武器裝備緊湊型PCI總線測控系統熱插拔冗余容錯技術研究

李丹，胡曉光

（北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，北京100191）

武器裝備緊湊型PCI總線測控系統熱插拔冗余容錯技術研究

李丹，胡曉光

（北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，北京100191）

在深入分析和研究國內外測控系統的高可用度容錯化研究現狀的基礎上，針對武器裝備測控系統中冗余容錯優化難以實現和測試的問題，提出了一種基于緊湊型PCI（CPCI）總線的高可用模式下熱插拔系統的解決方案。研制出一種可以測試熱插拔系統可靠性的半實物仿真平臺，來針對被控實體在熱插拔實驗系統里的可靠性進行驗證分析。結果表明，熱插拔熱冗余系統性能良好穩定。通過對高可用模式的熱插拔熱冗余系統的研究，實現了不同實體在熱插拔熱冗余系統下的可觀測性。

控制科學與技術；冗余；容錯；熱插拔；緊湊型PCI總線

0 引言

對于武器裝備系統而言，可靠性與穩定性是衡量其性能指標的重要環節，而總線系統及其附屬設備的可靠性與穩定性是上述內容的基礎與必要條件。

新時期武器測控任務對總線系統的要求越來越嚴格，應用于武器領域的大型測試系統對多冗余、多備份的系統級熱插拔技術一直有較大的應用需求［1-2］。具有高穩定性、高可靠性、可進行熱插拔的總線結構計算控制平臺已成為現代測控系統研制的必要前提，也是系統向高穩定性、高可靠性發展的必要條件。而在國內，熱插拔技術目前的研究主體還在于高校和研究所的課題項目，如哈爾濱工程大學針對電源系統的熱插拔技術作了深入研究［3］，利用分布式多電源系統并聯運行較好解決了單一電源輸出功率較高的問題。國防科技大學在如何將熱插拔技術應用于服務器系統使之能夠迅速從故障狀態恢復，做了一些卓有成效的工作［4］，研究者在麒麟（KYLNI）操作系統下研究并實現了一種設備子系統的維修機制，大大壓縮外設故障的修復時間，但上述兩例的應用還局限在工業現場自動化測控系統，而在武器裝備測控系統中的發展水平尚有欠缺。近年來基于標準Compact PCI（緊湊型PCI總線，簡稱CPCI，能夠被PXI兼容）總線的通用測控信號處理系統越來越受到人們的青睞，尤其是在武器領域，更是占據了重要的地位。但是對于武器測控系統而言，CPCI總線熱插拔技術的應用還處于尚不成熟的階段，少數具有熱插拔功能的設備，其所應用的熱插拔技術也還局限于完全熱插拔的中等階段，就整體而言，也還沒有完成從基本熱切換技術向完全熱插拔的過渡過程，而熱插拔等級最高的高可用模式是該項技術的必然方向發展。

本文提出的基于高可用模式下熱插拔容錯優化解決方案，可以從以下兩方面同時加強系統可靠性:

第一、提高組成單元本身可靠性，增強系統測試性、維修性。對于CPCI武器裝備測控系統的各個分系統及其附屬設備而言，大多數應用設備都屬于可維修設備，熱插拔技術在絕大多數情況下可應用于設備級別的熱插拔與熱替換，當武器裝備測試與控制任務進行過程中發生設備故障時，可實現重要設備的快速更換、快速恢復。以高可用模式的熱插拔技術為基礎，發展而成的多機熱備份技術則能夠支持所在分系統的故障隔離，通過該技術增強測試性與修復性，進而提高容錯能力，從而提高分系統的安全穩定性。

對于整體系統而言，各個分系統之間通過共享數據交換接口（相當于前者中分系統的總線接口）完成數據的熱備份，當某個冗余分系統出現故障時，系統自動診斷故障位置并做故障隔離（相當于前者中對設備進行的熱插拔與熱替換處理），由此一來，通過更高級別的熱插拔與熱備份應用，實現冗余系統的集成，實時為預先設定的重要數據進行熱備份保障，通過多機熱冗余的技術手段提升系統容錯能力，為系統提供故障診斷、故障隔離以及快速修復的功能，從而為系統整體提高可靠性與穩定性。

