CN104407948B - 一种冷备份冗余星载计算机的加电切换控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种冷备份冗余星载计算机的加电切换控制***，包括整机加电电路，看门狗开机电路，电源监测开机电路，端口关机电路，对应每个单机分别串联设置的或门逻辑电路和反相驱动电路，分别设置在主机或备机电源输入端的控制继电器。本发明所述的控制方法，通过对自身工作状态与供电状况监测，实时完成备份单机间的加电切换管理；利用对单机读写操作的监测实现对工作单机的故障监测和反馈，完成对主机和备机之间的自动切换；通过对单机电源的监测实现对工作单机在电源故障时的监测和反馈，完成对主机和备机之间的自动切换；通过对加电单机的端口控制，能够在其加电后就对其他单机实现断电处理，保证冷备份的工作状态；实现主动切换，可靠性高。

Description

一种冷备份冗余星载计算机的加电切换控制***及方法

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域，具体为一种冷备份冗余星载计算机的加电切换控制方法。

背景技术

目前，星载计算机为了实现高可靠、长寿命的设计目标，多采用双机冷备份的冗余设计，其中两个单机分别命名为主机与备机，在同一时间只有一台单机进行工作。两者之间通过外部直接指令控制继电器簧片的吸合与断开来实现备份双机的加断电管理。直接指令在控制继电器实现加断电功能时，其控制方法如图1所示。虽然其控制方法和依赖的控制电路简单，但是仅依靠直接指令来实现冗余备份的加断电切换，不仅降低了***可靠性，而且当卫星处于非地面站控制区域，星载计算机由于不具备自治能力，一旦发生故障将会影响整星的正常工作。例如若某单机加电指令异常，该单机将不能加电工作失去备份的作用，无法确保整星任务的顺利执行。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种能够主动完成双机之间的冗余切换，可靠性高的冷备份冗余星载计算机的加电切换控制方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明一种冷备份冗余星载计算机的加电切换控制***，包括，

用于在整机加电后分别向主机发送主机加电指令，向备机发送备机关电指令的整机加电电路；

对应每个单机分别设置的看门狗开机电路；看门狗开机电路用于对应的单机加电后，以加电单机的I/O端口的读写操作信号作为喂狗信号，一旦未在规定时间内喂狗，加电单机对未加电单机发送看门狗开机指令；

对应每个单机分别设置的电源监测开机电路；电源监测开机电路用于监测单机加电后单机的电源电压，一旦电源低于约定阈值该电路会对未加电单机发送开机指令；

对应每个单机分别设置的端口关机电路；端口关机电路用于对应的单机加电后，对其他单机发送端口关机指令；

对应每个单机分别串联设置的或门逻辑电路和反相驱动电路；或门逻辑电路和反相驱动电路用于间接开机或关机指令的发送；主机的开机或门逻辑电路的输入端分别接入对应的主机加电指令、看门狗开机指令和电源监测开机指令，开机反相驱动电路输出端输出主机的间接开机指令；主机的关机或门逻辑电路的输入端接入对应的端口关机指令，关机反相驱动电路输出端输出主机的间接关机指令；备机的开机或门逻辑电路的输入端分别接入对应的看门狗开机指令和电源监测开机指令，开机反相驱动电路输出端输出备机的间接开机指令；备机的关机或门逻辑电路的输入端接入对应的备机关电指令和端口关机指令，关机反相驱动电路输出端输出备机的间接关机指令；

分别设置在主机或备机电源输入端的控制继电器；控制继电器包括控制端并联的间接控制继电器和直接控制继电器，对应单机的直接开关机指令接入到直接继电器的对应控制端；对应单机的间接开关机指令接入到间接继电器的对应控制端。

优选的，整机加电电路包括串联的电源监测电路和反相器，电源监测电路的输入端分别连接加主机电源和公共电源。

优选的，看门狗开机电路包括串联的计数器、移位寄存器和三输入与非门；用于提供喂狗时间计数器的输入端连接喂狗信号；移位寄存器和三输入与非门用于根据喂狗信号得到对未加电单机的看门狗开机指令。

