基于雙主機冗余的顯示控制系統設計

0 引言

隨著(zhù)航空電子設備的不斷發(fā)展，對可靠性的要求越來(lái)越高。顯示控制系統應用在航空電子控制系統中，主要完成數據通信、數據處理、圖形顯示和系統控制等功能，是人機交互的窗口，是重要的系統控制部件之一。由于顯示控制系統的特殊功能地位，要求顯示控制系統具有連續、穩定、可靠的工作特性。為了提高顯示控制系統的可靠性，本文采用余度技術(shù)，即對系統進(jìn)行雙冗余設計來(lái)提高系統的可靠性、穩定性。

1 冗余理論

冗余理論來(lái)源于自動(dòng)控制系統可靠性研究，其核心內容是如何最大限度地提高系統的可靠性。自動(dòng)控制系統是由許多元部件組成的，元部件的組合方式與系統可靠性有十分密切的關(guān)系，冗余設計就是在控制系統中增加備用的關(guān)鍵元部件，當系統發(fā)生故障時(shí)，控制系統通過(guò)故障控制策略啟動(dòng)備用部件，來(lái)保證系統的正常運行，避免了單點(diǎn)故障造成的系統部分或全部功能的失效。

但冗余設計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的復雜度、控制的復雜度，另一方面也增加了系統成本、功耗、重量，而且冗余設計的不合理，也可能降低系統的可靠性。

2 顯示控制系統

2.1 系統構成

顯示控制系統的主要功能是完成數據通信、數據處理、圖形顯示和系統控制。系統構成包括：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(pán)。系統各模塊的主要功能：控制模塊是系統的控制中心，和I/O模塊，A/D模塊進(jìn)行通信，并且完成數據的處理和系統控制，同時(shí)負責數據的顯示和接收鍵盤(pán)指令完成相應的動(dòng)作;I/O模塊主要完成數據的處理和數據的通信功能;A/D模塊主要完成數據的裝換和數據的采集功能;電源模塊主要完成電壓的轉換功能;液晶顯示主要完成圖形的顯示功能;鍵盤(pán)主要完成用戶(hù)按鍵指令的接收功能。

2.2 雙主機冗余設計

依據冗余理論，對顯示控制系統進(jìn)行了詳細的分析，控制模塊和I/O模塊，A/D模塊和顯示器以及鍵盤(pán)都有交聯(lián)關(guān)系，是系統的控制中心，屬于系統的關(guān)鍵部件，因此控制模塊也采用雙余度設計來(lái)保證系統的可靠性。同時(shí)綜合考慮系統的功耗、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(jiǎn)單，因此采用單余度設計。雙主機冗余顯示控制系統硬件架構如圖1所示。

控制模塊是整個(gè)顯示控制系統的核心單元，絕大多數的控制任務(wù)都由它來(lái)完成?？刂颇K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行同樣的軟件程序。

冗余配置的兩塊控制模塊，一個(gè)運行在主控模式，另外一個(gè)運行在備控模式，它們是一個(gè)熱備份的關(guān)系。它們都能訪(fǎng)問(wèn)I/O模塊和A/D模塊，但主控模式下的控制模塊起著(zhù)控制系統、圖形顯示、接收鍵盤(pán)指令等決定性的作用;備控模式下的控制模塊執行診斷和監視主控模塊狀態(tài)的好壞，通過(guò)周期查詢(xún)運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)送的全部運行信息，但是它不輸出圖形信息，不接收鍵盤(pán)指令。備控模塊實(shí)時(shí)保存最新的系統控制數據，以保證主/備切換的無(wú)縫連接。

3 冗余管理

3.1 優(yōu)先權確定

冗余系統優(yōu)先權設置通常采用三種方法：軟件設置、通道競爭和外部硬件設置。在設計中一般不采用軟件設置，因為軟件的決策周期長(cháng)、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(guò)通道競爭電路獲取通道優(yōu)先權，但是雙余度系統沒(méi)有必要設置此競爭邏輯;第三種方法直接采用外部硬件設置決定優(yōu)先權，此方法簡(jiǎn)單可靠。本設計中控制器采用外部硬件設置優(yōu)先權的方法，機箱中通道A設置為主控通道，通道B設置為熱備份通道。

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，插入機箱通電正常工作后，會(huì )通過(guò)硬連線(xiàn)互相報告在位狀態(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，上報用戶(hù)。

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)現故障，就將故障信息上報給主備切換控制邏輯，由主備切換控制邏輯來(lái)決策是否進(jìn)行主備切換。

3.2.3 軟件狀態(tài)檢測

通過(guò)看門(mén)狗來(lái)檢測主備模塊的軟件運行狀態(tài)，軟件任務(wù)周期性地進(jìn)行喂狗操作，如果軟件運行出現故障，則會(huì )觸發(fā)看門(mén)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(lái)控制完成的，具有快速性和穩定性。兩個(gè)控制模塊之間通過(guò)硬件連線(xiàn)互通狀態(tài)信息，當主控模塊發(fā)生故障時(shí)，由硬件邏輯控制自動(dòng)完成切換，并且通過(guò)硬件連線(xiàn)把狀態(tài)信息上報給當前的主控模塊。切換方式包括自動(dòng)切換和強制切換。自動(dòng)切換是由模塊內部的邏輯控制，根據模塊運行的狀態(tài)信息來(lái)判斷，自動(dòng)完成切換，不需要外部干預。強制切換是由操作人員根據自身對當前系統運行狀態(tài)的判斷，通過(guò)離散量開(kāi)關(guān)的方式強制執行切換。主備切換狀態(tài)轉換圖如圖2所示。

4 總結

采用雙主機冗余的顯示控制系統，具有故障檢測、自動(dòng)故障切換控制的能力，提高了系統的可靠性。雙主機冗余設計在一定程度上增加了系統的復雜度、功耗、重量以及成本，但是能夠換來(lái)相對較高的可靠性，系統工作的連續性，能夠滿(mǎn)足航空電子設備的高可靠性要求。