任務管理計算機系統余度軟件關鍵技術研究

郭勇 段海軍 馬倩 王亮

[摘要]本文對任務管理計算機系統結構進行了介紹，根據系統構型，提出了軟件容錯機制要求，劃分軟件功能形成系統軟件總體設計方案。對軟件總體設計進行了描述，并對軟件設計中的關鍵技術進行研究，重點分析了雙握手同步、交叉傳輸設計、數據表決與數據監控四個方面，為實現系統容錯軟件提供了解決方案。

[關鍵詞]熱備份；容錯；余度技術；余度管理軟件

Abstract：Based on the discussion on the system architecture of Mission Management Computer，the applicable redundancy scheme was introduced in this paper.The key technologies of redundancy management software was then discussed thoroughly in this paper， the application of these key technologies in engineering practice was also included.

Key Word：Hot backup； Error Tolerances；Redundancy technology； Redundancy managements of tware

引言

1）任務管理計算機系統（MMC）的主要功能包括航電分系統狀態、航電分系統工作模式、系統故障處置、任務規劃數據加載等功能[1]。受到體積、功耗、重量及基礎研究水平的限制，早期任務管理計算機沒有余度概念，其容錯能力較差、故障檢測模式單一、故障檢測率較低，任務管理計算機的故障也會直接導致每次飛行任務的失敗[2]。

2）基于對任務系統可靠性和容錯性的要求，研究在小低輕、高空、長航時、高安全前提下，仍能保持任務管理功能的冗余架構方法是必要的[3]。本文即針對高空長航時任務管理計算機可靠性指標要求，運用余度技術研究了雙余度分級余度計算機，設計實現了任務管理計算機系統余度軟件，提高系統可靠性。

1、系統概述

1.1雙余度任務管理計算機系統概述

雙余度任務管理計算機采用同構型雙通道主備兼容錯結構，每個通道可以獨立的實現任務管理功能。任務管理計算機作為任務分系統的核心處理器，主要完成航電分系統的控制與管理，航電系統任務分配，同時作為GJB289A總線的控制器，完成總線信息調度與傳輸。

1.2系統軟件概述

1.2.1任務管理計算機采用雙余度配置，雙余度通道工作方式為主備工作方式，雙通道同時工作，正常時由主通道輸出，主通道故障時切換到備份通道輸出，滿足系統一次故障工作要求。根據任務管理計算機的結構及功能，將任務管理軟件分為三部分，見圖2.

1.2.2三部分軟件的對應的產品功能為：

a.任務管理軟件：此部分軟件實現航電分系統的控制與管理功能，包括航電分系統狀態，航電分系統工作模式、系統故障處置、任務規劃數據加載等。

b.余度管理軟件：此部分軟件作為航電管理軟件的開發平臺，選用VxWorks操作系統，主要實現產品的自檢測、余度管理、故障檢測等功能。

c.BIM軟件：此部分軟件實現成品技術協議中的接口管理功能包括外部輸入輸出接口管理及內部ARINC659總線的收發功能。

1.3余度管理軟件主要通過ARINC659總線接收BIM模塊的數據，對數據進行表決監控，將表決結果提供給任務管理軟件，同時接收任務管理軟件的輸出指令將輸出指令通過ARINC659總線發送給BIM模塊。本文主要介紹余度管理軟件的設計。

2、余度管理軟件總體設計

1）雙通道任務管理計算機軟件每通道運行相同任務：初始化、同步、數據采集、余度管理、航電任務處理、故障處理、數據輸出和BIT等幾個重要的環節。任務管理計算機開機初始化后，進入同步程序。同步程序就是讓雙通道計算機同時開始運行，保證通道計算機采集的是同一任務周期的數據，并且輸出結果也是同一任務周期中計算出來的。這是其他任務的基礎，只有通道機采集的是同一任務周期數據，才能保證后面的交叉傳輸和數據比較的正確。在完成了同步程序后，通道計算機就可以同時進行采集數據，數據交叉傳輸，數據比較監控，再表決出一組航電應用軟件需要的數據，進行應用的運算；并將輸出的數據進行比較，輸出。這樣就完成了一個任務周期的雙余度任務。

3、余度管理軟件關鍵技術實現

3.1余度設計與余度管理是提高計算機系統容錯能力、可靠性和安全性的手段

通過在線信號監控可以及時發現系統故障模塊；通過同步技術可以保證各冗余模塊間保持步調一致地工作，在“某一時刻”同時完成同一任務的某個基本動作。通過故障的隔離、切換來實現故障的處理；通過監控、表決輸入輸出信號來選擇信號。這些都是實現容錯與高可靠性的手段。