优选的，电源监测开机电路包括串联的电源监测电路和单稳电路，电源监测电路的输入端分别连接对应单机的电源和公共电源。

优选的，端口关机电路包括串联的D型触发器和与门；D型触发器的输入端分别接入对应单机的工作信号、I/O端口译码信号和复位信号。

本发明一种冷备份冗余星载计算机的加电切换控制方法，包括，

a.进行初始化，给整机供电后，分别向主机发送主机加电指令，向备机发送备机关电指令；

b.监测整机中加电单机的I/O端口的读写操作，如果在设定时间内加电单机没有进行读写操作，则向未加电单机发送看门狗开机指令；

c.监测加电单机电源，如果加电单机电源低于门槛电压时，则向未加电单价发送电源监测开机指令；

d.当整机中任意一个单机加电后，均向其他单机发送端口关机指令；

e.步骤a中的主机加电指令，步骤b中看门狗开机指令和步骤c中对应主机的电源监测开机指令一同经或门逻辑电路和反相驱动电路处理得到主机的间接开机指令；步骤b中看门狗开机指令和步骤c中对应备机的电源监测开机指令一同经或门逻辑电路和反相驱动电路处理得到备机的间接开机指令；

f.步骤d中对应主机的端口关机指令经或门逻辑电路和反相驱动电路处理得到主机的间接关机指令；步骤a中的备机关电指令，步骤d中对应备机的端口关机指令一同经或门逻辑电路和反相驱动电路处理得到备机的间接关机指令；

g.单机的间接开关机指令与直接开关机指令并联后作为控制信号对该单机实现开关机控制。

优选的，步骤b中，通过看门狗电路实现对加电单机的实时监测，以加电单机的I/O端口的读写操作信号作为对应看门狗电路的喂狗信号，如果在设定时间内未完成喂狗，则向未加电单机发送看门狗开机指令。

优选的，步骤g中，各单机的电源输入端分别设置有控制端并联的直接控制继电器和间接控制继电器；各单机的控制信号中，间接开关机指令接入到对应的间接控制继电器，直接开关机指令并联后接入到对应的直接控制继电器中实现开关机控制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过设备对自身工作状态与供电状况监测，实时完成备份单机间的加电切换管理；利用对单机读写操作的监测实现对工作单机的故障监测和反馈，完成对主机和备机之间的自动切换；通过对单机电源的监测实现对工作单机在电源故障时的监测和反馈，完成对主机和备机之间的自动切换；通过对加电单机的端口控制，能够在其加电后就对其他单机实现断电处理，保证冷备份的工作状态；利用或门逻辑电路对同一主机接收到的开机或关机指令进行或处理，实现冗余备份的加电切换，保证其冗余备份的可靠性；最后改变现有双机切换中由直接指令执行的单一控制，将间接指令和直接指令并联对每个单机都进行开关机控制，实现两者互为备份的备份控制，消除了整机单点，提高了星载计算机的可靠性，能够保证卫星处于非地面站控制区域时，星载计算机能够实现自我管理与切换，确保卫星任务连续受控。

进一步的，分别通过对各电路的具体设置，能够保证其信号的稳定产生和传递，保证了间接指令的可靠性，利用看门狗电路实现对其I/O端口读写操作的监测，结构简单，工作稳定；通过控制端并联的继电器实现对间接和直接开关机指令的双通路控制。

附图说明

图1为现有技术中直接指令控制继电器加断电功能示意图。

图2为本发明实例中所述的整机加电电路的结构逻辑原理图。

图3为本发明实例中所述的看门狗开机电路的结构逻辑原理图。

图4a为本发明实例中所述主机的电源监测开机电路结构逻辑原理图。

图4b为本发明实例中所述备机的电源监测开机电路结构逻辑原理图。

图5为本发明实例中所述的端口关机电路的结构逻辑原理图。

图6a为本发明实例中所述主机的间接开关机指令生成示意框图。

图6b为本发明实例中所述备机的间接关机指令生成示意框图。

图7为本发明实例中所述的继电器的控制连接示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种冷备份冗余星载计算机的加电切换控制***，包括，

