一种无中心裁决冗余控制系统的制作方法

1.本发明属于计算机技术领域，具体涉及一种无中心裁决冗余控制系统。


背景技术：

2.舰艇作战指挥自动控制系统简称“舰载指控系统”或者“舰船控制系统”，包括战术应用软件和计算机、显示和控制设备、武器控制子系统、数据链终端及其通信设备等，主要用于战术情报的收集处理与辅助指挥作战、以及控制武器发射等，能够自动完成舰艇的指挥、通信、导航、目标识别、威胁判断、辅助决策、武器发射及电子对抗的自动控制等。
3.随着舰船控制系统智能化控制程度的迅速提升，由于控制任务的多样性及复杂性特点，对控制系统的可靠性和安全性要求越来越高，一旦控制系统的核心设备发生故障，极容易造成控制系统瘫痪，导致战机贻误、造成重大损失和伤亡。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种，能够提高舰船控制系统的安全性和可靠性，实时处理多样及复杂的控制任务，冗余控制系统的主、备模块互换性好，保证控制系统的实时正常运行，排除单点故障隐患，防止模块故障导致的控制系统瘫痪，降低损失成本。
5.实现本发明的技术方案如下：
6.一种无中心裁决冗余控制系统，其特征在于，所述无中心裁决冗余控制系统用于单个终端设备，包括：多个控制系统，其中：
7.每个控制系统包括cpu模块、存储模块、裁决模块、同步通信模块、串口通信模块、节点控制模块和电源模块；
8.所述cpu模块用于用于处理接收到的一个或多个控制任务；
9.所述存储模块用于对应存储所述cpu模块的运行数据；
10.多个所述裁决模块实时检测各个所述控制系统的运行状态，在其中一个控制系统发生故障的情况下，切换为其它任意一个控制系统运行；
11.所述同步通信模块用于同步对应所述cpu模块的运行数据，并与其它同步通信模块通信；
12.所述串口通信模块用于对应所述cpu模块的输出，并与其它串口通信模块通信；
13.所述电源模块为所述控制系统供电。
14.可选地，所述裁决模块通过自检信号实时检测与其对应的控制系统的运行状态，通过互检信号实时检测其它控制系统的运行状态。
15.可选地，所述无中心裁决冗余控制系统包括控制系统a和控制系统b，包括：
16.所述控制系统a的裁决模块a通过所述自检信号实时检测所述控制系统a的cpu模块a的运行状态，所述控制系统b的裁决模块b通过所述自检信号实时检测所述控制系统b的cpu模块b的运行状态；
17.所述裁决模块a通过所述互检信号从所述裁决模块b获取所述cpu模块b的运行状
态，所述裁决模块b通过所述互检信号从所述裁决模块a获取所述cpu模块a的运行状态。
18.可选地，所述在其中一个控制系统发生故障的情况下，切换为其它任意一个控制系统运行，包括：
19.在所述控制系统a的cpu模块a突发故障的情况下，所述裁决模块a中止所述cpu模块a的运行，所述控制系统b的所述裁决模块b控制所述cpu模块b开始运行。
20.可选地，还包括：
21.在所述控制系统a的cpu模块a突发故障的情况下，所述同步通信模块b同步所述cpu模块a的运行数据，并控制串口通信模块b作为输出通道进行输出。
22.可选地，所述同步通信模块包括共享存储器，多个所述同步通信模块之间通过所述共享存储器进行同步。
23.可选地，所述裁决模块包括fpga芯片。
24.有益效果：
25.能够提高舰船控制系统的安全性和可靠性，实时处理多样及复杂的控制任务，冗余控制系统的主、备模块互换性好，保证控制系统的实时正常运行，排除单点故障隐患，防止模块故障导致的控制系统瘫痪，降低损失成本。
附图说明
26.图1为根据本发明实施例的无中心裁决冗余控制系统的示意图。
具体实施方式
27.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
28.本发明提供了一种无中心裁决冗余控制系统，用于单个终端设备。
29.本发明的无中心裁决冗余控制系统包括多个控制系统，每个控制系统包括cpu模块、存储模块、裁决模块、同步通信模块、串口通信模块、节点控制模块和电源模块。
30.如图1所示，本发明的无中心裁决冗余控制系统包括两个控制系统：控制系统a和控制系统b，控制系统a和控制系统b的各个模块完全对称，电路结构相同，具有良好的互换能力，默认控制系统为控制系统a，即控制系统a为主用控制系统，控制系统b为备用控制系统。可以通过拨码开关为各个控制系统设置物理识别号，以便于区分及识别，比如，控制系统a的物理识别号为“0011”，控制系统b的物理识别号为“1100”；其中，物理识别号可以根据需要任意设置。
31.在控制系统a故障的情况下，裁决模块b切换为控制系统b；在控制系统b故障的情况下，裁决模块a切换为控制系统a，以保证舰船控制系统的正常运行，提高舰船控制系统的安全性和可靠性。
32.在本发明实施例中，cpu模块作为控制系统的核心模块，与存储模块及相关的外围电路连接设置于单块电路板上，即可形成单板控制系统，用于处理接收到的控制任务。控制系统a和控制系统b的cpu模块相同，cpu模块的处理器可以采用intel core i7、龙芯3a5000、飞腾ft-2000/4或更高性能的处理器，将处理器进行pcie型板卡加固设计。
33.进一步地，cpu模块还包括复位电路、晶振与系统时钟等。
34.在本发明实施例中，存储模块与cpu模块对应，包括flash存储器、sram存储器等，
flash存储器主要用于存储程序，sram存储器用于存储cpu的运行数据。其中，存储模块可以通过sata串行连接方式与cpu模块连接。
