冗余熱備份通信策略及實(shí)現(xiàn)方法研究

久元溦，劉志宏，翟耘萱，田園，耿振華

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

0 引言

星載航天產(chǎn)品通常工作在無人干預(yù)、空間輻射環(huán)境惡劣的空間環(huán)境中。因此，星載航天產(chǎn)品需滿足長(zhǎng)壽命、高可靠性的需求[1]。在星載航天產(chǎn)品中，通信總線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的可靠性是決定航天產(chǎn)品工作任務(wù)成功與否的重要因素之一。冗余備份通信方案是常用于提高星載航天產(chǎn)品通信功能可靠性，降低單點(diǎn)故障率的方法[2]。

冗余備份通信方案通常分為冷備份方式和熱備份方式。冷備份方式是對(duì)單機(jī)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，形成主份與備份通信模塊，在通信時(shí)總線中只有一套模塊處于運(yùn)行狀態(tài)[3]。冷備份方式設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但通常單機(jī)產(chǎn)品需采用全冗余設(shè)計(jì)，需占用較多的器件資源，且電子學(xué)單機(jī)的體積和重量也會(huì)成倍地增加。通常搭載火箭具有嚴(yán)格的載重限制，其對(duì)于星載航天產(chǎn)品的重量有較為嚴(yán)苛的要求[4]。并且，在故障狀態(tài)下，冷備份方式需要人為干預(yù)進(jìn)行主備切換操作，不具備自主的實(shí)時(shí)恢復(fù)能力。因此冷備份方式在實(shí)際應(yīng)用時(shí)具有一定的局限性。熱備份方式是在通信時(shí)總線中主份模塊和備份模塊同時(shí)工作，在單份故障狀態(tài)下不需人為干預(yù)即可依靠正常工作的模塊維持正常工作狀態(tài)。熱備份方式在設(shè)計(jì)時(shí)可僅針對(duì)通信模塊進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，其對(duì)器件資源和重量的占用會(huì)大幅度地減少。

本文基于RS-485總線設(shè)計(jì)了一種冗余熱備份通信系統(tǒng)。同時(shí)，文章詳細(xì)地介紹了遙控遙測(cè)消息通信策略，通過仿真驗(yàn)證了該通信策略的可行性，該技術(shù)方案可有效地應(yīng)用于星載航天產(chǎn)品中，提高通信功能的可靠性，降低單點(diǎn)故障率。

1 冗余熱備份通信系統(tǒng)構(gòu)成

本文介紹的冗余熱備份通信系統(tǒng)采用RS-485電氣接口作為總線的物理層接口。RS-485總線具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高和通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[5]。總線網(wǎng)絡(luò)有1個(gè)總線控制器和N個(gè)遠(yuǎn)程終端?？偩€控制器作為遙控?cái)?shù)據(jù)的發(fā)送端和遙測(cè)數(shù)據(jù)的接收端。遠(yuǎn)程終端接收遙控?cái)?shù)據(jù)并返回遙測(cè)數(shù)據(jù)[6]。冗余熱備份通信系統(tǒng)的組成示意圖如圖1所示。

圖1 冗余熱備份通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 冗余熱備份通信策略

2.1 數(shù)據(jù)格式定義

總線上的數(shù)據(jù)序列基本傳輸單位為N+4 bit，其中包含N bit有效數(shù)據(jù)，1 bit起始位，1 bit標(biāo)識(shí)位，1 bit奇偶校驗(yàn)位，1 bit停止位。該數(shù)據(jù)序列有兩種數(shù)據(jù)類型，即指令字和數(shù)據(jù)字，通過標(biāo)識(shí)位進(jìn)行區(qū)分[7]。數(shù)據(jù)序列的格式如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)序列的格式約定

其中，起始位固定為低電平，停止位固定為高電平，奇偶校驗(yàn)位用作有效數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)。標(biāo)識(shí)位為高電平時(shí)表示該數(shù)據(jù)序列為指令字，低電平時(shí)為數(shù)據(jù)字。指令字內(nèi)的有效數(shù)據(jù)用作指示遠(yuǎn)程終端的地址、操作類型（遙控消息或遙測(cè)消息）和數(shù)據(jù)字個(gè)數(shù)。數(shù)據(jù)字內(nèi)的有效數(shù)據(jù)為具體的遙控或遙測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)，為了加強(qiáng)通信系統(tǒng)的可靠性，可在有效的數(shù)據(jù)內(nèi)增加校驗(yàn)字節(jié)[8]。例如：可采用累加校驗(yàn)和的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，即除最后一個(gè)字節(jié)外的所有字節(jié)數(shù)據(jù)累加求和，取低字節(jié)部分作為校驗(yàn)和字節(jié)內(nèi)容，若結(jié)果與最后一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)一致，則判斷校驗(yàn)結(jié)果正確。