第二、增強冗余系統一體化設計，有效增強系統可靠性。對于CPCI系統而言，在實現獨立設備的高等級熱插拔技術基礎之上，可以在設備間、甚至是系統間設計并實現熱備份、熱冗余的系統結構，從而增強系統整體的容錯能力。

出于對上述技術應用前景及武器測試系統的高穩定性需求，本文以基于CPCI總線的武器測試系統熱插拔技術為重點研究內容，具體探索用于提高系統可靠性與靈活性的熱插拔熱冗余技術實現與應用方法。

1 高可用熱插拔測控系統總體設計

圖1為高可用模式熱插拔及熱冗余測控系統及其半實物仿真驗證系統整體結構圖。該系統主要分為三大部分:基于CPCI總線的高可用模式熱插拔硬件系統、配套軟件系統、半實物仿真平臺。

該設計采用的CPCI熱插拔技術有效地限制了板卡、外設從帶電背板插拔出時產生的瞬間浪涌電流，解決了因熱插拔導致燒壞器件、背板電源電壓瞬時跌落等問題，為板卡、外設的熱插拔應用提供了有效的控制和保護。同時可以使用戶在不影響系統或者暫停主系統運作的同時完成升級、更改、添加功能模塊［5-6］。但它的實現給系統提出了較為復雜的結構要求，在具體設計時需要注意物理層、硬件層以及軟件層的協調配合:物理層需要確保在進行熱插拔的動作過程中電路結構的絕對安全，需要采取多種安全措施以確保全面預防浪涌電流或靜電瞬時放電損壞測試設備；硬件層需要確保穩定、平緩控制多路不同電源的基礎架構的安全性，做到電源之間的隔離與穩定控制，熱插拔時需對驅動電源進行隔離緩沖處理［7］，可采用金屬-氧化層-半導體-場效晶體管（MOSFET）器件來實現；至于軟件層面，操作系統需要具有即插即用功能、能夠隨時根據需要配置、協調整合系統資源的核心功能。

圖1 系統整體結構圖Fig.1 Overall structure of system

2 熱插拔接口與安全保障策略

根據熱插拔系統性能和主要功能的不同，CPCI熱插拔技術規范為模塊板卡和系統平臺定義了不同的熱插拔級別，即非熱插拔系統、基本熱插拔系統、完全熱插拔系統和高可用熱插拔系統。

基本熱插拔系統指的是系統支持物理和硬件連接過程，而軟件方面要由操作人員來處理。完全熱插拔系統是支持物理層次、硬件和軟件層次的連接過程，在這種系統中，在板卡接口處設有一個微動開關，在插入和拔出時必然會被觸發并向主機處理器發出信號。而高可用熱插拔系統是在完全熱插拔系統的基礎上，針對模塊的熱插拔實現更高層次的控制。在這一模式中，既包括了機械層面與硬件控制層面上的熱插拔內容，同時還支持由軟件自身主導進行的冗余器件更換。例如，系統中某一工作模塊出現故障，軟件在訪問失敗后自動將其與總線系統隔離，同時啟動冗余的備用模塊來代替原有模塊的工作。本文實現的是高可用熱插拔模式。

在熱插拔系統中，CPCI板卡插入機箱的過程首先是一個機械連接過程，如圖2所示。在機械連接的過程中，插入模塊時先需要對板卡進行靜電放電，然后進行信號管腳的預充電，等預充電完成后總線信號針才能完成連接，最后是IDSEL，BD_SEL連接上，其間間隔約為5～6 ms，拔出過程則與此相反。預充電過程是為了減小熱插拔模塊在拔插動作進行過程中，由于等效電容效應存在，而對總線數據和控制信號產生沖擊，必須采取措施防止這種由瞬時電流對總線信號產生的負面影響；此后是硬件層的連接，包括硬件設備與背板CPCI總線連接和斷開，直到模塊自身的初始化、加載配置空間數據等；最后由上位機進行軟件層的配置，分配相應內存空間并將資源映射到操作系統當中。