35.在本发明实施例中，裁决模块包括fpga芯片，用以无中心裁决控制逻辑的实现，包括自检、互检、故障检测以及仲裁切换等。裁决模块包括自检信号线和互检信号线，控制系统启动后，裁决模块实时检测自身对应的控制系统以及对方控制系统的运行状态，根据系统属性，确定主用控制系统和备用控制系统，并在主用控制系统突发故障的情况下，发出切换信号和同步信号，使得两个控制系统根据切换信号切换为备用控制系统运行，并根据同步信号同步运行数据，同步完成后，由备用控制系统的串口通信模块作为输出通道进行输出；或者，在备用控制系统突发故障的情况下，发出切换信号和同步信号，使得两个控制系统根据切换信号切换为主用控制系统运行，并根据同步信号同步运行数据，同步完成后，由主用控制系统的串口通信模块作为输出通道进行输出，从而实现两个控制系统能够协调有效地进行故障判断和冗余切换的操作，并保证时刻无中心裁决冗余控制系统仅有其中一个控制系统运行；其中，自检信号线和互检信号线可以采用32/64位数据总线。
36.比如，裁决模块a实时检测控制系统a以及控制系统b各个模块的运行状态，裁决模块b实时检测控制系统a以及控制系统b各个模块的运行状态；在主用控制系统为控制系统a的情况下，裁决模块a、裁决模块b的fpgaa、fpgab确定主用控制系统为控制系统a，备用控制系统为控制系统b；在控制系统a的cpu模块a突发故障的情况下，fpgaa根据自检信号、fpgab根据互检信号确定cpu模块a突发故障，fpgaa、fpgab发出切换信号和同步信号，使得fpgab根据切换信号中止控制系统a运行、fpgab根据切换信号切换为控制系统b运行，并根据同步信号将控制系统a的运行数据同步至控制系统b；同步完成后，由串口通信模块b作为输出通道进行输出，实现无中心裁决冗余控制系统可靠的仲裁切换功能；其中，自检信号和互检信号可以是心跳信号。
37.为了保证冗余控制系统的多个裁决模块能够协调工作，在多个控制系统之间通过互联信号进行互检，同时为了降低系统的复杂度、提高系统整体的可靠性，互联信号的数量应该尽可能少，比如，仅仅包括用于指示对方控制系统运行状态的状态信号t_errorn、t_wdogn等。裁决模块实时检测各个控制系统的运行情况，根据各个控制系统cpu模块的errorn、wdogn和t_errorn、t_wdogn状态信号，根据状态信号展示的运行状态进行判断，发生故障时及时切换控制系统。其中，在控制系统启动后，对状态信号进行初始化，从而使得控制系统运行状态的判断更加准确。
38.裁决模块的目标是在冗余控制系统的其中一个控制系统发生故障后，其它控制系统可以继续运行，实现控制系统的平滑切换，切换时间长短与运行数据的同步时间、故障判定算法以及硬件电路的切换时间相关。比如，在冗余控制系统包括两个控制系统的情况下，如果其中一个控制系统发生故障，则切换为另外一个控制系统运行。
39.根据本发明的无中心裁决冗余控制系统，任何时刻只有其中一个控制系统运行，包括只有其中一个cpu模块执行控制任务、只有其中一个串口通信模块在有效地输出数据等。
40.在本发明实施例中，同步通信模块包括同步通信组件、共享存储器dpram，主用控制系统和备用控制系统之间的同步为基于dpram的同步通信的任务级同步。其中，同步通信模块和对应的cpu模块之间、多个同步通信模块之间可以采用32/64位数据总线通信。本发
明的无中心裁决冗余控制系统通过将控制逻辑和共享存储器集成在一片大规模集成电路内，可以实现快速可靠的双端口异步操作，为同步通信提供便利。
41.在本发明实施例中，串口通信模块之间可以通过rs232接口通信，可以用于无需传输大量实时数据的场合，主用控制系统和备用控制系统之间通过串口通信模块可以实现低速数据传输。
42.在本发明实施例中，节点控制模块包括节点芯片、处理器、共享存储器dpram、独立存储器、电源、时钟等组成，用于提供总线的控制接口，实现总线协议的数据传输。节点控制模块作为消息交换的枢纽，一方面提供总线资源管理和消息发送接收，另一方面提供系统中各节点之间的信息传输，进行总线消息转发和节点异常检测等。
43.节点控制模块用于与外界进行高速数据传输，其中，处理器通过hoci接口对节点芯片的内部寄存器进行初始化配置，控制链路进行数据的发送和接收。节点控制模块与cpu模块之间的传输信息包括：通道同步信息、信号节点监控及表决信息、通道间健康监控状态表决信息、pcie总线收发数据信息等，节点控制模块与同步通信模块之间的传输信息为同步脉冲信号。节点控制模块和cpu模块、同步通信模块之间可以采用32/64位数据总线通信。
44.在本发明实施例中，本发明的终端设备包括pcie总线底板，多套控制系统设置于总线底板上，通过pcie总线与底板连接。
45.在本发明实施例中，电源模块用于为各个控制系统供电，不同的控制系统对应不同的电源模块。其中，电源的模拟部分和数字部分可以分开供电，以减少干扰。
46.在本发明实施例中，本发明的无中心裁决冗余控制系统中，各个控制系统内的裁决模块独立作用，主用控制系统和备用控制系统的各个模块对称全同，互换性好，其中任意一个控制系统的模块出现故障都不会影响到终端设备的正常输出，两套控制系统通过互检信号进行互检，能够协调工作，使得控制系统的可靠性、安全性和实时性得到极大提高。
47.在本发明实施例中，主用控制系统和备用控制系统的各个模块可以采用热插拔形式，结构简单、安装方便，易换性强。
48.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。