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262飞机电源汇流条功率控制器双CPU热备份技术研究黄仙密 杨善水南京航空航天大学摘要：详细介绍了对某飞机电源汇流条功率控制器双CPU热备份技术的研究，着眼于具体的软件实现以及实验分析。介绍了整个系统硬件结构，分析了双CPU热备份软件如何实现运行基本同步，以及如何对故障进行裁决以实现不间断切换。最后分析了调试过程中得到的波形，结合高低温实验中出现的问题对整个系统软件作了进一步的优化。关键词：双CPU热备份 同步 故障裁决 不间断切换Research of Dual CPU Real-time Standby Techniquefor Airplanes Bus Power Control UnitHuang Xianmi Yang ShanshuiAbstract: The research of dual CPU real-time standby technique for airplanes bus power control unit has been introduced detail in this paper, which focuses on the carryout of software and analysis of experiment. Through the introduction of the structure of hardware, this paper analyzes how to realize the basically synchronization for dual CPU software progress, and how to realize the fault diagnoses in order to achieve the uninterrupted switch. At last, the whole systems software has been improved due to the analysis of the waveforms and the problems occurred during the high temperature and low temperature experiments.Keywords: dual CPU real-time standby synchronization fault diagnoses uninterrupted switch1 引言飞机电源汇流条功率控制器主要负责对汇流条供电进行控制和状态监测，在整个飞机电源控制系统中，处于中心地位，直接关系到整个电源系统的性能1，因此对控制器系统实时运行的可靠性提出了相当高的要求。本文研究的是对相对薄弱的CPU板进行硬件冗余，并采用热备份技术2。相对于冷备份的备件不通电，直至需要它替换主件时才开始工作的工作模式，热备份采用备件与主件同时工作，并随时准备替换主件的工作模式。主要的优点是中断正常工作的时间短，使故障后系统重组的时间尽可能的缩短，对外表现为不间断的正常运行，提高整个系统运行的可靠性3，4。实验证明，双CPU热备份技术可使控制器系统在主运行CPU板出现故障后快速切换到备份CPU板，使控制器系统不间断正常运行，达到了提高整个控制器系统实时运行可靠性的目的。2 双CPU热备份系统硬件结构双CPU热备份系统的硬件主要由两块CPU板，两块电源板，输入输出板以及通过ARINC429总线通讯的第3故障裁决方组成。具体的硬件结构交连图如图1所示。图1 双CPU热备份系统硬件结构交连图由硬件结构交连图可以看出，CPUA与CPUB同时连接到输入输出板，并同时通过ARINC429总线与第3故障裁决方进行通讯。在控制器系统运行过程中，只有作为主要运行板的CPUA拥有采集输入并输出的权利；CPUB处于热备份工作状态，与CPUA运行类似程序，但并不参与系统控制。在主要工作的CPU板出现故障后自动快速切换到备份工作板，以保证整个控制器系统对外能继续不间断正常工作。3 双CPU热备份系统软件同步工作时序对整个系统软件同步工作的时序分析主要集中在程序初始化时。由于CPUA与CPUB在初始化以及整个程序运行过程中都需进行自检测，以便系统能快速对故障进行自我定位。初始化时的自检测程序主要包括对自身AD转换通道，电源板以及输入输出板的检测。又CPUA与CPUB共用同一套输出输入接口电路，如果CPUA与CPUB同时向数据线写数据，并同时控制输入输出板，势必会造成系统工作紊乱，毁坏器件。因此初始化时先CPUB进行自检测，此时需使CPUA处于复位状态。CPUB自检测完毕后再恢复CPUA正常工作流程，以适当的软件延时程序使两CPU运行基本同步。而过程中的自检测程序只检测自身AD转换通道以及电源板，因此不考虑是否需要复位CPUA板。整个系统总体程序运行流程如图2所示。CPUA与CPUB上电后，运行初始化程序。CPUA马上进入5ms循环程序等待被CPUB复位。CPUB初始化完成后立即复位CPUA，接着进入自检测程序，此时输入输出接口均使用相应I/O口控制是否工作。图2 双CPU热备份软件运行流程图两板进行自检测后需要将自检测关键数据通过ARINC429总线发送给第3故障裁决方。通讯的波特率为100kb/s，通讯协议规定发送6个32位字，又每两个字间有4位NULL字间隔，整个数据发送过程需要3ms左右。为了保证数据发送完毕，以及使程序在调试过程中的波形明显，因此在CPUB自检测完毕后设置了30 ms延时，接着使CPUA脱离复位状态，自己进入备份板的程序运行流程。此后CPUA开始进行自检测程序运行，自检测完毕后同样需要进入30 ms延时以保证自检测数据发送完毕，而此时CPUB进入延时40 ms以保证软件运行的基本同步。4 双CPU热备份系统故障裁决以及不间断切换双CPU热备份系统的故障裁决主要由两部分组成：首先是双CPU间的相互裁决，其次是由通过ARINC429总线通讯的上位机充当第3故障裁决方。