考慮到在硬件層基礎上通用接口需實現熱插拔功能，CPCI的連接器采用不同與常規的如圖3示的分級針腳，可使得設備模塊被插入或拔出機器插槽時各引腳都按照一定的順序與系統連接或斷開，完成接口的功能。分級引腳的長度包括長、中、短3級，其中電源、地引腳使用長引腳，中引腳接入CPCI信號，最短的引腳針用來接入信號使能該模塊。當模塊插入時，電源、地線引腳首先連通，由熱插拔控制器對設備模塊進行預充電，然后是使用中引腳與機箱系統背板上的總線接通，最后是短引腳的使能信號接通，并由此向系統發出使能信號，系統可以識別到有一新設備已經插入系統，進而開始對其進行初始化配置。當模塊拔出時，執行與上述相反的過程。

同時還需配置靜電條來保護熱插拔模塊在帶電拔插入過程中免遭靜電沖擊而造成設備損壞。最后，通過采用電源軟啟動策略來緩沖瞬時電流，緩沖電源開啟關閉的速率，防止浪涌電流的產生以及對系統總線的損害。

圖2 板卡熱插拔的物理連接過程示意圖Fig.2 Physical connection process of hot-swap board

圖3 CPCI連接器長短針結構示意圖Fig.3 Long and short pins of CPCI connector

3 熱插拔熱冗余系統的軟硬件設計

為了實現熱插拔，需要總線電氣特性、主板BIOS、操作系統和設備驅動得到技術的支持，從而滿足符合以上特定的環境。在操作系統方面，盡管從Windows 95開始就支持即插即用，但對于熱插拔支持卻很有限，直到NT 4.0開始，微軟開始注意到NT操作系統將針對服務器領域，而這個領域中熱插拔是關鍵的技術，因此操作系統中就增加了完全的熱插拔支持，并且這個特性一直延續到基NT技術的Windows 2000/XP操作系統，所以只要使用NT4.0以上的操作系統，熱插拔方面操作系統就提供了完備的支持。在驅動方面，目前針對Windows NT，Novell的Netware，SCO UNIX的驅動都把熱插拔功能整合了進去，只要選擇針對以上操作系統的驅動，就可以解決實現熱插拔的設備驅動問題。

通常來說，一個典型的完整的熱插拔系統包括熱插拔系統的硬件模塊，支持熱插拔的軟件和操作系統，支持熱插拔的設備驅動程序和支持熱插拔的用戶接口［8］，如圖4所示。

圖4 插拔系統結構示意圖Fig.4 Structure diagram of hot-swap system

3.1 熱插拔系統硬件結構

在典型的熱插拔系統中，較為常見且應用廣泛的熱插拔硬件設備為各種功能的板卡。對于板卡來說，其硬件結構主要包括三部分:熱插拔電源管理模塊，熱插拔邏輯控制模塊和外部功能模塊，如圖5所示。

圖5 熱插拔板卡硬件結構Fig.5 Hardware architecture of hot-swap card

熱插拔電源管理模塊主要由熱插拔控制器組成，負責管理系統總線、電源、復位功能等，該模塊需具備以下功能:1）過壓保護及短路保護；2）具有故障隔離功能；3）帶POWER GOOD和過流指示；4）具有電流檢測電阻；5）具有較強驅動能力的MOSFET驅動器；6）能提供準確穩定的基準電壓。這些功能共同保證了熱插拔控制器對于熱插拔設備的保護作用。

目前常用的熱插拔控制器通常有3種:LT1643、ADM1177和MIC2580，而熱插拔規范中規定，為了防止處于激活狀態的背板總線受到干擾，熱插拔控制器需要能夠對數據總線的I/O接口進行提前的預充電，使其預充電電壓達到1.2 V左右，這樣在總線接入或斷開時造成的沖擊會得到有效的減少。在上述3種集成電路中，前兩種都不具備預充電的功能，因此選擇美國MICREL公司出品的MIC2580作為熱插拔控制器，此集成電路專為基于PCI、Compact PCI總線結構設計，并配合以MOSFET完成控制過程，通過緩慢減小或擴大N溝道MOSFET的導通電阻限制浪涌電流，當板卡接入時控制器緩慢增強MOSFET的柵極驅動，由此漏極電壓從0 V開始緩慢上升，同時配置了采樣電阻檢測電源電流，當電流過大時，在采樣電阻上的壓降達到50 mV以上，熱插拔控制器即判斷過流，隨后切斷所有電源，即可以防止過大電流損傷板卡器件。