用于在整机加电后分别向主机发送主机加电指令，向备机发送备机关电指令的整机加电电路，如图2所示；对应每个单机分别设置的看门狗开机电路；如图3所示，看门狗开机电路用于对应的单机加电后，以加电单机的I/O端口的读写操作信号作为喂狗信号，一旦未在规定时间内喂狗，加电单机对未加电单机发送看门狗开机指令；对应每个单机分别设置的电源监测开机电路；如图4a和图4b所示，电源监测开机电路用于监测单机加电后单机的电源电压，一旦电源低于约定阈值该电路会对未加电单机发送开机指令；对应每个单机分别设置的端口关机电路；如图5所示，端口关机电路用于对应的单机加电后，对其他单机发送端口关机指令；如图6a和图6b所示，对应每个单机分别串联设置的或门逻辑电路和反相驱动电路；或门逻辑电路和反相驱动电路用于间接开机或关机指令的发送；主机的开机或门逻辑电路的输入端分别接入对应的主机加电指令、看门狗开机指令和电源监测开机指令，开机反相驱动电路输出端输出主机的间接开机指令；主机的关机或门逻辑电路的输入端接入对应的端口关机指令，关机反相驱动电路输出端输出主机的间接关机指令；备机的开机或门逻辑电路的输入端分别接入对应的看门狗开机指令和电源监测开机指令，开机反相驱动电路输出端输出备机的间接开机指令；备机的关机或门逻辑电路的输入端接入对应的备机关电指令和端口关机指令，关机反相驱动电路输出端输出备机的间接关机指令；如图7所示，分别设置在主机或备机电源输入端的控制继电器；控制继电器包括控制端并联的间接控制继电器和直接控制继电器，对应单机的直接开关机指令接入到直接继电器的对应控制端；对应单机的间接开关机指令接入到间接继电器的对应控制端。

其中，如图2所示，整机加电电路包括串联的电源监测电路和反相器，电源监测电路的输入端分别连接主机电源和公共电源。如图3所示，看门狗开机电路包括串联的计数器、移位寄存器和三输入与非门；用于提供喂狗时间计数器的输入端连接喂狗信号；移位寄存器和三输入与非门用于根据喂狗信号得到对未加电单机的看门狗开机指令。如图4a和图4b所示，电源监测开机电路包括串联的电源监测电路和单稳电路，电源监测电路的输入端分别连接对应单机的电源和公共电源。如图5所示，端口关机电路包括串联的D型触发器和与门；D型触发器的输入端分别接入对应单机的工作信号、I/O端口译码信号和复位信号。

本发明一种冷备份冗余星载计算机的加电切换控制方法，包括，

a.进行初始化，给整机供电后，分别向主机发送主机加电指令，向备机发送备机关电指令；

b.监测整机中加电单机的I/O端口的读写操作，也就是执行看门狗喂狗操作，如果在设定时间内加电单机没有进行读写操作，则向未加电单机发送看门狗开机指令；本优选实例中，通过看门狗电路实现对加电单机的实时监测，以加电单机的I/O端口的读写操作信号作为对应看门狗电路的喂狗信号，如果在设定时间内未完成喂狗，则向未加电单机发送看门狗开机指令。

c.监测加电单机电源，如果加电单机电源低于门槛电压时，则向未加电单机发送电源监测开机指令；

d.当整机中任意一个单机加电后，均向其他单机发送端口关机指令；

e.步骤a中的主机加电指令，步骤b中看门狗开机指令和步骤c中对应主机的电源监测开机指令一同经或门逻辑电路和反相驱动电路处理得到主机的间接开机指令；步骤b中看门狗开机指令和步骤c中对应备机的电源监测开机指令一同经或门逻辑电路和反相驱动电路处理得到备机的间接开机指令；

