一種航天光纖總線的交換單元熱備份方法

張 瑩，肖練剛，張繼生，田 豐，周 華

(北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100084)

【信息科學(xué)與控制工程】

一種航天光纖總線的交換單元熱備份方法

張 瑩，肖練剛，張繼生，田 豐，周 華

(北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100084)

為了提高航天應(yīng)用中交換式光纖總線的可靠性，保證數(shù)據(jù)的正確實(shí)時(shí)傳輸，針對(duì)在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中處于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的交換單元，提出了一種熱備份冗余方法。該方法采用了兩個(gè)硬件結(jié)構(gòu)完全相同的交換單元，通過硬件冗余和FPGA的軟件可編程模塊實(shí)現(xiàn)故障檢測、故障隔離、通道切換與故障報(bào)警等功能。通過Quartus的仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的可行性，具有很強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。

光纖；交換單元；熱備份；高可靠性；冗余

在航天領(lǐng)域中，交換式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光纖總線憑借其高帶寬，質(zhì)量輕，低延遲，低誤碼率，抗干擾能力強(qiáng)，可連接的設(shè)備多等優(yōu)勢已經(jīng)得到應(yīng)用。在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，處于中心位置的交換單元擔(dān)負(fù)著單機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的樞紐任務(wù)。交換單元一旦發(fā)生故障，將對(duì)整個(gè)總線系統(tǒng)造成巨大影響。為了保證總線系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，保證數(shù)據(jù)正確實(shí)時(shí)傳輸，需要提高總線交換單元的可靠性。

提高可靠性需要從兩個(gè)方面考慮，即故障預(yù)防和故障容錯(cuò)[1]。故障預(yù)防是選擇可靠性高的元器件，在一定程度上抑制故障的產(chǎn)生[1]。故障容錯(cuò)是指系統(tǒng)在出現(xiàn)一定的運(yùn)行性故障時(shí)，能依靠系統(tǒng)內(nèi)部的能力保持系統(tǒng)連續(xù)正確地執(zhí)行各個(gè)功能[2]。容錯(cuò)技術(shù)的實(shí)質(zhì)是利用冗余思想屏蔽故障，降低系統(tǒng)的失效率。如在總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的1553B總線中采用的熱備份冗余技術(shù)是采用一套完全一樣的鏈路進(jìn)行備份，主鏈路故障時(shí)切換到備用鏈路[3]；在交換式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的AFDX中采用網(wǎng)絡(luò)雙冗余的“熱備份”方式，避免了單一網(wǎng)絡(luò)的故障[4]。

目前交換式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光纖總線還沒有使用冗余熱備份，本文針對(duì)其進(jìn)行了交換單元的冗余熱備份設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)主要采用了兩個(gè)硬件結(jié)構(gòu)完全相同的交換單元來實(shí)現(xiàn)故障檢測，故障隔離，通道切換與故障報(bào)警等功能。

1 交換單元熱備份系統(tǒng)基礎(chǔ)簡介

1.1 交換單元熱備份系統(tǒng)的主要概念

交換單元的熱備份系統(tǒng)屬于一種集群[5]，集群是指一組相互獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)為單一的系統(tǒng)，并以單一的形式進(jìn)行管理。這些節(jié)點(diǎn)擁有一個(gè)共同的名字和任務(wù)，節(jié)點(diǎn)之間可以協(xié)調(diào)管理，屏蔽故障。具有高擴(kuò)展性，高可用性，高性能，高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。

交換單元的熱備份系統(tǒng)又是一個(gè)簡單的并聯(lián)系統(tǒng)。A/B通道都正常時(shí)屬于雙冗余狀態(tài)，A/B通道只有一個(gè)工作時(shí)屬于單通道狀態(tài)。A/B通道都故障時(shí)系統(tǒng)崩潰。