4.1 双CPU间的相互裁决由图1的系统硬件结构交连图可以看出，两块CPU板的I/O口分别与对方的不可屏蔽中断NMI引脚相连，并通过这个I/O口向对方发送握手信号。握手信号采用的是定时器中断产生5 ms的方波信号，而NMI设置为下降沿识别。在软件流程中，对实时中断计数器进行大约16 ms的溢出初始化。NMI识别下降沿后产生中断，对实时中断计数器清零，并等待下一次的NMI中断；如果16ms内实时中断计数器值都未被清零，则产生溢出中断，在此溢出中断程序中，通过I/O口RESET对方CPU板，并置位状态寄存器的故障位。CPUB板软件运行过程中不断的对该故障位的进行判断，以确定自己的运行模式。4.2 第3故障裁决方CPUA与CPUB同时与上位机通过ARINC429总线进行通讯，如果上位机在3s内没有收到有效数据则裁决该方故障，并返回数据给另一方，使之RESET故障方。由上位机充当第3故障裁决方一方面提高了故障裁决的可靠性，当双CPU间的相互裁决失效后，仍能通过第3故障裁决方进行故障裁决，达到系统内部的故障定位以及CPU间的切换；另一方面有效的节省了硬件资源，有效的利用了系统原有的硬件资源，不需再添入CPU板进行故障裁决。ARINC429总线电平采用双极归零调制，即发送出去的脉冲串有3个电平：高电平，中电平和低电平5。本系统硬件芯片采用的是HARRIS公司的HS3182与HS3282，控制引脚通过PLD芯片与CPU片选以及部分地址线相连，产生相应的寻址地址对HS3282进行读写，用以产生第一级TTL差分电平，再通过HS3182驱动产生第二级正式通讯电平。同时HS3282数据发送好信号的引脚直接与CPU外部中断引脚相连，一旦有数据需要CPU接收即产生中断，如图3所示。图3 ARINC429硬件结构图ARINC429的数据是以32Bit字格式传送，每个字包含1Bit校验位，8Bit标号。标号一般定义了飞行数据的功能，即保持被传输数据的所属类型。其余的数据位或以数字(二进制或BCD编码)，或以字母编码，根据标号而区分成不同的域，所有数据位所代表的意义都在通讯协议中规定完全。本通讯系统采用的传送波特率为100kb/s，在连续传送数据时，每个32Bit字之间至少插入4个空（Null）状态进行隔离，即字间隙，是由HS3282在传送数据过程中自动加入。软件中首先在主程序对HS3282进行初始化，写入控制字，规定数据长度，波特率等。通讯协议规定每200ms发送一次数据，采用定时器中断，中断子程序流程如图4所示。图4 定时器中断子程序流程图5 双CPU热备份系统实验分析通过软硬件调试与高低温实验验证，双CPU热备份控制器系统正常并高可靠性运行。手动复位CPUA板后，或使CPUA板丧失通讯能力后，CPUB板都能快速复位CPUA板，并接替其工作，使整个系统对外表现为不间断正常工作状态。图5为CPUB板产生复位信号引脚的波形图。由波形图可以看出，CPUB上电后，立即复位CPUA进行自检测，延时30ms以后使CPUA恢复运行状态，此后只要CPUA没有出现故障该引脚一直保持高电平状态。图5 CPUA正常时CPUB产生的复位信号波形图实验过程中，对CPUA手动复位，可以得到由图6所示的CPUB产生的复位信号波形（此波形是通过探头衰减后测得）。由该波形图可以看出，CPUB迅速对CPUA状态进行了判断，并正确对其复位。图6 CPUA故障时CPUB产生的复位信号波形图实验过程中，CPUB板是否在备份软件运行过程中读入输入板的状态是考虑的问题之一。CPUB板在备份运行状态中，不对输入板控制使能，但是可以读入输入板的状态。然而在整个双CPU热备份程序运行过程中，还没有能做到完全使CPUA与CPUB软件同步运行，而且在程序长时间的循环运行中，难免造成这种微小的不同步的扩大。这样就会形成CPUA发出的使能信号并不能保证使CPUB也同时读入正确的状态，并引起关键状态寄存器置位，导致CPUB在复位CPUA后不能接替其进入正常的工作状态，错误的报出本不存在的故障。因此本系统程序流程中，使CPUB运行于类似于“空转”热备份状态中，并不对外部数据进行任何处理。另外，在实验过程中，出现了CPUB对CPUA发出RESET信号后，但CPUA处于假死的状态,现出来的状态是CPUA的I/O口呈现“悬浮”状，将电平拉至1.6V左右。由于CPUA与CPUB对输入输出板的使能信号连接在一起，便使CPUB虽然复位了CPUA却不能正常使能输入输出板，从而无法正常工作。具体解决的方法采用了软件二次复位的措施，即在软件中连续执行两次复位指令，实验证明，这样的改进能正确并且可靠的解决CPUA出现假死状态的问题。在常温的软件调试过程中，ARINC429总线通讯子程序中利用了HS3282自带的FIFO寄存器，该寄存器能存储8个31位字（奇偶校验位在发送过程中自动产生），并能自动产生4位间隔字。因此程序中将6个字一起直接发到HS3282，由HS3282自动产生4个字间隔后发送。常温下该程序段通过调试并正常运行，波形如图8（此波形通过探头衰减后测得）。图7 ARINC429发送波形图但是在高温实验中，由于器件发生了不可测的变化，传送过程中有一位数据出现了偏差，因此考虑将6个字发送到HS3282的子程序中每两个字间加入一定的间隔时间。由于波特率为100kb/s，每个32位字再加上4为间隔需0.36ms，因此在子程序中在每个32字发送后均加入0.4ms的延时。通过高温实验证明，该方法使通讯正常且可靠运行。6 结论本文详细的介绍了双CPU热备份的软件实现。通过对双CPU工作时序的分析，给出了总的软件流程。通过对双CPU故障裁决的分析，给出了此控制器系统采用的故障裁决的方式。最后通过对实验的分析和总结，对软件进行了优化，同时证明了双CPU热备份提高了系统实时运行的可靠性，并为进一步的系统优化提供了实验依据和经验总结。参考文献1 谢拴勤，刘科满.嵌入式操作系统C/OS-在飞机汇流条控制器中的应用研究J.计算机测量与控制，2005,13 (6)：535-5472 张江维，王翠茹，衡军山等.基于双CPU的冗余控制研究与实现J.机电工程技术，2005 34(4)：22-253 Yang Shanshui，Fu Dafeng，YanYan