當電源上接入較大容性負載時，可通過CSLEW引腳連接的外接電容可以設置電流開啟和關閉的速率限制，以此防止突然出現的浪涌電流對電路造成影響，當監測電壓狀態無異常時控制器由PWRGD和FAULT端口向邏輯控制器發出電壓電流正常信號，MIC2580內部集成溫度控制器，當電路中出現過流或過熱現象時都會自動切斷電源，同時FAULT引腳會被拉低，以此報告電路故障，實現熱插拔過程和使用過程中電路和設備保護的功能。

熱插拔邏輯控制模塊的主要功能是為了實現對總線接口的邏輯控制，同時為外部應用電路預留控制端口。通常在設計時，選用合適的現場可編程門陣列（FPGA）或高速數字信號處理器（DSP）作為邏輯控制器，實現時鐘配置，對系統總線時序進行有效訪問。

外部功能模塊實現板卡的特定功能需求，如I/O輸入輸出、高速數據采集、圖像傳輸等。

3.2 熱插拔系統軟件結構

考慮典型熱插拔系統的硬件結構，主機上選擇Windows操作系統以便更好地設計友好的人機界面，而Windows本身不是一個實時性操作系統，針對航天領域通常要求測試系統具有實時性的特性，考慮從機上采用嵌入式操作系統如VxWorks、Linux、 QNX等等，以滿足整個系統對實時性的要求。例如對于一個半實物仿真系統來說，測試程序人機界面部分可以運行于Windows操作系統，仿真算法則可以運行于實時性較強的嵌入式系統，并以嵌入式系統為中心，形成半實物仿真系統的閉環鏈路。該典型系統將同時采用Windows和嵌入式操作系統，使熱插拔系統的軟件設計更具有代表性，為研制新項目作充分的設計依據。其軟件結構如圖6所示。

但是典型的熱插拔系統，特別是在一些對實時性和穩定性要求較高的應用場合，如航天測試領域，經常會遇到下位機必須工作在嵌入式系統（如運用較多的VxWorks和Linux操作系統）的情況，雖然Windows系統在早期版本中就已經添加了支持熱插拔的功能，而這些嵌入式操作系統往往只具有較為簡單的文件系統和硬件驅動功能，從系統本身來說并不支持熱插拔技術，這成為開發典型熱插拔系統的一個急需解決的問題。下面以開源操作系統Vx-Works為例介紹修改嵌入式系統源代碼，進行功能擴展，實現支持CPCI板卡熱插拔功能的方法。

在主板硬件和操作系統之間存有一層BSP，它叫做板極支持包。應該說BSP是屬于操作系統的一部分，主要目的是為了支持操作系統，使之能夠更好地運行于硬件主板。對于不同的操作系統對應于不同定義形式的BSP，例如VxWorks的BSP和Linux的BSP相對于某一CPU來說盡管實現的功能一樣，可是寫法和接口定義是完全不同的，所以寫BSP要按照特定系統BSP的定義形式來寫，這樣才能與上層操作系統保持正確的接口，來良好的支持上層操作系統。VxWorks系統默認BSP中的CPCI驅動并不支持硬件板卡的熱插拔功能，因此必須對其進行改造。這包括如下部分:

1）改造BSP中對CPCI的初始化，讓原有BSP處理除CPCI插槽上設備以外的其他CPCI設備；

2）改造中斷鏈管理，使其能夠有選擇地增加或者摘除中斷服務程序；

3）增加對熱插拔設備的驅動部分，這其中包括對CPCI設備的動態檢測，板卡新插入，板卡拔出的管理。

4 可觀測半實物平臺的搭建

建立半實物仿真平臺的主要目的是測試測控系統的雙卡熱插拔熱冗余功能特性，選擇某武器裝備測控系統磁盤存儲設備的驅動閉環控制系統模型作為受控對象范例進行仿真分析，在DSP內寫入控制系統模型的程序。半實物仿真平臺硬件以DSP為核心，在機箱內插入兩塊相同的CPCI板卡，一塊處于工作中（主卡），另一塊處于熱儲備中（備卡），系統主卡在采集到數據后，由數字量上行通道獲取模擬結果數據，并利用MATLAB采集繪制出波形。實驗期間進行CPCI板卡的插拔操作，同時觀察輸出波形。