f.步骤d中对应主机的端口关机指令经或门逻辑电路和反相驱动电路处理得到主机的间接关机指令；步骤a中的备机关电指令，步骤d中对应备机的端口关机指令一同经或门逻辑电路和反相驱动电路处理得到备机的间接关机指令；

g.单机的间接开关机指令与直接开关机指令并联后作为控制信号对该单机实现开关机控制。本优选实例中，各单机的电源输入端分别设置有控制端并联的直接控制继电器和间接控制继电器；各单机的控制信号中，间接开关机指令接入到对应的间接控制继电器，直接开关机指令并联后接入到对应的直接控制继电器中实现开关机控制。

具体的，本发明应用到实际的冷备份冗余星载计算机中时，首先进行整机供电后，提供双机中主机加电，备机关电的逻辑控制及电路。如图2所示，其中，+5.5VA的主机电源和公共电源VCOM连接到MAX706T的电源监测电路中，在其加电后，7腿会输出负脉冲信号，信号经反相器54HC14变为正脉冲再经过反相驱动就能够作为继电器的控制指令，从而实现开主机、关备机的功能。其中，公共电源VCOM无论主机或备机加电，该区域均有电。该逻辑控制方法和电路是在整机加电后必须执行，对主机进行加电，对备机进行关电，从而实现冷备份的要求。

其次，无论是在主机还是备机在工作时，均要对工作单机进行其读写操作的监测，也就是要对其工作状态进行监测；本实例中通过与单机一一对应的看门狗开机电路的设置来完成，以I/O端口读写操作作为喂狗操作，并在设定的时间内未完成喂狗操作，看门狗开机电路会对未工作单机自动发出开机指令。如图3所示，其中，当主机加电后运行出现故障时，看门狗开机电路发出开备机指令；当备机加电后运行出现故障时，看门狗开机电路发出开主机指令。周期产生的喂狗信号为负脉冲信号，能够确保移位寄存器54HC164与54HC4060输出低电平信号，不会发出相应的开机指令。当喂狗信号未按规定周期产生，计数器54HC4060会输出时钟信号，该时钟信号会让移位寄存器54HC164逐级输出高电平，当该电路的3腿、10腿输出高电平，11腿输出低电平时，三输入与非门54HC10输出低电平信号。三输入与非门54HC10输出的低电平信号经相位取反后再经过反相驱动能够作为继电器控制指令，从而实现开主机或备机的功能。加电单机电源VCC连接在移位寄存器54HC164上，保证其与对应单机的同步工作和监测。

并且，无论是在主机还是备机在工作时，均要对工作单机进行其电源的监测，也就是要对供电是否正常的监测；整机供电后，工作单机的电源监测电路开始工作，当加电单机电源低于门槛电压时，电源监测电路会自动发出对未加电单机的开机指令。在图4a中，+5.5VA的主机电源和公共电源的分区VCOM连接到对应主机的电源监测电路D5中，在监测到其电源出现问题后，向备机发送开备机指令；在图4b中，+5.5VB的备机电源的公共电源的分区VCC连接到对应备机的电源监测电路D4中，在监测到其电源出现问题后，向主机发送开主机指令。其中，电源监测电路MAX706T的7腿与单稳电路54HC123的3腿连接，加电后前者输出低电平可确保后者不会输出错误指令。电源监测电路MAX706T的5腿与单稳电路54HC123的1腿连接，当电源监测电路MAX706T监测到自身4腿的输入电压低于门槛电压时，5腿的输出由高电平变为低电平从而导致单稳电路54HC123的13腿输出正脉冲信号，之后将该信号经过反相驱动最终产生继电器控制指令，从而实现对未加电单机的开机功能。

