基于PowerPC和X86的二余度非相似飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陶想林+陸熊+殷斌

摘 要： 為了抑制共模故障和提高飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種二余度非相似的飛控計(jì)算機(jī)原型系統(tǒng)。首先，給出了該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和原理，硬件結(jié)構(gòu)包括基于PowerPC和X86處理器構(gòu)成的主副通道、用于交叉通信的雙口RAM、基于FPGA的仲裁模塊等部分；其次，系統(tǒng)中的余度控制軟件部分主要給出了任務(wù)同步和仲裁處理軟件模塊的軟件實(shí)現(xiàn)流程圖，這是非相似余度的關(guān)鍵問(wèn)題；最后，在實(shí)現(xiàn)實(shí)物系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開展了一系列的仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞： 非相似余度； 飛控計(jì)算機(jī)； PowerPC處理器； X86處理器

中圖分類號(hào)： TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）20?0091?04

Design and realization of dual redundancy dissimilar flight control computer system based on PowerPC and Vortex86

TAO Xiang?lin， LU Xiong， YIN Bin

（College of Automation Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China）

Abstract： In order to avoid the common mode faults and improve the reliability of the flight control computer （FCC） system， the prototype system of dual redundancy dissimilar FCC was designed and realized. Hardware structure and principle of the system are given. The hardware structure includes the primary and redundant control computers with PowerPC and Vortex86 processor， two?port RAM for cross communication and arbitration module based on FPGA. As for the redundancy control software in the system， the software flow charts for engineering realization of the task synchronization and the arbitration processing software module are given. These are the core sections of the system. Based on the realization of the proposed system， a series of simulation experiments of the proposed approach were carried out to verify the feasibility of the system.

Keywords： dissimilar redundancy； flight control computer； PowerPC processor； X86 processor

0 引 言

近年來(lái)，余度技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在民用和軍事方面[1?2]，以提高飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)系統(tǒng)的某一部分出現(xiàn)故障時(shí)，余度技術(shù)可以確保系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的功能。對(duì)于飛控計(jì)算機(jī)而言，余度技術(shù)是一種常見(jiàn)的容錯(cuò)方法，它可以確保系統(tǒng)在一定的時(shí)間內(nèi)即使存在故障也能正常工作[3]。

為了有效抑制共性故障和提高系統(tǒng)的可靠性，本文基于PowerPC和X86處理器，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種二余度非相似飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在該非相似余度系統(tǒng)中，所有的余度資源都采用不同的硬件設(shè)備和軟件設(shè)計(jì)[4?5]。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由主副計(jì)算機(jī)通道、通信模塊和仲裁模塊組成。

1.1 主副計(jì)算機(jī)通道

考慮到本系統(tǒng)的需求和處理器的特點(diǎn)，在二余度非相似飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，X86和PowerPC的處理器分別被選作為主副通道。

（1） 主通道主要由X86處理器和串行接口的ADC模塊（AD7908）構(gòu)建。主通道通過(guò)PC104總線實(shí)現(xiàn)通信和資源擴(kuò)展，所使用的是FreeDos操作系統(tǒng)。

（2） 副通道主要由PowerPC處理器和并行接口的ADC模塊（AD7829）組成。副通道是通過(guò)LBC總線完成通信，使用的操作系統(tǒng)是Linux。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

主副通道配備各自外圍接口（串口、離散I/O、模擬量輸入輸出等）和硬件資源（看門狗、電源、存儲(chǔ)器等）。

1.2 通信模塊

通信模塊用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞、主副通道狀態(tài)交換和任務(wù)同步等功能，為系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在三種通用的通信方式——總線、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TCP/IP）和雙口RAM[6]中，本系統(tǒng)選用雙口RAM。本設(shè)計(jì)的通信模塊原理圖如圖2所示。

圖2 通信模塊示意圖

在圖2中，主副通道通過(guò)PC104總線和LBC總線與雙口RAM相連。雙口RAM包含3個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)[7]，分別用于存放正常工作時(shí)采集的數(shù)據(jù)、FPGA發(fā)送過(guò)來(lái)的狀態(tài)信號(hào)、故障發(fā)生時(shí)自檢采集的數(shù)據(jù)。為了避免訪問(wèn)相同地址所造成的沖突，主副通道和FPGA在讀寫操作前通過(guò)讀取雙口RAM的狀態(tài)信號(hào)來(lái)判斷雙口RAM是否工作[8]。