圖6 熱插拔系統軟件結構Fig.6 Software architecture of hot-swap system

實驗采用如圖7所示的閉環控制系統。

圖7 磁盤驅動閉環控制系統示意圖Fig.7 Schematic diagram of hard disk drive control system

4.1 驅動系統的理論數學模型

讀寫臂由電磁力驅動。讀寫臂轉角y與驅動力矩M之間的動態關系為

式中:J是轉動慣量；b是摩擦系數。力矩由音圈電機產生。電磁力矩與電機電樞的關系，電流與電壓、轉速的狀態方程分別為

式中:I和U分別是電樞電流和電壓；Ra和La分別是電機的電樞電阻和漏電感；Km是電機常數。音圈電機的電壓由含功率放大的PID控制器供給，關系為

式中:誤差信號e=r-y，r和y分別是磁頭的期望位置和實際位置；KP、KI、KD分別為PID控制器的比例、積分、微分增益。

4.2 數學模型的整理和改寫

為借助積分模塊構建閉合系統方便，對（1）式和（3）式進行整理可寫出

5 功能測試與仿真分析

5.1 熱插拔控制器的功能測試

當熱插拔控制器上的ON引腳得到復位指令信號后，隨著CSLEW引腳連接電容的充電，5 V和3.3 V電源相應MOSFET的門極控制端也同步充電，電位抬升，圖8所示為理論上3個引腳的抬升速率，當配置電容為0.03 μF時，上升時間約為10 ms.

圖8 理論門極控制端充電示意圖Fig.8 Schematic diagram of charging of theoretical gate control end

圖9所示為實際測試過程中記錄下來的熱插拔門極控制信號5VGATE和3VGATE的電源開啟波形記錄，門極控制端上升時間約為30 ms，CSLEW= 0.1 μF條件下，與datasheet文檔中給出的0.03 μF相比，上升時間減緩了3倍，恰與電容值之比相同，驗證了門極開啟速率可控的功能。

圖9 ON#信號觸發下的門極控制端信號Fig.9 Signal of gate control end triggered by ON#signal

為驗證熱插拔技術而研發的CPCI設備板卡中使用了PCI9054芯片具有熱插拔friendly級別的支持技術（測試環境為Windriver 10.0），可通過操作熱插拔控制寄存器HS_CTL操作相關功能，如LEN_ IN/ON，ENUM中斷等重要信號的控制與監測。

5.2 系統冗余工作測試

構建CPCI熱插拔系統的目的是通過構建多重備份來增加系統的可靠性，即為構建一個冗余系統。實驗時在機箱內插入兩塊相同的16路IO板卡，一塊處于工作狀態（主卡），另一塊處于熱儲備狀態（備卡），如圖10所示。

圖10 CPCI總線測試平臺Fig.10 CPCI bus test platform

編寫程序，讓系統每隔1 s讀取FPGA寄存器內的固定數值（0x4729），并讓其結果顯示在上位機的操作界面中，如圖11所示。

圖11 主卡工作狀態圖Fig.11 Working state of main card

為了驗證這個冗余系統的可靠性，在主卡正在進行讀數過程中，模擬主卡發生故障的情況，將主卡突然拔出機箱，系統監測到主卡發生故障，主卡被安全移除，立即啟用備卡接替主卡工作?？捎^測到備卡工作狀態正常，讀取數據正確，對板卡的拔出動作并沒有對讀數工作造成任何影響。由于之前主卡讀取數據后，已將數據及時上傳，故啟用了備用板卡后，跟原先的主卡一直工作沒有區別，如圖12所示。