1.2 熱備份系統(tǒng)的可靠性分析

因?yàn)闊醾湎到y(tǒng)為簡單并聯(lián)系統(tǒng)，可用Kaufman A等提出的組合模型[6]來分析系統(tǒng)的可靠度。系統(tǒng)正常工作有3種情況：① 兩個(gè)交換單元節(jié)點(diǎn)都工作正常。②A交換單元工作正常，B有故障并且能夠被監(jiān)測定位。③B交換單元工作正常，A有故障并且能夠被監(jiān)測定位。系統(tǒng)的可靠性為

R(t)=R1(t)R2(t)+R1(t)(1-R2(t))C2+

R2(t)(1-R1(t))C1

(1)

其中：R1(t)、C1分別表示交換單元A的可靠度、故障覆蓋率；R2(t)、C2分別表示交換單元B的可靠度、故障覆蓋率。

若A/B的可靠度和故障覆蓋率完全一樣，R1(t)=R2(t)=Rm(t)且當(dāng)C1=C2=1時(shí)，式(1)化為

R(t)=1-(1-Rm(t))2

(2)

假設(shè)一個(gè)交換單元節(jié)點(diǎn)的可靠度為

Rm(t)=exp(-1.238×103t)

(3)

則系統(tǒng)可靠度化為

Rm(t)=1-(1-exp(-1.238×103t))

(4)

雙冗余系統(tǒng)和無冗余系統(tǒng)的可靠性曲線如圖1所示。如此可見雙冗余熱備份系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

2 交換單元熱備份系統(tǒng)架構(gòu)方案

該系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立的硬件結(jié)構(gòu)完全相同的節(jié)點(diǎn)組成。主備同時(shí)接受外部數(shù)據(jù)，又同時(shí)不斷更新本節(jié)點(diǎn)和對(duì)方節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，進(jìn)行狀態(tài)的監(jiān)督和判斷。在主交換單元硬件或者軟件發(fā)生故障時(shí)，能夠及時(shí)檢測定位，并能自動(dòng)實(shí)時(shí)切換成備用交換單元，保證整個(gè)總線的數(shù)據(jù)傳輸不中斷，繼續(xù)完成正常的任務(wù)要求。

主備交換單元之間有專門的通信通道，是輔助兩個(gè)通道的冗余配置，保證整個(gè)總線系統(tǒng)的正常工作。通過該通道可實(shí)現(xiàn)主/備的角色確認(rèn)、切換及狀態(tài)和數(shù)據(jù)同步等。

圖2 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

2.1 交換單元的硬件結(jié)構(gòu)方案

節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)參與實(shí)現(xiàn)主備的切換控制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括以下3個(gè)部分：

1) AVAGO的光電模塊AFBR57R5APZ，光電模塊實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換功能，此光電模塊采用850 nm波長的短波，可以實(shí)現(xiàn)全雙工的數(shù)據(jù)收發(fā)。

2) TI的串并轉(zhuǎn)換芯片TLK3132。該芯片進(jìn)行串并/并串轉(zhuǎn)換，同時(shí)實(shí)現(xiàn)8B/10B編解碼。

3) ALTERA的FPGA芯片EPC4CGX50DF27I7，F(xiàn)PGA是實(shí)現(xiàn)交換和冗余功能的主要芯片。其中除了FPGA主備之間的數(shù)據(jù)通信，狀態(tài)指示(主備角色指示信號(hào)和心跳信號(hào))，實(shí)時(shí)切換模塊外，剩余的模塊是完全獨(dú)立的。

2.2 交換單元的FPGA邏輯設(shè)計(jì)要點(diǎn)

實(shí)現(xiàn)主備切換主要有以下4點(diǎn)設(shè)計(jì)原則：

1) 主/備交換單元確認(rèn)：上電時(shí)，通過讀取板上Flash里存儲(chǔ)的諸元數(shù)據(jù)進(jìn)行主備角色的確認(rèn)；諸元數(shù)據(jù)可由外部發(fā)送指令幀進(jìn)行裝訂。