1.3 仲裁模塊

仲裁模塊主要由故障分析單元和通道切換單元組成，負(fù)責(zé)故障檢測(cè)、故障定位、故障隔離和選擇輸出通道等功能。仲裁模塊是通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)的，其原理圖如圖3所示。

仲裁模塊在一個(gè)判定周期內(nèi)的工作流程如下：

（1） 仲裁模塊對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果兩者的偏差在一定的范圍內(nèi)，那么判定系統(tǒng)正常并優(yōu)先選擇主通道作為輸出通道，否則判定系統(tǒng)存在故障。

（2） 如果發(fā)生故障，故障檢測(cè)和仲裁模塊向主副通道發(fā)送相應(yīng)的自檢和互檢信號(hào)，進(jìn)行故障檢測(cè)。本系統(tǒng)的自檢過(guò)程為：主副通道先分別采集一個(gè)固定已知的值，然后FPGA比較主副通道采集的數(shù)據(jù)。

（3） 根據(jù)自檢和互檢結(jié)果，仲裁模塊隔離故障通道并為飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)選擇輸出通道。

圖3 仲裁模塊原理圖

2 余度控制的軟件設(shè)計(jì)

2.1 任務(wù)同步

主副通道具有不同的處理器、指令系統(tǒng)和編譯效率，因而具有不同的算法執(zhí)行時(shí)間，在數(shù)據(jù)采集時(shí)就可能存在任務(wù)不同步的現(xiàn)象[9?10]。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采取的任務(wù)同步是在每次采集數(shù)據(jù)完成后進(jìn)行任務(wù)同步。任務(wù)同步流程圖如圖4所示。

圖4 任務(wù)同步流程圖

任務(wù)同步的流程如下：

（1） 主副通道分別將數(shù)據(jù)寫入雙口RAM的采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。

（2） FPGA判斷主副通道數(shù)據(jù)是否都寫入雙口RAM。

FPGA定時(shí)檢測(cè)該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，如果檢測(cè)到有數(shù)據(jù)寫入，就將代表主副通道數(shù)據(jù)寫入的標(biāo)志位flag1，flag2置位。

當(dāng)flag1和flag2同時(shí)為1的時(shí)候，進(jìn)入數(shù)據(jù)比較環(huán)節(jié)。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，當(dāng)標(biāo)志位flag1，flag2不能同時(shí)為1時(shí)，則進(jìn)入仲裁模塊。

（3） FPGA對(duì)兩個(gè)通道采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。若比較的結(jié)果在設(shè)定的范圍內(nèi)，則分別向主副通道發(fā)送同步完成信號(hào)，并啟動(dòng)下一次數(shù)據(jù)采集和同步；否則判定系統(tǒng)存在故障，進(jìn)入仲裁模塊。

2.2 仲裁處理軟件模塊

當(dāng)任務(wù)同步成功時(shí)，仲裁模塊優(yōu)先選擇主通道作為輸出通道[11]；當(dāng)任務(wù)同步失敗時(shí)，仲裁模塊進(jìn)行故障檢測(cè)和選擇輸出通道，其流程圖如圖5所示。

圖5 仲裁模塊軟件流程圖

（1） 當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)發(fā)生故障，仲裁模塊向主副通道發(fā)送自檢信號(hào)。

（2） 主副通道同時(shí)進(jìn)行自檢，并將自檢結(jié)果發(fā)送至仲裁模塊。

（3） 根據(jù)自檢結(jié)果，仲裁模塊進(jìn)行故障定位。

（4） 仲裁模塊選擇輸出通道。如果主副通道都正常，優(yōu)先選擇主通道輸出；如果主副通道其中一個(gè)故障，選擇正常通道輸出并對(duì)故障通道進(jìn)行互檢；如果主副通道均故障，則輸出前10次正常工作時(shí)的采集數(shù)據(jù)的平均值。

3 實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果

3.1 系統(tǒng)原型實(shí)現(xiàn)