數(shù)據(jù)總線上的消息格式分為兩類，即遙控消息和遙測(cè)消息。遙控消息由總線控制器發(fā)出，含1個(gè)遙控指令字和X個(gè)遙控?cái)?shù)據(jù)字。遠(yuǎn)程終端通過指令字內(nèi)的有效數(shù)據(jù)判斷為本遠(yuǎn)程終端且操作類型為遙控消息時(shí)，接收后續(xù)的X個(gè)遙控?cái)?shù)據(jù)字。遙測(cè)消息由總線控制器發(fā)出遙測(cè)輪詢，即1個(gè)遙測(cè)指令字。遠(yuǎn)程終端通過指令字內(nèi)的有效數(shù)據(jù)判斷為本遠(yuǎn)程終端且操作類型為遙測(cè)消息時(shí)，向總線控制器發(fā)出對(duì)應(yīng)的Y個(gè)遙測(cè)數(shù)據(jù)字。

2.2 通信策略

2.2.1 遙控消息處理策略

每次遙控消息中，總線控制器發(fā)送1個(gè)遙控指令字和X個(gè)遙控?cái)?shù)據(jù)字。當(dāng)遠(yuǎn)程終端收取的數(shù)據(jù)滿足圖2定義的數(shù)據(jù)字格式，奇偶校驗(yàn)正確時(shí)，視為有效的遙控?cái)?shù)據(jù)字，更新遙控?cái)?shù)據(jù)包中的對(duì)應(yīng)位。遠(yuǎn)程終端接收遙控?cái)?shù)據(jù)字時(shí)，為避免外部輸入異常導(dǎo)致狀態(tài)機(jī)死鎖，程序中需設(shè)置超時(shí)退出機(jī)制：若遠(yuǎn)程終端接收到遙控指令字后，因奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤或總線控制器未發(fā)出遙控?cái)?shù)據(jù)字等原因?qū)е鲁^時(shí)間tk1未接收到有效的遙控?cái)?shù)據(jù)字停止位，遠(yuǎn)程終端判斷為數(shù)據(jù)字超時(shí)，不再收取當(dāng)前遙控?cái)?shù)據(jù)字，可整包遙控?cái)?shù)據(jù)字丟棄并退出接收遙控?cái)?shù)據(jù)字狀態(tài)。例如：程序約定各字時(shí)間間隔為tkint，總線傳輸每個(gè)數(shù)據(jù)位的時(shí)間為tbit，則tkint+（N+4）tbit

2.2.2 遙測(cè)消息處理策略

每次遙測(cè)消息中，總線控制器發(fā)送1個(gè)遙測(cè)指令字，收取Y個(gè)遙測(cè)數(shù)據(jù)字。當(dāng)總線控制器收取的數(shù)據(jù)滿足圖2定義的數(shù)據(jù)字格式，奇偶校驗(yàn)正確時(shí)，視為有效的遙測(cè)數(shù)據(jù)字，更新遙測(cè)數(shù)據(jù)包中的對(duì)應(yīng)位?？偩€控制器發(fā)送遙測(cè)指令字后，為避免外部輸入異常導(dǎo)致收取遙測(cè)數(shù)據(jù)字的狀態(tài)機(jī)死鎖，程序中需設(shè)置超時(shí)退出機(jī)制。

a）若總線控制器發(fā)送完遙測(cè)指令字停止位后，遠(yuǎn)程終端不反饋遙測(cè)數(shù)據(jù)字，導(dǎo)致總線控制器超過時(shí)間tc1未收到遙測(cè)數(shù)據(jù)字停止位，總線控制器軟件判斷為響應(yīng)超時(shí)，不再收取遠(yuǎn)程終端的遙測(cè)數(shù)據(jù)字，退出接收遙測(cè)數(shù)據(jù)字狀態(tài)機(jī)。例如：程序約定遠(yuǎn)程終端應(yīng)在tyc內(nèi)反饋遙測(cè)數(shù)據(jù)字，總線傳輸每個(gè)數(shù)據(jù)位的時(shí)間為tbit，因此tyc+（N+4）tbit