2) 主/備交換單元數(shù)據(jù)同步：交換單元收到的數(shù)據(jù)分為兩種情況處理。如果主備交換單元只對(duì)外部收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，則主備同時(shí)接收，主交換單元進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的處理，備用交換單元不做任何輸出，數(shù)據(jù)的同步是由外部來統(tǒng)一觸發(fā)。如果對(duì)于收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并能產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)，則主備之間進(jìn)行有用新數(shù)據(jù)的通信，保證主備數(shù)據(jù)狀態(tài)的一致性。

3) 主/備交換單元切換(故障屏蔽)：主備交換單元切換的條件分為軟件故障，硬件故障，手動(dòng)切換。具體的故障判據(jù)包括主交換單元軟件運(yùn)行發(fā)生嚴(yán)重故障無法通信，硬件出現(xiàn)電壓異常，監(jiān)控軟件無響應(yīng)或者監(jiān)控的數(shù)據(jù)發(fā)生嚴(yán)重偏差，主備之間通信異常認(rèn)定主單元故障。

4) 故障檢測：故障種類繁雜，從光纖協(xié)議模型層面上把故障分為3類。物理層存在由硬件問題引發(fā)的掉電、檢測不到光信號(hào)等故障；編碼層存在出現(xiàn)持續(xù)亂碼或者無碼狀態(tài)等故障；協(xié)議層存在持續(xù)握手失敗，登陸失敗等故障。這些軟硬件的故障可以通過CRC效驗(yàn)，算術(shù)邏輯運(yùn)算，看門狗，心跳檢測，異常中斷，環(huán)路法等方式進(jìn)行檢測。

3 實(shí)現(xiàn)熱備份冗余的具體方法

熱備份的實(shí)現(xiàn)主要體現(xiàn)在FPGA的模塊設(shè)計(jì)上，主要包括初始化模塊，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，主備狀態(tài)指示模塊，故障監(jiān)控模塊，數(shù)據(jù)同步模塊，切換控制模塊等。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 FPGA模塊框圖

3.1 雙冗余系統(tǒng)的主備單元正常工作流程

主單元的工作流程如圖4所示：在初始化后，先進(jìn)行鏈路握手，握手完畢后進(jìn)行幀登錄，由此完成整個(gè)鏈路的連接；隨后讀取主備指示模塊確定本身為主模塊，進(jìn)行幀接收、處理及轉(zhuǎn)發(fā)；工作中一旦發(fā)生故障切換警告則進(jìn)行通道切換。

備用單元的工作流程與主單元的區(qū)別僅在于其不進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2 實(shí)現(xiàn)熱備份冗余管理的重要過程

3.2.1 主備單元指示過程

主備指示模塊要對(duì)主備信號(hào)進(jìn)行檢測和處理并實(shí)時(shí)確定主備狀態(tài)和切換狀態(tài)。根據(jù)故障信息的綜合，確定通道的有效性，并監(jiān)視對(duì)方的有效性，與通道切換模塊共同完成切換任務(wù)。主備指示具體的工作流程如圖5所示。

圖4 主單元工作流程

圖5 主備指示流程

3.2.2 故障檢測過程

故障檢測模塊需要對(duì)總線數(shù)據(jù)狀態(tài)、主備間數(shù)據(jù)通信狀態(tài)、主備角色指示狀態(tài)、對(duì)端心跳信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，判斷和處理。通常采用CRC效驗(yàn)碼，故障保險(xiǎn)，安全失效邏輯等方法。在發(fā)生故障時(shí)協(xié)同切換模塊、主備指示模塊進(jìn)行主備切換。故障檢測的具體分類如圖6所示。

3.2.3 主備切換控制過程

根據(jù)主備狀態(tài)指示模塊和故障檢測模塊發(fā)來的消息進(jìn)行主備單元切換的判定。不同的故障類型，其判定條件有所差異，具體切換流程如圖7所示。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

