器的软件程序为异构程序；
f)控制设备启动后，主处理器处于工作模式，主处理器将上级设备的控制指令进行下发，将任务模块反馈的信息整理上传。备份处理器处于监控模式，监控主处理器的工作状态。
g)备份处理器通过主处理器的状态信号、心跳信号、UART数据流检测、RS422通讯状态和CAN通讯状态五种方式判断主处理器是否工作正常；
h)备份处理器检测到主处理器故障时，备份处理器将故障信息和故障发生时间进行存储，并启动接替逻辑，通过UART数据告知主处理器，主处理器收到备处理器的接替指令，主处理器切换到监控模式，此时备份处理器切换到工作模式。
本发明的进一步设置为：
a)处理器的工作模式：具备接收上级设备、向上级设备回复数据、向内部任务模块发送数据、接收内部任务模块数据的能力。处理器的监控模式：具备接收上级设备、接收内部任务模块数据的能力，不具备向上级设备回复数据、向内部任务模块发送数据的能力。
b)备份处理器接替逻辑，当备份处理器检测到主处理器异常时，会启动接替逻辑，接替主处理器的工作。首先备份处理器通过UART总线向主处理器发送接替指令，主处理器收到接替指令向备份处理器回复可以接替指令，此时主处理器切换到监控模式，备处理器切换到工作模式，完成接替。若备处理器向主处理器发送三次接替指令，主处理器未回复，此时备份处理器强制切换到工作模式，完成接替。
c)备份处理器接替主处理器工作后，主处理器故障恢复正常，不再进行工作模式切换，直到设备重新上电。
d)两条互联心跳线，一根从主处理器DO1输出，备份处理器DI1读取状态，另一根从备份处理器的DO1输出，主处理器的DI1读取状态。当主处理器正常运行时，DO1输出50Hz、占空比50％的方波信号，备份处理器检测到心跳信号正确后，处于监控模式。当备份处理器检测到心跳信号异常，启动接替逻辑，接替主处理器的工作。
e)两条互联状态线，一根从主处理器DO2输出，备份处理器DI2读取状态，另一根从备份处理器的DO2输出，主处理器的DI2读取状态。当主处理器正常运行时，DO2输出低电平信号，备份控制检测到后，处于监控模式。当主处理器检测到自身异常时，将DO2输出高电平，备份处理器检测到后启动接替逻辑，接替主处理器的工作。
f)UART数据流检测，主处理器和备份处理器的通讯周期为50ms，主处理器每隔50ms向备份处理器发送一组状态数据，当主处理器收到此数据时，处于待机状态；当备份处理器超过500ms未收到主处理器的交互数据，备份处理器启动接替逻辑，接替主处理器的工作。
g)RS422通讯状态，与上级设备的RS422通讯周期为100ms，若主处理器或备份处理器连续1s未收到上级设备的数据则认为RS422通讯故障。主处理器通过UART总线将两路RS422的通讯状态发送给备份处理器，通讯周期50ms，备份处理器判断主处理器的两路RS422接口故障持续存在500ms，且备份处理器的两路RS422接口未全故障，备份处理器启动接替逻辑，接替主处理器的工作。
h)CAN通讯状态，主处理器和备份处理器的CAN总线回环自检周期为100ms，连续10次自检，大于7次自检成功，则认为CAN通讯状态正常。主处理器通过UART总线将CAN通讯状态发送给备份处理器，通讯周期50ms，备份处理器判断主处理器的CAN总线故障持续存在500ms，备份处理器的CAN总线未出现故障，备份处理器启动接替逻辑，接替主处理器的工作。
参照附图1，主处理器冗余备份具体实现方式：
a)控制设备的主处理器通过两路互为冗余的RS422总线与外部上级设备通讯，控制设备的主处理器通过CAN总线与控制设备内部任务模块通讯；
b)备份处理器与主处理器采用相同的连接方式与各任务模块连接，主处理器与备处理器同时接收上级设备的指令、任务模块的信息，并且备份处理器具备存储功能；
c)主处理器与备份处理器之间通过UART总线通讯，并四条互联线连接，两条为状态线，提供状态信息，两条为心跳线，提供心跳信息；
d)主处理器和备处理器按照相同的控制处理逻辑执行上级设备的指令、任务模块的信息；
e)控制设备启动后，主处理器处于工作模式，主处理器将上级设备的控制指令进行下发，将任务模块反馈的信息整理上传。备份处理器处于监控模式，监控主处理器的工作状态。
g)备份处理器通过主处理器的状态信号、心跳信号、UART数据流检测、RS422通讯状态和CAN通讯状态五种方式判断主处理器是否工作正常；
h)备份处理器检测到主处理器故障时，启动接替逻辑，通过UART数据告知主处理器，主处理器收到备处理器的接替指令，主处理器切换到监控模式，此时备份处理器切换到工作模式，主处理器恢复正常也不进行切换。

Claims (10)

1.一种控制设备主控制器冗余备份系统，其特征在于，包括主处理器、备份处理器、CAN总线和任务模块；主处理器和备份处理器之间通过UART总线通讯，主处理器和备份处理器分别连接到上级设备；主处理器和备份处理器均通过CAN总线与若干任务模块通讯；