再次將主卡插入機箱，模擬正式工作中對板卡檢修完畢，讓主卡繼續工作的場景。主卡可立即被系統識別，接替備卡繼續工作，讀數正確，如圖13所示。

通過以上實驗，證明該系統符合熱冗余系統的標準，運用該系統，可增加系統的可靠性。

5.3 熱插拔控制器的半實物平臺仿真

在完成了硬件系統制作和軟件測試平臺搭建后，進行了整體系統的聯調測試，通過測試可知系統整體達到了預期的目標，能夠通過TCP/IP協議，經由網絡啟動并控制Vxworks系統，并管理下位機上的板卡設備；對板卡設備可以隨時進行熱插拔動作，能夠保證安全穩定操作；通過測試驗證了熱冗余的功能，即可以自動保存硬件接口上的信息，在重新接入時確保自動恢復?，F采用半實物仿真平臺驗證熱插拔與熱冗余效果，根據一般情況，按照表1的額定參數。

圖12 備卡接替工作Fig.12 Standby card taking over main card

圖13 主卡恢復工作Fig.13 Main card returning to work

表1 驅動閉環控制系統的參數Tab.1 Driving parameters of closed-loop control system

將第4節介紹的模型寫入半實物平臺DSP芯片中，實驗過程中改變寫入模型中的電樞電阻和電樞漏電感值，然后通過數字量上行通道獲取磁盤驅動控制系統模擬結果數據，并利用MATLAB采集繪制出響應波形，在運算處理過程中對主卡進行熱插拔動作，觀察波形可知熱插拔動作未對數據采集造成影響，如表2所示。實驗結果表明，模型系統響應波形與理論分析一致，測試系統的熱冗余工作能力良好。

表2 模型設置不同參數值時的閉環系統響應Tab.2 Closed-loop system response model with different parameter values

6 結論

1）通過實驗研究，分析了3種熱插拔技術實施過程，擬定高可用模式熱插拔熱冗余技術的實現方法與應用方案，確定多種保障設備熱插拔動作安全的設計措施，確定熱冗余技術的實現策略與應用形式，并在上述基礎之上，提出高可用模式熱插拔與熱冗余技術實物仿真驗證平臺系統的設計方案，其中包括高可用熱插拔等級的設計與制作方案。

2）根據上述過程中提出的設計方案，進行設備的設計制作，對于設備電源的熱插拔管理做了驗證性實驗，測試了板卡的冗余特性，以確保設備使用的安全性、穩定性與可靠性。

3）設計制作并集成的高可用模式熱插拔與熱冗余實物仿真驗證平臺系統，結合具體設備功能與仿真控制效果，進行全方位的功能測試與功能驗證，測試系統的可靠性，形成熱插拔與熱冗余技術實物仿真平臺測試結果。

本文的設計思想、應用方法與技術既可以應用于相關設備的改造升級，也可以在更高級別的整體系統設計中得到應用。

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Hot-swap Modular Redundancy and Fault Tolerant Technology for CPCI Measurement and Control Systems of Weapon Equipment

LI Dan，HU Xiao-guang
（School of Automation Science and Electrical Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）

The status of domestic and abroad researches on high-availability fault tolerance of measurement and control systems is analyzed，and a design of high-availability hot-swap based on compact PCI（CPCI）bus is proposed to solve the problems in applying and testing the modular redundancy and fault tolerance in the measurement and control systems of weapons.A semi-physical simulation platform that could test the hot-swap and hot-redundant systems is developed to verify and analyze the reliability of a controlled object in experimental hot-swap systems.The result shows that the system is stable and excellent.The observability of different objects in hot-swap and hot-redundant systems is achieved by studying the high-availability hot-swap and hot-redundant systems.

control science and technology；redundancy；fault tolerance；hot-swap；compact PCI bus

TP23

A

1000-1093（2015）07-1247-09

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.07.013

2014-07-03

航空科學基金項目（2013ZD51052）；總裝備部預先研究重點項目（9140A19010614HK01）

李丹（1986—），男，博士研究生。E-mail:lidanbuaa@sina.com；胡曉光（1961—），女，教授，博士生導師。E-mail:xiaoguang@buaa.edu.cn