然后，当主机和备机同开时，后打开的单机经I/O端口操作可发出关主机或备机指令，也就是在任意一个单机加电后，均要对其他单机发送端口关机指令。如图5所示，加电单机的电源VCC接入到D型触发器中，并且同时接入对应单机的工作信号、I/O端口译码信号和复位信号；当主机加电时，发出关备机指令；当备机加电时，发出关主机指令。其中，D型触发器54HC74的5腿与8腿分别和与门54HC08的1腿与2腿连接。上电后，复位信号确保与门54HC08的输出为低电平，可确保不会输出错误指令。当进行端口操作时会产生I/O端口译码信号，同时产生配置的工作信号SD(6)＝1和SD(7)＝0，此时D型触发器54HC74的5腿与8腿的输出均为高电平，与门54HC08的3腿输出高电平信号；之后将该信号经过反相驱动最终产生继电器控制指令，从而实现关主机或关备机的功能。

最后，将上述电路产生的开、关机信号，进行汇集并驱动后，最终产生对继电器控制的间接指令；图6a中的主机的间接开机指令由整机加电电路中的主机加电指令，看门狗开机电路中的看门狗开机指令和电源监测电路中的电源监测开机指令一同经或门逻辑电路和反相驱动电路处理得到；图6b中的备机的间接关机指令由由整机加电电路中的备机关机指令和端口关机电路中的端口关机指令一同经或门逻辑电路和反相驱动电路处理得到。主机的间接关机指令由端口关机指令经处理后得到，备机的间接开机指令由看门狗开机电路中的看门狗开机指令和电源监测电路中的电源监测开机指令经处理后得到。

再将得到的间接开关机指令与直接开关机指令并联后接入到控制端并联的继电器组中，对对应的主机和备机进行供电控制，如图7所示，单机的电源输入端都设置继电器组，继电器组中的间接继电器输入端接整机供电，直接继电器的输出端接单机供电，两者的控制端并联后接入控制信号，控制信号中的直接指令接入直接继电器的对应控制端，间接指令接入间接继电器的对应控制端。直接指令为外部输入的负脉冲指令，与上述处理后得到的间接指令通过继电器组实现直接指令与间接指令的备份，在间接指令和直接指令中只要有一个有效则能够对冷备份的冗余加电切换进行控制，提升星载计算机的自我监测与管理能力。星载计算机通过自行产生的间接指令，无需外部直接指令，即可确保计算机内部主机加电；当卫星处于非地面站控制区域或外部直接指令无效时，星载计算机一旦发生故障，能够主动完成双机之间的冗余切换，确保整星任务的顺利执行。

再具体到双机冷备份冗余架构的星载计算机上，通过直接指令与间接指令实现主机与备机的加电切换。利用整机加电电路实现整机上电后，主机加电工作，备机关电不工作的初态确定；当加电单机出现故障时，看门狗开机电路起效，给另一断电单机加电。新启动的单机工作稳定后通过端口关机电路关闭故障单机；当加电单机出现电源故障时，电源监测开机电路给另一断电单机加电。新启动的单机工作稳定后通过端口关机电路关闭故障单机。采用上述设计的星载计算机在轨运行良好，未出现任何质量问题，顺利完成了其深空探测的科研任务。

Claims (8)

1.一种冷备份冗余星载计算机的加电切换控制***，其特征在于，包括，

用于在整机加电后分别向主机发送主机加电指令，向备机发送备机关电指令的整机加电电路；

对应每个单机分别设置的看门狗开机电路；看门狗开机电路用于对应的单机加电后，以加电单机的I/O端口的读写操作信号作为喂狗信号，一旦未在规定时间内喂狗，加电单机对未加电单机发送看门狗开机指令；