主处理器与备份处理器间还设置有四条互联线连接，两条为状态线，提供状态信息，两条为心跳线，提供心跳信息。
2.根据权利要求1所述的一种控制设备主控制器冗余备份系统，其特征在于，主处理器和备份处理器分别通过RS422总线连接到上级设备。
3.根据权利要求1所述的一种控制设备主控制器冗余备份系统，其特征在于，备份处理器外接FLASH存储模块，用于存储主处理器故障信息和故障发送的时间。
4.根据权利要求1所述的一种控制设备主控制器冗余备份系统，其特征在于，备份处理器与主处理器采用相同的连接方式与各任务模块连接，主处理器与备处理器同时接收上级设备的指令、任务模块的信息。
5.一种控制设备主控制器冗余备份方法，其特征在于，基于权利要求1至4任意一项所述的控制设备主控制器冗余备份系统，包括以下步骤：
主处理器通过两路互为冗余的RS422总线与外部上级设备通讯，控制设备的主处理器通过CAN总线与控制设备内部任务模块通讯；
备份处理器与主处理器采用CAN总线的连接方式与各任务模块连接，主处理器与备处理器同时接收上级设备的指令、任务模块的信息，备份处理器外接FLASH存储，用于存储主处理器故障信息和故障发送的时间；
主处理器与备份处理器之间通过UART总线通讯，主处理器将RS422通讯状态和CAN通讯状态信息发送给备份处理器；
控制设备启动后，主处理器处于工作模式，主处理器将上级设备的控制指令进行下发，将任务模块反馈的信息整理上传，备份处理器处于监控模式，监控主处理器的工作状态；
备份处理器通过主处理器的状态信号、心跳信号、UART数据流检测、RS422通讯状态和CAN通讯状态五种方式判断主处理器是否工作正常；
备份处理器检测到主处理器故障时，备份处理器将故障信息和故障发生时间进行存储，并启动接替逻辑，通过UART数据告知主处理器，主处理器收到备处理器的接替指令，主处理器切换到监控模式，此时备份处理器切换到工作模式。
6.根据权利要求5所述的一种控制设备主控制器冗余备份方法，其特征在于，处理器的工作模式：具备接收上级设备、向上级设备回复数据、向内部任务模块发送数据、接收内部任务模块数据的能力；处理器的监控模式：具备接收上级设备、接收内部任务模块数据的能力，不具备向上级设备回复数据、向内部任务模块发送数据的能力。
7.根据权利要求5所述的一种控制设备主控制器冗余备份方法，其特征在于，备份处理器接替逻辑，当备份处理器检测到主处理器异常时，会启动接替逻辑，接替主处理器的工作，首先备份处理器通过UART总线向主处理器发送接替指令，主处理器收到接替指令向备份处理器回复可以接替指令，此时主处理器切换到监控模式，备处理器切换到工作模式，完成接替；若备处理器向主处理器发送三次接替指令，主处理器未回复，此时备份处理器强制切换到工作模式，完成接替。
8.根据权利要求5所述的一种控制设备主控制器冗余备份方法，其特征在于，两条互联心跳线，一根从主处理器DO1输出，备份处理器DI1读取状态，另一根从备份处理器的DO1输出，主处理器的DI1读取状态；当主处理器正常运行时，DO1输出50Hz、占空比50％的方波信号，备份处理器检测到心跳信号正确后，处于监控模式；当备份处理器检测到心跳信号异常，启动接替逻辑，接替主处理器的工作；
两条互联状态线，一根从主处理器DO2输出，备份处理器DI2读取状态，另一根从备份处理器的DO2输出，主处理器的DI2读取状态；当主处理器正常运行时，DO2输出低电平信号，备份控制检测到后，处于监控模式；当主处理器检测到自身异常时，将DO2输出高电平，备份处理器检测到后启动接替逻辑，接替主处理器的工作。
9.根据权利要求5所述的一种控制设备主控制器冗余备份方法，其特征在于，UART数据流检测，主处理器和备份处理器的通讯周期为50ms，主处理器每隔50ms向备份处理器发送一组状态数据，当主处理器收到此数据时，处于待机状态；当备份处理器超过500ms未收到主处理器的交互数据，备份处理器启动接替逻辑，接替主处理器的工作。
10.根据权利要求5所述的一种控制设备主控制器冗余备份方法，其特征在于，RS422通讯状态，与上级设备的RS422通讯周期为100ms，若主处理器或备份处理器连续1s未收到上级设备的数据则认为RS422通讯故障；主处理器通过UART总线将两路RS422的通讯状态发送给备份处理器，通讯周期50ms，备份处理器判断主处理器的两路RS422接口故障持续存在500ms，且备份处理器的两路RS422接口未全故障，备份处理器启动接替逻辑，接替主处理器的工作；
CAN通讯状态，主处理器和备份处理器的CAN总线回环自检周期为100ms，连续10次自检，大于7次自检成功，则认为CAN通讯状态正常；主处理器通过UART总线将CAN通讯状态发送给备份处理器，通讯周期50ms，备份处理器判断主处理器的CAN总线故障持续存在500ms，备份处理器的CAN总线未出现故障，备份处理器启动接替逻辑，接替主处理器的工作。
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