陳 奎

（中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西西安，710065）

機(jī)載分布式雙余度機(jī)電系統(tǒng)的容錯與重構(gòu)

陳 奎

（中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西西安，710065）

機(jī)電系統(tǒng)是飛機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，其可靠性和技術(shù)的先進(jìn)性直接影響到飛機(jī)的性能。本文利用分布式雙余度容錯技術(shù)、系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)、高速航空總線技術(shù)，對機(jī)載分布式雙余度機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計，并重點討論了該系統(tǒng)的組成、工作原理、系統(tǒng)容錯和系統(tǒng)重構(gòu)和異常處理。

系統(tǒng)容錯；系統(tǒng)重構(gòu)；異常處理

0　引言

飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)是飛機(jī)的重要組成部分，其性能和可靠性直接影響到飛機(jī)的性能和可靠性。因而有必要對機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)各個專用控制器資源進(jìn)行整理和歸納，減少機(jī)載產(chǎn)品數(shù)量和機(jī)上電纜重量，實現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)共享，提高機(jī)電系統(tǒng)綜合管理水平，同時，還要進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性和安全性，增加系統(tǒng)容錯能力，實現(xiàn)系統(tǒng)故障重構(gòu)功能，從而達(dá)到實現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)最優(yōu)控制管理和進(jìn)一步綜合化的拓展。而采用分布式雙余度系統(tǒng)是一個較為合適的方案。

1　分布式雙余度機(jī)電系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

在分布式雙余度系統(tǒng)中，由一臺雙余度機(jī)電管理計算機(jī)和可配置數(shù)量的雙余度遠(yuǎn)程接口單元組成。UMC作為機(jī)電系統(tǒng)的運算和控制中心，通過兩個高速航空總線網(wǎng)絡(luò)收集所有遠(yuǎn)程接口單元采集到的數(shù)據(jù)信息。并對機(jī)電內(nèi)部信息進(jìn)行分析、綜合處理，并將最終結(jié)果上報給上位機(jī)。機(jī)電管理計算機(jī)和遠(yuǎn)程接口單元通過高速、智能1394B總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換，機(jī)電管理計算機(jī)完成機(jī)電系統(tǒng)信息綜合處理，遠(yuǎn)程接口單元完成機(jī)電數(shù)據(jù)采集、機(jī)電作動器驅(qū)動以及機(jī)電數(shù)據(jù)上傳。

2　分布式雙余度機(jī)電系統(tǒng)工作原理

在分布式雙余度機(jī)電系統(tǒng)中。機(jī)電管理計算機(jī)和遠(yuǎn)程接口單元都是雙余度架構(gòu)，機(jī)電管理計算機(jī)的A通道和遠(yuǎn)程接口單元的A通道組成一個總線網(wǎng)絡(luò)，完成信息交換；機(jī)電管理計算機(jī)的B通道和遠(yuǎn)程接口單元的B通道組成另外一個總線網(wǎng)絡(luò)，完成信息交換；在機(jī)電管理計算機(jī)內(nèi)部A、B通道之間設(shè)置高速交叉數(shù)據(jù)鏈路，將兩個獨立的機(jī)電內(nèi)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在機(jī)電管理計算機(jī)內(nèi)部的A、B通道之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；兩條總線網(wǎng)絡(luò)同時工作。

遠(yuǎn)程接口單元采用統(tǒng)一的軟硬件平臺，根據(jù)飛機(jī)上不同的機(jī)位信號，自動加載遠(yuǎn)程接口單元內(nèi)部的表驅(qū)動，實現(xiàn)自動配置，完成該位置的產(chǎn)品功能。

在該系統(tǒng)中，當(dāng)機(jī)電管理計算機(jī)或遠(yuǎn)程接口單元中的任何一個產(chǎn)品雙通道同時故障而導(dǎo)致無法完成該節(jié)點功能時，該產(chǎn)品進(jìn)入安全模式，封鎖所有總線接口通訊、輸出接口進(jìn)入自鎖狀態(tài)，以保障飛機(jī)其它機(jī)電系統(tǒng)的安全。同時在機(jī)電管理計算機(jī)和遠(yuǎn)程接口單元內(nèi)部均設(shè)置功能模塊相關(guān)監(jiān)控機(jī)制。該系統(tǒng)中所有節(jié)點都具備自身故障監(jiān)測、定位、隔離能力，并根據(jù)故障點自動完成資源配置，實現(xiàn)故障后系統(tǒng)資源重組，完成系統(tǒng)功能。

3　分布式雙余度機(jī)電系統(tǒng)容錯和影響性分析

分布式雙余度機(jī)電系統(tǒng)由機(jī)電管理計算機(jī)和多個遠(yuǎn)程接口單元構(gòu)成。由于系統(tǒng)任務(wù)的關(guān)鍵程度不同，將系統(tǒng)任務(wù)配置單節(jié)點節(jié)任務(wù)和雙節(jié)點機(jī)任務(wù)，同時在節(jié)點機(jī)內(nèi)部全部配置成雙通道任務(wù)。因此該系統(tǒng)中節(jié)點機(jī)級容錯和影響性分析分為：節(jié)點機(jī)內(nèi)部單通道故障和節(jié)點機(jī)內(nèi)部雙通道故障兩種模式。

