基于雙主機(jī)冗余的顯示控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

隨著航空電子設(shè)備的不斷發(fā)展，對可靠性的要求越來越高。顯示控制系統(tǒng)應(yīng)用在航空電子控制系統(tǒng)中，主要完成數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示和系統(tǒng)控制等功能，是人機(jī)交互的窗口，是重要的系統(tǒng)控制部件之一。由于顯示控制系統(tǒng)的特殊功能地位，要求顯示控制系統(tǒng)具有連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的工作特性。為了提高顯示控制系統(tǒng)的可靠性，本文采用余度技術(shù)，即對系統(tǒng)進(jìn)行雙冗余設(shè)計(jì)來提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。

1 冗余理論

冗余理論來源于自動(dòng)控制系統(tǒng)可靠性研究，其核心內(nèi)容是如何最大限度地提高系統(tǒng)的可靠性。自動(dòng)控制系統(tǒng)是由許多元部件組成的，元部件的組合方式與系統(tǒng)可靠性有十分密切的關(guān)系，冗余設(shè)計(jì)就是在控制系統(tǒng)中增加備用的關(guān)鍵元部件，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，控制系統(tǒng)通過故障控制策略啟動(dòng)備用部件，來保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，避免了單點(diǎn)故障造成的系統(tǒng)部分或全部功能的失效。

但冗余設(shè)計(jì)也不是一味地增加備份部件，備份部件的增加一方面增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度、控制的復(fù)雜度，另一方面也增加了系統(tǒng)成本、功耗、重量，而且冗余設(shè)計(jì)的不合理，也可能降低系統(tǒng)的可靠性。

2 顯示控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

顯示控制系統(tǒng)的主要功能是完成數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示和系統(tǒng)控制。系統(tǒng)構(gòu)成包括：控制模塊、I/O模塊、A/D模塊、電源模塊、液晶顯示器以及鍵盤。系統(tǒng)各模塊的主要功能：控制模塊是系統(tǒng)的控制中心，和I/O模塊，A/D模塊進(jìn)行通信，并且完成數(shù)據(jù)的處理和系統(tǒng)控制，同時(shí)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的顯示和接收鍵盤指令完成相應(yīng)的動(dòng)作;I/O模塊主要完成數(shù)據(jù)的處理和數(shù)據(jù)的通信功能;A/D模塊主要完成數(shù)據(jù)的裝換和數(shù)據(jù)的采集功能;電源模塊主要完成電壓的轉(zhuǎn)換功能;液晶顯示主要完成圖形的顯示功能;鍵盤主要完成用戶按鍵指令的接收功能。

2.2 雙主機(jī)冗余設(shè)計(jì)

依據(jù)冗余理論，對顯示控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，控制模塊和I/O模塊，A/D模塊和顯示器以及鍵盤都有交聯(lián)關(guān)系，是系統(tǒng)的控制中心，屬于系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，因此控制模塊也采用雙余度設(shè)計(jì)來保證系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)綜合考慮系統(tǒng)的功耗、重量以及成本等因素，I/O模塊、A/D模塊、電源模塊由于工作任務(wù)單一，交聯(lián)關(guān)系簡單，因此采用單余度設(shè)計(jì)。雙主機(jī)冗余顯示控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

控制模塊是整個(gè)顯示控制系統(tǒng)的核心單元，絕大多數(shù)的控制任務(wù)都由它來完成。控制模塊可以冗余配置，也可單模塊工作。如果是冗余配置，一個(gè)模塊作為主控模塊，另一個(gè)作為備控模塊;如果是單模塊配置，不管是配置那一個(gè)通道的模塊都作為主控模塊工作。兩個(gè)控制模塊具有相同的硬件配置和運(yùn)行同樣的軟件程序。