基于以上硬件和軟件設(shè)計(jì)方案，本二余度非相似飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖6所示。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，本文進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。

圖6 二余度非相似飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)物圖

主通道選擇基于Vortex86DX Soc處理器的NAC?1911單板機(jī)作為控制系統(tǒng)，采用AD7908采集數(shù)據(jù)。副通道選擇基于MPC8309處理器的TWR?MPC8309單板機(jī)作為控制系統(tǒng)，采用AD7829采集數(shù)據(jù)。主副通道分別將采集的數(shù)據(jù)送到雙口RAM，并且將采集的數(shù)據(jù)顯示在型號(hào)為DE2?115的FPGA開發(fā)板上。圖6中8個(gè)數(shù)碼管分別顯示主通道（左4個(gè)數(shù)碼管）和副通道（右4個(gè)數(shù)碼管）采集的電壓值，分別為1.688 V和1.788 V。經(jīng)過(guò)任務(wù)同步和仲裁模塊，F(xiàn)PGA將采集的電壓轉(zhuǎn)換為PWM波來(lái)控制演示電機(jī)。

表1為在該系統(tǒng)中注入不同故障的情況下主副通道的電壓采集值和自檢時(shí)采集的固定電壓值。

表1 故障注入時(shí)主副通道的電壓采集值

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)

余度設(shè)計(jì)軟件仿真中的相關(guān)信號(hào)為：

（1） clk為50 MHz時(shí)鐘。

（2） PC_WR是X86與FPGA相連的PC104總線的寫信號(hào)，下降沿表示在進(jìn)行寫操作。在仿真實(shí)驗(yàn)中，以檢測(cè)總線寫信號(hào)的下降沿來(lái)確定數(shù)據(jù)是否寫入雙口RAM。

（3）data_X86是PC104的數(shù)據(jù)線，addr_X86是PC104的地址線。

（4） syn_X86是任務(wù)同步后向X86發(fā)送的狀態(tài)信號(hào)，syn_X86=11表示同步失敗，進(jìn)行自檢；syn_X86=ff表示一次任務(wù)同步成功，可以啟動(dòng)下一次數(shù)據(jù)采集和任務(wù)同步；syn_X86=aa表示任務(wù)同步正在進(jìn)行，主副通道等待。

（5） dcount是等待計(jì)數(shù)器，在每一次 clk的下降沿計(jì)數(shù)，dcount可計(jì)數(shù)255次大概計(jì)時(shí)2 s。

圖7為主通道數(shù)據(jù)寫入FPGA，但是在dcount計(jì)數(shù)到255時(shí)仍檢測(cè)不到副通道的數(shù)據(jù)，所以發(fā)出syn_X86=11和syn_MPC=11的狀態(tài)信號(hào)，表示同步失敗，進(jìn)行自檢。圖8為主副通道均正常時(shí)的余度軟件實(shí)現(xiàn)的信號(hào)變化過(guò)程。

圖7 副通道故障時(shí)的仿真圖

圖8 主副通道正常的仿真圖

4 結(jié) 論

本文研究了基于PowerPC和X86的二余度非相似飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和余度軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果部分給出了系統(tǒng)的實(shí)物圖和余度設(shè)計(jì)仿真，驗(yàn)證了二余度非相似飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可行性和有效性。

參考文獻(xiàn)

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[11] 宋翔貴，張新國(guó).電傳飛行控制系統(tǒng)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003.

圖8 主副通道正常的仿真圖

4 結(jié) 論

本文研究了基于PowerPC和X86的二余度非相似飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和余度軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果部分給出了系統(tǒng)的實(shí)物圖和余度設(shè)計(jì)仿真，驗(yàn)證了二余度非相似飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可行性和有效性。

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[11] 宋翔貴，張新國(guó).電傳飛行控制系統(tǒng)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003.

圖8 主副通道正常的仿真圖

4 結(jié) 論

本文研究了基于PowerPC和X86的二余度非相似飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和余度軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果部分給出了系統(tǒng)的實(shí)物圖和余度設(shè)計(jì)仿真，驗(yàn)證了二余度非相似飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可行性和有效性。

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