本研究的設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)采用的是Altera公司的FPGA/CPLD開發(fā)工具Quartus 8.0版本。驗(yàn)證主單元故障時(shí)能夠及時(shí)切換變?yōu)閭溆脝卧?/p>

圖6 故障分類

圖7 主備切換流程

4.1 典型故障類型具體設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證主備的切換，針對(duì)一種典型的故障類型即主單元誤碼率過高進(jìn)行主備切換。

local_cnt_out置高時(shí)代表此單元為主交換單元。

當(dāng)幀開始發(fā)送后(frame_trans_beg有一個(gè)脈沖)，等待一段時(shí)間收到的回復(fù)幀為拒接幀(rjt_received)。當(dāng)主單元系統(tǒng)判斷收到的拒接幀超過一定數(shù)量，認(rèn)定主單元誤碼率過高，進(jìn)行切換告警(shift_alert置高)。

4.2 仿真實(shí)驗(yàn)

故障仿真圖如圖8，在12.96 μs左右，主單元系統(tǒng)判定拒收幀達(dá)到上限，認(rèn)定誤碼率過高有故障，進(jìn)行切換告警(shift_alert置高)，從而開始進(jìn)行主備切換。

在仿真圖9中，對(duì)兩個(gè)交換單元接收和轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。在開始的一段時(shí)間內(nèi)，冗余交換單元轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)(reveive_frame)是交換單元a接收的數(shù)據(jù)(rt_a_frame)。在13.0 μs左右，log_a置高，表明交換單元a完全退登錄，冗余交換單元轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)是交換單元b接收的數(shù)據(jù)(rt_b_frame)，此時(shí)主備切換完成。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)正常工作，實(shí)現(xiàn)了主備切換功能。

仿真的時(shí)鐘周期定為20 ns。對(duì)比仿真圖8、圖9,從開始切換到切換結(jié)束，只占用了3個(gè)時(shí)鐘周期，切換時(shí)間屬于ns級(jí)，表明切換具有快速性。

圖8 主單元誤碼故障仿真圖

圖9 兩個(gè)交換單元接收和轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)采集

5 結(jié)束語

分析了航天光纖總線的一種交換單元熱備份冗余的設(shè)計(jì)思路和關(guān)鍵技術(shù)，利用軟硬件實(shí)現(xiàn)了交換單元的高可靠性，為未來航天總線的高可靠性提供了一種簡單可行的方案。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

A Exchange-Unit Hot-Backup Design Method f the Fiber Optic Bus in Spacecraft

ZHANG Ying, XIAO Lian-gang, ZHANG Ji-sheng, TIAN Feng, ZHOU Hua

(Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100084, China)

In order to improve the high reliability of the switching fiber bus in aerospace applications, and to ensure the correct real-time transmission of data, in this paper, a kind of hot backup redundancy method was proposed, which is based on the exchange unit of the key nodes.The method used two same switching nodes in hardware structures. And through the hardware redundancy and software programmable software modules of FPGA, we achieved fault detection, fault isolation and channel switching and fault alarm and other functions. The feasibility of the method was verified by the simulation experiment of Quartus, which is of great practical value.

fiber; switch; hot-backup; high-reliability; redundancy

2016-08-27；

2016-09-25

總裝共用技術(shù)基金“運(yùn)載火箭多元異構(gòu)自主組合控制系統(tǒng)技術(shù)”(9140A201003)

張瑩(1991—)，女，碩士研究生，主要從事導(dǎo)航制導(dǎo)與控制研究。

10.11809/scbgxb2017.01.025

張瑩，肖練剛，張繼生，等.一種航天光纖總線的交換單元熱備份方法[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(1):106-109.

format:ZHANG Ying, XIAO Lian-gang, ZHANG Ji-sheng, et al.A Exchange-Unit Hot-Backup Design Method of the Fiber Optic Bus in Spacecraft[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):106-109.

TJ768.3

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