b）若遠(yuǎn)程終端在tyc內(nèi)反饋遙測(cè)數(shù)據(jù)字，且各個(gè)數(shù)據(jù)字的時(shí)間間隔滿足要求，但因奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤等原因?qū)е鲁^時(shí)間tc2未接收到有效的遙測(cè)數(shù)據(jù)字停止位，總線控制器判斷為數(shù)據(jù)字超時(shí)，不再收取當(dāng)前遙測(cè)數(shù)據(jù)字，可整包遙測(cè)數(shù)據(jù)字丟棄退出接收遙測(cè)數(shù)據(jù)字狀態(tài)，或該數(shù)據(jù)字保留上一次的值并轉(zhuǎn)為收取下一遙測(cè)數(shù)據(jù)字。例如：程序約定各個(gè)遙測(cè)數(shù)據(jù)字的時(shí)間間隔為tcint，總線傳輸每個(gè)數(shù)據(jù)位的時(shí)間為tbit， 則tcint+（N+4） tbit

2.2.3 冗余熱備份處理策略

通常，發(fā)送節(jié)點(diǎn)同時(shí)在主備份接口發(fā)送相同的數(shù)據(jù)序列，但因硬件電路、電纜長(zhǎng)度的差異性，接收節(jié)點(diǎn)接收到的主份數(shù)據(jù)可能整體超前或落后于備份數(shù)據(jù)。則熱備份處理策略如圖3所示。

假設(shè)，主備份間數(shù)據(jù)序列超前或落后的時(shí)間間隔不超過tdelay，發(fā)送節(jié)點(diǎn)先后發(fā)送兩條消息的時(shí)間間隔大于tint。則圖3中的時(shí)間限制需滿足以下條件： 即tdelay

圖3 熱備份處理策略

2.2.4 軟件架構(gòu)

根據(jù)硬件系統(tǒng)架構(gòu)和數(shù)據(jù)處理策略，總線控制器和遠(yuǎn)程終端的軟件架構(gòu)組成如圖4-5所示。

圖4 總線控制器軟件架構(gòu)

圖5 遠(yuǎn)程終端軟件架構(gòu)

3 仿真與驗(yàn)證

通過ModelSim對(duì)上述軟件架構(gòu)進(jìn)行仿真。仿真過程中，分別針對(duì)遙控消息和遙測(cè)消息的收發(fā)進(jìn)行了測(cè)試用例的設(shè)計(jì)。如圖6所示，遠(yuǎn)程終端可正確地處理熱備份遙控消息。如圖7所示，總線控制器可正確地收取熱備份遙測(cè)數(shù)據(jù)包。圖8-9針對(duì)單份出現(xiàn)通信失效的情況進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明單份通信模塊故障時(shí)，該軟件架構(gòu)可自主地進(jìn)行仲裁切換，通信仍然正確有效。上述仿真結(jié)果表明熱備份處理策略具有可行性，可實(shí)際應(yīng)用于星載航天產(chǎn)品通信系統(tǒng)中。

圖6 遙控?cái)?shù)據(jù)字接收仿真波形圖

圖7 遙測(cè)數(shù)據(jù)字接收仿真波形圖

圖8 單份通信失效時(shí)遙控?cái)?shù)據(jù)字接收仿真波形圖

4 結(jié)束語

本文提出了一種冗余熱備份通信策略及軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。該方法基于RS-485總線，仲裁過程清晰明了，在單份通信模塊故障時(shí)可快速、無縫地切換，無需人為干預(yù)即可恢復(fù)正常通信狀態(tài)，可有效地降低單點(diǎn)故障率。仿真結(jié)果證明了該冗余熱備份方案設(shè)計(jì)的正確性和可行性。該方案可有效地提高星載航天產(chǎn)品通信功能的可靠性，可實(shí)際應(yīng)用于星載航天產(chǎn)品通信系統(tǒng)中。

圖9 單份通信失效時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)字接收仿真波形圖