基于VxWorks的熱備冗余遠(yuǎn)程自動測控系統(tǒng)設(shè)計

王曉君等

【摘 要】在設(shè)計長期加電工程項目的測試系統(tǒng)時，采用遠(yuǎn)程自動測控系統(tǒng)完成測試工作，遠(yuǎn)端無人值守。在測試過程中執(zhí)行指令控制并對重要參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，為監(jiān)測人員提供參考信息及故障預(yù)報。自動測控組合是遠(yuǎn)程自動化測控系統(tǒng)設(shè)計的核心設(shè)備，可接收、執(zhí)行和記錄來自綜合控制臺的控制指令，實現(xiàn)對測試數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送和存儲?；赩xWorks操作系統(tǒng)的自動測控組合應(yīng)用1553B總線通信模式，采用雙機(jī)熱備冗余的系統(tǒng)架構(gòu)，在系統(tǒng)長期連續(xù)加電的情況下，支持熱插拔更換整機(jī)的方式，單機(jī)設(shè)備發(fā)生故障可自動檢測并切換，保證系統(tǒng)功能不失效。采用龍芯2J芯片的主控制板、基于龍芯的MIPS架構(gòu)的VxWorks實時操作系統(tǒng)。VxWorks操作系統(tǒng)可靠性高、實時性強(qiáng)、可裁剪，占用很小的存儲空間，保證了系統(tǒng)在長期加電過程中的高穩(wěn)定性和可靠性。

【關(guān)鍵詞】自動測控；遠(yuǎn)程；1553B；熱備冗余；VxWorks

0 前言

在設(shè)計長期加電工程項目的測試系統(tǒng)時，采用遠(yuǎn)程自動測控系統(tǒng)完成測試工作，遠(yuǎn)端無人值守。在測試過程中執(zhí)行指令控制并對重要參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，為監(jiān)測人員提供參考信息及故障預(yù)報。遠(yuǎn)程自動測控系統(tǒng)在空間布局上分為：后端測控計算機(jī)、前端自動測控組合、n臺遠(yuǎn)端配電設(shè)備。自動測控組合是遠(yuǎn)程自動測控系統(tǒng)設(shè)計中的核心設(shè)備，采用1553B總線，完成自動供配電控制，實時接收、執(zhí)行和記錄來自后端測控計算機(jī)的控制指令，實現(xiàn)對測試數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送和存儲。

在測控系統(tǒng)要求連續(xù)加電測試的情況下，自動測控組合設(shè)計采用雙機(jī)熱備冗余的系統(tǒng)架構(gòu)，可在加電過程中進(jìn)行熱插拔操作，及時更換故障設(shè)備，且在檢測到故障設(shè)備后可自動切換至備用設(shè)備。此設(shè)計方案保證了在單機(jī)設(shè)備故障時，系統(tǒng)功能不失效，有效的提高了系統(tǒng)設(shè)計的可靠性及維修性。

現(xiàn)有測控設(shè)備設(shè)計中多采用Intel處理器，Windows操作系統(tǒng)等，本系統(tǒng)處理器選用龍芯2J的嵌入式控制器，控制器模塊采用PC/104架構(gòu)。嵌入式控制器模塊的監(jiān)控通過VxWorks操作系統(tǒng)讀取BIOS中的信息來獲取。VxWorks操作系統(tǒng)可靠性高、實時性強(qiáng)、可裁剪，占用很小的存儲空間，保證了系統(tǒng)長期加電工作中的高穩(wěn)定性和可靠性。

基于VxWorks的熱備冗余遠(yuǎn)程自動測控系統(tǒng)設(shè)計首次應(yīng)用國產(chǎn)化處理器、操作系統(tǒng)完成測控任務(wù)，雙機(jī)熱備冗余的系統(tǒng)架構(gòu)在目前的測試系統(tǒng)中也處于領(lǐng)先水平，對于其他測試系統(tǒng)具有可借鑒的價值。