3.2余度管理技術主要研究的內容包括以下方面：

1） 同步、交叉傳輸技術；

2） 數據表決和數據監控；

3） 故障監控隔離技術；

3.3雙通道同步設計

在任務管理計算機系統中，各計算機運行相同的計算任務，將計算結果進行比較、表決，從而達到提高整個余度飛行控制計算機可靠性的目的。為保證各飛行控制計算機在比較、表決時的數據是同一次計算的結果，以維持計算數據的一致性，就必須同步，使各飛行控制計算機在同一段時間內運行相同的計算任務。

本系統中計算機同步的過程是在系統同步程序的管理下，通過專用同步信號線，完成雙通道之間的同步。包括初始同步和周期同步。初始同步上電進行周期任務之前進行；周期同步則在每個任務周期開始都會進行一次。同步算法采用握手方式：任務計算機開始同步后，輸出一個邏輯高同步離散量，然后在限定時段內查詢另外通道響應邏輯高，在握手成功后，再輸出一個邏輯低，讀另外通道是否輸出低，若成功則雙通道均保持同步離散輸出為邏輯低。同步算法流程圖如圖1。

3.4數據交叉傳輸設計

數據交叉傳輸通道是雙余度任務管理計算機互相通訊的通道，本設計中交叉傳輸功能由ARINC659總線的“窗口”實現，數據采集功能由BIM模塊完成，BIM模塊完成數據采集后，通過ARINC659總線將采集的數據進行網絡廣播。CPM模塊通過659窗口可以獲得本通道BIM采集的數據和外通道BIM采集的數據，根據刷新標來判定該數據是否為有效數據，以這種方式來實現不同通道數據的交叉傳輸。

3.5數據輸入輸出表決設計

輸入與輸出表決監控是對計算機所采樣的雙通道數據進行表決與監控。計算機的所有接口信號均是雙余度的，輸入輸出表決監控包括離散量輸入比較監控、模擬量輸入比較監控、數字量輸入比較監控。

a.離散量輸入表決監控實現的方法為：對A/B通道輸入的離散量進行全同比較，如果比較一致，表決值取A通道；如果比較出現不一致，表決值取上拍歷史值。

b.模擬量輸入表決監控實現的方法為：對A/B通道輸入的模擬量兩信號求差，差值的絕對值與門限值0.5V進行比較，如果差值在門限內，表決值取兩信號均值；如果超限，表決值取上拍歷史值。

c.數字量輸入表決監控實現的方法為：對A/B通道輸入的數字量RS422輸入信號進行還原，對還原后的離散量和模擬量進行表決。

3.6故障監控設計

1） 故障綜合是將任務管理計算機系統的故障狀態及飛控計算機自身的故障進行統計綜合，并將故障信息進行編碼和存儲。它包括故障記錄和故障申報。

2）當任務管理計算機系統雙通道采用互監控方式對每一拍的采集數據進行故障判斷，并進行故障紀錄，當發生瞬態故障時，對該故障類型瞬態故障計數加1，并判斷該計數值是否大于永久故障門限，若該計數值已經大于門限值，就認為該路數據發生永久故障，進行相應的故障處理。同時任務管理計算機還需要進行自身狀態的監控，若出現錯誤，則仍按照上面描述的方法進行故障處理。

4、結束語

本文以雙余度任務管理計算機為背景，研究設計余度管理軟件，并獲得應用。工程實際應用結果表明，MMC實現可靠性指標滿足設計要求，所設計的余度管理軟件能夠保證任務管理計算機間數據的可靠傳輸。

參考文獻

[1]牛文生.機載計算機發展的現狀和趨勢[J].計算機科學，2006.vol1，33，231-232

[2]潘計輝，張盛兵，張小林，張小靜.三余度機載計算機設計與實現[J].西北工業大學學報，2013.10，798-802

[3]柳孔明，徐宏哲，黃俊.三余度飛控計算機架構及其可靠性研究[J].現代電子技術，2012.06：103-106

[4]Dominique， Britxe， Pascal Traverse. AIRBUS A320/A330/A340 Electrical Flight Controls， A Family of Fault-Tolerant Systems[R].IEEE 1993，616

[5]Greg Loegering， David Evans.THE EVOLUTION OF THE GLOBAL HAWK & MALD AVIONICS SYSTEMS[R]，IEEE 1999.06

作者簡介

郭勇（1986-11-）男，陜西西安人，工程師，主要研究方向為機載大規模嵌入式軟件研究.