① 節(jié)點機(jī)內(nèi)部單通道故障時，故障通道封鎖所有總線接口，并將所有驅(qū)動輸出接口置為安全態(tài)，該節(jié)點機(jī)進(jìn)入單通道工作模式；與該節(jié)點機(jī)故障通道相交聯(lián)的信號喪失一個余度；對于僅僅配置到該節(jié)點機(jī)上信號，降級為單余度模式；對于配置到包含該節(jié)點機(jī)和另外一個節(jié)點機(jī)上的信號，降級為雙余度工作模塊。在該故障模式下，系統(tǒng)余度降級，系統(tǒng)功能可以正常實現(xiàn)。

② 節(jié)點機(jī)內(nèi)部雙通道故障時，故障節(jié)點機(jī)封鎖所有總線接口，并將所有驅(qū)動輸出接口置為安全態(tài)，該節(jié)點機(jī)進(jìn)入安全工作模式；對于僅僅配置到該節(jié)點機(jī)上信號，喪失功能；對于配置到包含該節(jié)點機(jī)和另外一個節(jié)點機(jī)上的信號，降級為雙余度工作模塊。在該故障模式下，系統(tǒng)中一個節(jié)點機(jī)功能喪失，系統(tǒng)功能降級，無法完全實現(xiàn)系統(tǒng)全部功能。

4　分布式雙余度機(jī)電系統(tǒng)容錯和重構(gòu)

為實現(xiàn)分布式雙余度機(jī)電系統(tǒng)容錯和重構(gòu)功能，在硬件上配置如下功能：看門狗檢測功能、電源異常檢測功能、智能總線底層校驗功能、硬件連鎖功能以及故障注入檢測功能。

① 看門狗檢測功能。在該系統(tǒng)中的每個節(jié)點里通過FPGA設(shè)計可配置看門狗檢測功能，用來檢測處理器運行狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)異常時，該看門狗告警信號連鎖到本通道的通道控制邏輯中，實現(xiàn)將本通道故障處理；

② 電源異常檢測功能。在該系統(tǒng)中的每個節(jié)點里設(shè)置獨立的電源異常檢測電路，同時對輸入到產(chǎn)品的電源信號和產(chǎn)品內(nèi)部的二次電源進(jìn)行檢測，當(dāng)外部輸入電壓超出規(guī)定時，產(chǎn)品產(chǎn)生告警信息，記錄此告警信息，當(dāng)檢測到產(chǎn)品內(nèi)部二次電源故障時，記錄該故障信息。

③ 智能總線底層校驗功能。該系統(tǒng)中大量使用智能總線，在總線層對數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)冗余碼校驗、垂直奇偶校驗等校驗功能，并將結(jié)果上報軟件，參與系統(tǒng)通道控制邏輯。

④ 硬件連鎖功能。當(dāng)通道功能喪失時，通過硬件連鎖功能封鎖總線輸出，并將驅(qū)動輸出連鎖到安全狀態(tài)。

⑤ 故障注入檢測功能。在每個節(jié)點中設(shè)置故障注入檢測功能，當(dāng)從外界注入故障后，觸發(fā)節(jié)點內(nèi)部的通道故障邏輯，導(dǎo)致節(jié)點失效，便于驗證通道故障邏輯功能和開展系統(tǒng)故障注入試驗。

5　結(jié)束語

本文在分布式技術(shù)、雙余度容錯技術(shù)以及高速航空總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過對分布式雙余度的系統(tǒng)架構(gòu)、資源管理、容錯策略等進(jìn)行研究，設(shè)計完成了一個具有故障識別、資源共享以及容錯重構(gòu)功能的分布式雙余度機(jī)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有可靠性高、可擴(kuò)展性好以及減少機(jī)載產(chǎn)品數(shù)量等優(yōu)點。目前使用這種集故障識別、資源共享以及容錯重構(gòu)功能的分布式雙余度機(jī)電系統(tǒng)，已在某重點科研項目中成功運用，不僅填補(bǔ)了國產(chǎn)飛機(jī)在先進(jìn)分布式雙余度機(jī)電系統(tǒng)上的空白，同時為后續(xù)的飛機(jī)平臺級大綜合奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

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The Fault-Tolerant and reconfiguration technique of distributed dualredundancy on airborne electromechanical system

Chen Kui
（AVIC Xi'an Aeronautics Computing Technique Research Institute，Xi'an 710065，China）

The Advancement and reliability of the electromechanical system will directly affects the performance of the aircraft，since it is an important part of the aircraft systems.This paper makes a research on the design of distributed dual-redundancy electromechanical system which uses the faulttolerant technology，system reconfiguration technology and high-speed avionics bus technology， and the composition of the system， working principle and fault tolerance，as well as reconfiguration mechanism are mainly discussed.

system fault-tolerant technology；system reconfiguration；exception handing

陳奎（1985-），男，安徽阜陽人，本科，工程師，主要研究方向為機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)計算機(jī)。