1 遠(yuǎn)程自動測控系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.1 總體設(shè)計思想

熱備冗余自動測控系統(tǒng)整體框圖見圖1。

為達(dá)到長期加電、連續(xù)工作的要求，自動測控系統(tǒng)的總體設(shè)計思路主要為：

1）系統(tǒng)采用雙機(jī)熱備冗余的系統(tǒng)架構(gòu)，關(guān)鍵設(shè)備自動測控組合選用PC/104緊湊型、低功耗、高可靠的架構(gòu)。雙機(jī)熱備方式在系統(tǒng)長時間加電的情況下，支持熱插拔更換整機(jī)的方式，保證在單機(jī)設(shè)備故障時，系統(tǒng)功能不失效。

2）系統(tǒng)具有兩種工作模式：單機(jī)模式和雙機(jī)熱備模式。單機(jī)模式：在一臺單機(jī)處于調(diào)試狀態(tài)或者故障時自動切換至另一臺單機(jī)的工作方式。雙機(jī)熱備模式：雙機(jī)均正常工作的工作方式。

3）選用可靠性高、實時性強(qiáng)、可裁剪的VxWorks操作系統(tǒng)，開發(fā)基于VxWorks操作系統(tǒng)的BSP軟件和應(yīng)用層軟件。其中應(yīng)用層軟件系統(tǒng)功能主要包括：熱備冗余功能和測控應(yīng)用功能。

1.2 系統(tǒng)組成與功能

雙機(jī)熱備架構(gòu)中，自動測控系統(tǒng)主要由自動測控組合（主機(jī)）、自動測控組合（從機(jī)）組成，雙機(jī)的配置完全相同，均具備獨(dú)立執(zhí)行測控任務(wù)的能力。以“先加電，先為主”的原則，先加電的設(shè)備選擇主機(jī)模式，后加電的設(shè)備選擇從機(jī)模式。在單機(jī)處于調(diào)試狀態(tài)或者故障時可自動切換至另一臺單機(jī)工作。

熱備冗余自動測控系統(tǒng)通過1553B總線和422總線將來自n臺遠(yuǎn)端配電設(shè)備的信息進(jìn)行采集和存儲，同時通過2路冗余以太網(wǎng)端口發(fā)送至后端測控計算機(jī)，并通過以太網(wǎng)端口接收來自后端測控計算機(jī)的控制指令，將其轉(zhuǎn)化為1553B指令和422指令，控制1553B板卡和422板卡輸出信息至n臺遠(yuǎn)端配電設(shè)備。

自動測控組合單機(jī)組成模塊及功能如下：

1）控制器模塊。采用龍芯2J（采用VxWorks6.7操作系統(tǒng)），負(fù)責(zé)對所有外設(shè)模塊的管理和控制，完成熱備冗余及應(yīng)用功能；

2）422通信模塊。完成自動測控組合與n臺遠(yuǎn)端配電設(shè)備的控制指令和測試數(shù)據(jù)傳輸；

3）1553B總線通信模塊。完成自動測控組合與n臺遠(yuǎn)端配電設(shè)備的控制指令和測試數(shù)據(jù)傳輸；

4）冗余控制模塊。提供CPU工作監(jiān)測、心跳信號產(chǎn)生和檢測、主從狀態(tài)以及死機(jī)故障下熱備切換控制功能；

5）以太網(wǎng)通信模塊。以太網(wǎng)模塊用于實現(xiàn)單機(jī)設(shè)備與后端測控計算機(jī)的通訊，以及主從機(jī)之間的同步信息收發(fā)；

6）I/O模塊。用于對遠(yuǎn)端配電設(shè)備輸出繼電器執(zhí)行電路的開關(guān)量信號檢測和指示燈控制；

7）電源模塊。提供PC/104總線所需的電源，提供調(diào)理模塊中繼電器驅(qū)動電路供電和數(shù)字量信號回采電路供電。

2 關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)