对应每个单机分别设置的电源监测开机电路；电源监测开机电路用于监测单机加电后单机的电源电压，一旦电源低于约定阈值该电路会对未加电单机发送开机指令；

对应每个单机分别设置的端口关机电路；端口关机电路用于对应的单机加电后，对其他单机发送端口关机指令；

对应每个单机分别串联设置的或门逻辑电路和反相驱动电路；或门逻辑电路和反相驱动电路用于间接开机或关机指令的发送；主机的开机或门逻辑电路的输入端分别接入对应的主机加电指令、看门狗开机指令和电源监测开机指令，开机反相驱动电路输出端输出主机的间接开机指令；主机的关机或门逻辑电路的输入端接入对应的端口关机指令，关机反相驱动电路输出端输出主机的间接关机指令；备机的开机或门逻辑电路的输入端分别接入对应的看门狗开机指令和电源监测开机指令，开机反相驱动电路输出端输出备机的间接开机指令；备机的关机或门逻辑电路的输入端接入对应的备机关电指令和端口关机指令，关机反相驱动电路输出端输出备机的间接关机指令；

分别设置在主机和备机各自的电源输入端的控制继电器；控制继电器包括控制端并联的间接控制继电器和直接控制继电器，对应单机的直接开关机指令接入到直接继电器的对应控制端；对应单机的间接开关机指令接入到间接继电器的对应控制端。

2.根据权利要求1所述的一种冷备份冗余星载计算机的加电切换控制***，其特征在于，整机加电电路包括串联的电源监测电路和反相器，电源监测电路的输入端分别连接主机电源和公共电源。

3.根据权利要求1所述的一种冷备份冗余星载计算机的加电切换控制***，其特征在于，看门狗开机电路包括串联的计数器、移位寄存器和三输入与非门；用于提供喂狗时间计数器的输入端连接喂狗信号；移位寄存器和三输入与非门用于根据喂狗信号得到对未加电单机的看门狗开机指令。

4.根据权利要求1所述的一种冷备份冗余星载计算机的加电切换控制***，其特征在于，电源监测开机电路包括串联的电源监测电路和单稳电路，电源监测电路的输入端分别连接公共电源和对应单机的电源。

5.根据权利要求1所述的一种冷备份冗余星载计算机的加电切换控制***，其特征在于，端口关机电路包括串联的D型触发器和与门；D型触发器的输入端分别接入对应单机的工作信号、I/O端口译码信号和复位信号。

6.一种冷备份冗余星载计算机的加电切换控制方法，其特征在于，包括，

a.进行初始化，给整机供电后，分别向主机发送主机加电指令，向备机发送备机关电指令；

b.监测整机中加电单机的I/O端口的读写操作，如果在设定时间内加电单机没有进行读写操作，则向未加电单机发送看门狗开机指令；

c.监测加电单机电源，如果加电单机电源低于门槛电压时，则向未加电单机发送电源监测开机指令；

d.当整机中任意一个单机加电后，均向其他单机发送端口关机指令；

e.步骤a中的主机加电指令，步骤b中看门狗开机指令和步骤c中对应主机的电源监测开机指令一同经或门逻辑电路和反相驱动电路处理得到主机的间接开机指令；步骤b中看门狗开机指令和步骤c中对应备机的电源监测开机指令一同经或门逻辑电路和反相驱动电路处理得到备机的间接开机指令；

f.步骤d中对应主机的端口关机指令经或门逻辑电路和反相驱动电路处理得到主机的间接关机指令；步骤a中的备机关电指令，步骤d中对应备机的端口关机指令一同经或门逻辑电路和反相驱动电路处理得到备机的间接关机指令；

g.单机的间接开关机指令与直接开关机指令并联后作为控制信号对该单机实现开关机控制。

7.根据权利要求6所述的一种冷备份冗余星载计算机的加电切换控制方法，其特征在于，步骤b中，通过看门狗电路实现对加电单机的实时监测，以加电单机的I/O端口的读写操作信号作为对应看门狗电路的喂狗信号，如果在设定时间内未完成喂狗，则向未加电单机发送看门狗开机指令。

8.根据权利要求6所述的一种冷备份冗余星载计算机的加电切换控制方法，其特征在于，步骤g中，各单机的电源输入端分别设置有控制端并联的直接控制继电器和间接控制继电器；各单机的控制信号中，间接开关机指令接入到对应的间接控制继电器，直接开关机指令并联后接入到对应的直接控制继电器中实现开关机控制。