冗余配置的兩塊控制模塊，一個(gè)運(yùn)行在主控模式，另外一個(gè)運(yùn)行在備控模式，它們是一個(gè)熱備份的關(guān)系。它們都能訪問I/O模塊和A/D模塊，但主控模式下的控制模塊起著控制系統(tǒng)、圖形顯示、接收鍵盤指令等決定性的作用;備控模式下的控制模塊執(zhí)行診斷和監(jiān)視主控模塊狀態(tài)的好壞，通過周期查詢運(yùn)行中的主控模塊的狀態(tài)并且實(shí)時(shí)接收主控模塊發(fā)送的全部運(yùn)行信息，但是它不輸出圖形信息，不接收鍵盤指令。備控模塊實(shí)時(shí)保存最新的系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)，以保證主/備切換的無縫連接。

3 冗余管理

3.1 優(yōu)先權(quán)確定

冗余系統(tǒng)優(yōu)先權(quán)設(shè)置通常采用三種方法：軟件設(shè)置、通道競爭和外部硬件設(shè)置。在設(shè)計(jì)中一般不采用軟件設(shè)置，因?yàn)檐浖臎Q策周期長、實(shí)時(shí)性差、可靠性較低，并且通道之間的互換性降低;第二種方法是通過通道競爭電路獲取通道優(yōu)先權(quán)，但是雙余度系統(tǒng)沒有必要設(shè)置此競爭邏輯;第三種方法直接采用外部硬件設(shè)置決定優(yōu)先權(quán)，此方法簡單可靠。本設(shè)計(jì)中控制器采用外部硬件設(shè)置優(yōu)先權(quán)的方法，機(jī)箱中通道A設(shè)置為主控通道，通道B設(shè)置為熱備份通道。

3.2 故障檢測

3.2.1 在位狀態(tài)檢測

冗余配置的兩個(gè)控制模塊，插入機(jī)箱通電正常工作后，會(huì)通過硬連線互相報(bào)告在位狀態(tài)。如果主控模塊未在位或者未正常工作，則備控模塊上電正常工作后可以檢測到主控模塊故障，自動(dòng)切換成主控模塊，行使主控模塊的角色。如果是備控模塊未在位或者未正常工作，則主控模塊上電正常工作后可以檢測到備控模塊故障，并且將故障狀態(tài)顯示到顯示器上，上報(bào)用戶。

3.2.2 硬件狀態(tài)檢測

兩個(gè)控制模塊，正常工作后都周期性地運(yùn)行檢測程序，對模塊的硬件資源、外圍接口等狀態(tài)周期性地檢測，一旦發(fā)現(xiàn)故障，就將故障信息上報(bào)給主備切換控制邏輯，由主備切換控制邏輯來決策是否進(jìn)行主備切換。

3.2.3 軟件狀態(tài)檢測

通過看門狗來檢測主備模塊的軟件運(yùn)行狀態(tài)，軟件任務(wù)周期性地進(jìn)行喂狗操作，如果軟件運(yùn)行出現(xiàn)故障，則會(huì)觸發(fā)看門狗狗叫，一旦主控模塊發(fā)生狗叫，則立即切換到備控模塊工作。

3.3 主備切換

主備模塊的切換是由硬件邏輯來控制完成的，具有快速性和穩(wěn)定性。兩個(gè)控制模塊之間通過硬件連線互通狀態(tài)信息，當(dāng)主控模塊發(fā)生故障時(shí)，由硬件邏輯控制自動(dòng)完成切換，并且通過硬件連線把狀態(tài)信息上報(bào)給當(dāng)前的主控模塊。切換方式包括自動(dòng)切換和強(qiáng)制切換。自動(dòng)切換是由模塊內(nèi)部的邏輯控制，根據(jù)模塊運(yùn)行的狀態(tài)信息來判斷，自動(dòng)完成切換，不需要外部干預(yù)。強(qiáng)制切換是由操作人員根據(jù)自身對當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的判斷，通過離散量開關(guān)的方式強(qiáng)制執(zhí)行切換。主備切換狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。

4 總結(jié)

采用雙主機(jī)冗余的顯示控制系統(tǒng)，具有故障檢測、自動(dòng)故障切換控制的能力，提高了系統(tǒng)的可靠性。雙主機(jī)冗余設(shè)計(jì)在一定程度上增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度、功耗、重量以及成本，但是能夠換來相對較高的可靠性，系統(tǒng)工作的連續(xù)性，能夠滿足航空電子設(shè)備的高可靠性要求。