2.1 主控制器

控制器模塊采用PC104總線龍芯2J嵌入式控制器，運(yùn)行VxWorks6.7操作系統(tǒng)?？刂破髂K完成對所有外設(shè)的控制和管理，同時運(yùn)行熱備層軟件完成熱備冗余功能。

龍芯2J是一款64位MIPS指令集的通用RISC處理器，穩(wěn)定工作頻率最高可達(dá)1GHz，片內(nèi)集成DDR2控制器和PCI/PCIX控制器、LPC控制器、SPI控制器和UART控制器等，還集成了2個千兆網(wǎng)MAC。該CPU基于65nm CMOS工藝，片內(nèi)一級cache由一個64KB的指令cashe和一個64KB的數(shù)據(jù)cache組成，片內(nèi)二級cache容量為1MB。

嵌入式控制器模塊的監(jiān)控通過VxWorks操作系統(tǒng)讀取BIOS中的信息來獲取，故障模式包括：處理器故障、內(nèi)存故障、硬盤故障等。

2.2 以太網(wǎng)絡(luò)熱備冗余

以太網(wǎng)通訊模塊主要完成自動測控組合與測控計算機(jī)的指令和測試數(shù)據(jù)傳輸，主從機(jī)之間的狀態(tài)數(shù)據(jù)包通信、主從機(jī)同步數(shù)據(jù)通信、主從機(jī)的總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)取Ｗ詣訙y控組合與后端的通信使用兩個網(wǎng)口，并采用IP地址綁定的方式，從而實現(xiàn)邏輯地址為1個IP地址，而實際傳輸中采用雙網(wǎng)口傳輸；自動測控組合主從之間的網(wǎng)口通信也采用IP地址綁定的雙網(wǎng)口冗余通信方式。

自動測控組合單機(jī)通過兩個以太網(wǎng)端口（ZNET1、ZNET2）連接主控網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，綁定為一個IP地址，雙網(wǎng)口均正常時通過其中一條鏈路通信，另一條備用，通信鏈路故障時，驅(qū)動軟件自動切換到備用鏈路通信。經(jīng)過測定鏈路切換時間不大于400ms，在故障情況下，有效的保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.3 RS422通信冗余

RS422通信模塊主要完成自動測控組合與遠(yuǎn)端配電設(shè)備的控制指令和測試數(shù)據(jù)傳輸。采用專用RS422接口隔離芯片實現(xiàn)RS422總線發(fā)送/接收隔離器，收發(fā)器集成在一個IC芯片上，可實現(xiàn)±15KV的ESD保護(hù)，2.5Mbps傳輸速率。

主單路RS422串口通訊采用冗余工作機(jī)制。從自動測控組合的RS422串口同時接收測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過心跳板I/O控制繼電器方式實現(xiàn)輸出通道的隔離控制，從而保證冗余狀態(tài)下信號的穩(wěn)定可靠傳輸。

2.4 1553B總線冗余

雙機(jī)正常狀態(tài)下，主機(jī)1553B總線控制器處于BC狀態(tài)，對總線執(zhí)行控制功能，從機(jī)1553B總線控制器處于熱備BC狀態(tài)，即BBC（Backup BC，一種在線BM狀態(tài)，MIL-HDBK-1553推薦單總線雙BC工作方式）狀態(tài)。當(dāng)接收到切換指令之后，主機(jī)1553B總線控制器由BC狀態(tài)轉(zhuǎn)化為BBC（主機(jī)無故障切換）或離線狀態(tài)（主機(jī)故障切換），放棄對1553B總線的控制，原主機(jī)放棄主機(jī)狀態(tài)，轉(zhuǎn)化為從機(jī)或離線狀態(tài)。原從機(jī)由從機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為主機(jī)狀態(tài)，原從機(jī)1553B總線控制器由BBC狀態(tài)轉(zhuǎn)化為BC狀態(tài)，接替原主機(jī)對1553B總線進(jìn)行控制。

1553B總線模塊在1553B總線數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時，還可對“1553B總線通信響應(yīng)時間超時”和“1553B總線錯誤消息”等事件進(jìn)行實時監(jiān)測。

1553B總線通信模塊的熱備冗余設(shè)計見圖2。

2.5 冗余控制技術(shù)

冗余控制模塊通過監(jiān)測主控制器工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)主控制器程序運(yùn)行故障，實現(xiàn)主從互相監(jiān)測對方機(jī)是否出現(xiàn)死機(jī)故障，以便發(fā)起主機(jī)死機(jī)狀態(tài)下的主從切換。

冗余控制技術(shù)主要實現(xiàn)以下功能：

1）保存并維護(hù)單機(jī)主從狀態(tài)標(biāo)志變量，進(jìn)而控制面板主從狀態(tài)和故障狀態(tài)指示。

2）監(jiān)測主控制器程序運(yùn)行，并通過向?qū)Ψ綑C(jī)發(fā)送心跳信號表明運(yùn)行正常。

3）當(dāng)主控制器程序跑飛或死機(jī)故障時，發(fā)送的心跳信號丟失，從而發(fā)起主從切換，同時隔離本機(jī)故障。

系統(tǒng)設(shè)計中采用FPGA作為核心進(jìn)行冗余控制模塊的設(shè)計和實現(xiàn)，基本架構(gòu)見圖3。

2.6 心跳檢測設(shè)計

心跳檢測設(shè)計分為心跳發(fā)送和心跳診斷兩部分。系統(tǒng)設(shè)計中采用了以下方法來保證心跳檢測模塊的穩(wěn)定性和可靠性：

1）心跳信號采用雙路同時發(fā)送，雙路同時接收。

2）心跳的診斷：采用計數(shù)器在一段時間連續(xù)對心跳信號進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)值達(dá)到設(shè)定閾值則判定心跳正常，否則判定心跳異常。

3）基于雙路發(fā)送心跳信號，報錯機(jī)制設(shè)計如下：當(dāng)心跳診斷結(jié)果為兩路心跳均正常時，繼續(xù)進(jìn)行心跳診斷，不報告診斷結(jié)果；當(dāng)有且僅有一路對機(jī)心跳異常時，向主控制模塊報告診斷結(jié)果，并繼續(xù)進(jìn)行心跳診斷；當(dāng)兩路對機(jī)心跳均出現(xiàn)異常時，向主控制器報告對機(jī)死機(jī)故障。

3 應(yīng)用前景

基于VxWorks的熱備冗余自動測控系統(tǒng)設(shè)計綜合了1553B、422等先進(jìn)的總線數(shù)據(jù)傳輸方式，采用多項關(guān)鍵技術(shù)的冗余設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)長時間加電工作狀態(tài)下的信息監(jiān)測與故障預(yù)警。熱備冗余的系統(tǒng)架構(gòu)，可在加電過程中完成設(shè)備熱插拔，及時更換故障設(shè)備，主機(jī)故障可自動切換至從機(jī)工作，保證了系統(tǒng)功能不失效。熱備冗余的設(shè)計方案在提高產(chǎn)品可靠性及維修性方面具有突出優(yōu)勢。

目前，自動測控系統(tǒng)設(shè)計方案已在相關(guān)測控試驗中得到了驗證，本設(shè)計方案的成功應(yīng)用為其他測控系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計奠定了堅實基礎(chǔ)。同時，也為基于PC/104架構(gòu)的雙機(jī)熱備冗余系統(tǒng)、采用龍芯2J芯片的主控制板、基于龍芯的MIPS架構(gòu)的VxWorks實時操作系統(tǒng)等技術(shù)在其他測試系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用提供很好的參考價值和借鑒意義。

[責(zé)任編輯：侯天宇]