一种宇航双冗余空间通信设备的故障自诊断和自主切换系统及方法与流程

1.本发明涉及空间通信设备技术领域，尤其涉及一种宇航双冗余空间通信设备的故障自诊断和自主切换系统及方法。


背景技术：

2.在航天领域，为了保障电子电路系统的可靠性，往往会选择将某一电路模块或系统进行双冗余备份，以使得在一路系统发生故障的时候，能够切回另一路备份系统，以增加宇航电子系统的可靠性。而在来回选择和切换的过程中，一直需要地面控制台发送遥控指令来完成这样的切换工作。如何让宇航空间设备在轨能够自主检测自身的故障，并且当出现故障时能够自主诊断，自主切换到备份电路中使用，是摆在航天系统设计师面前的一个难题。
3.在宇航空间通信设备的研制过程中，通常采用双机冗余结构的形式进行设计。这样设计的好处是在主设备出现故障的情况下，可切换至备用设备替代主设备工作。这样的切换功能一般是通过遥控指令进行的。但是，由于要从地面发送遥控切换指令至在轨运行的空间通信设备，往往需要相应的遥测信息作为判断依据，不能做到实时发送，并且在主设备发身故障的情况下，地面不一定能正常接收到遥测判据信息。这就需要宇航空间通信设备具有自主故障诊断和自主切换的功能。
4.目前在宇航双冗余设备的故障诊断和自主切换领域，主要的应用方法有：杨寒、范祥辉，“一种主备自主切换1553b总线接口模块设计与实现”，信息通信，2016年第05期，设计了一种可实现自主切换满足1553b总线标准的远程终端(rt)接口模块，在共用1个rt地址及收发器、变压器的条件下，实现两路1553b总线的热备份功能，从而提高子系统1553b总线通信的可靠性。该接口模块采用soc芯片作为协议处理器，两片soc芯片组成接口模块a、b两个独立的协议处理电路，并通过fpga实现主机接口时序访问及故障自主切换功能。该方法无法满足航天设备所需要的高可靠性以及抗单粒子、耐总剂量的特性。
5.上海航天测控通信研究所申请号cn201110366018.x，名称“星载双冗余计算机主机工作状态监测及故障自主切换装置”，公开了一种星载双冗余计算机主机工作状态监测及故障自主切换装置，包括：对主机正常信号的采集电路与自主切换逻辑控制电路连接；防误切换保障电路与自主切换逻辑控制电路连接；自主切换逻辑控制电路根据采集电路的积分电路的结果确定是否输出切换指令信号给自主切换驱动电路。本发明采用具有自主故障诊断与切换功能的电路，可对双冗余星载计算机实施高可靠切换，解决了星载双冗余计算机自主运行状态下故障诊断与处理及工作正常情况下误切换的问题。该方法只能诊断异常的电压输出情况，不能诊断因信息失步和误码而引起的故障情况。
6.综上所述，现有技术不能让宇航空间设备在轨能够自主检测自身的故障，并且当出现故障时能够自主诊断，自主切换到备份电路中使用。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种宇航双冗余空间通信设备的故障自诊断和自主切换系统及方法，通过使用fpga进行通信故障的自诊断以及使用54系列的组合逻辑电路实现自主切换或地面指令切换主备份的方法，达到提高设备可靠性的目的。
8.本发明提供了一种宇航双冗余空间通信设备的故障自诊断和自主切换系统，包括：故障自诊断模块，用于故障自诊断和判别，并对故障自诊断的逻辑电路进行三模冗余处理，将三模冗余后的自诊断的结果输出至故障诊断结果响应模块；自主切换允许和禁止控制模块，用于生成允许自主切换或者禁止自主切换的控制信号；地面指令响应模块，用于通过对地面指令进行滤波处理和运算，输出地面指令的响应结果；故障诊断结果响应模块，用于将自诊断的结果进行响应处理，当诊断结果异常时，输出正常反馈信号；当诊断结果正常时，则输出正常反馈信号；地面指令切换和自主切换控制模块，用于将故障诊断结果响应模块运算的结果输出至地面指令切换和自主切换控制模块，产生相应的控制信号；切换指令输出模块，用于切换指令的输出脉冲展宽达到延时目的，同时也用于自主切换和地面指令切换的控制。
9.优选地，采用fpga逻辑电路和54系列芯片的组合逻辑电路相结合，所述fpga逻辑电路，用于故障自诊断，所述54系列芯片的组合逻辑电路，用于自主切换；通过将故障自诊断的结果送至组合逻辑电路来进行运算，执行设备的自主切换。
10.优选地，所述故障自诊断模块包括三模冗余模块，用于通过判断通信设备的每个传输包的包头是否符合正常标准，执行双冗余空间通信设备的故障自诊断。
11.优选地，所述自主切换允许和禁止控制模块包括d触发器，所述d触发器的输出端与反相器连接来控制信号的高低，当控制信号为低电平时，系统允许自主切换，即此时自主切换和地面指令切换同时响应；当控制信号为高电平时，系统禁止自主切换，即自主切换功能无效，仅响应地面指令切换信号。
12.优选地，所述地面指令响应模块包括地面指令信号与二极管、第一电阻、第一电容和第二电容依次连接并接地，且第一与门输入的一端连接，同时，二极管与第一电阻之间连接第二电阻、第三电容和第四电容；第一与门输出端与第一反相器、第二反相器连接，输出至切换指令输出模块；第一与门输入的另一端与第一或门的输出端连接，第一或门输入的一端与第二与门、第三电阻连接且与电源连接，第一或门输入的另一端与第三与门、第四电阻连接且与电源连接。
13.优选地，所述故障诊断结果响应模块中，故障自诊断的输出信号包括主份的故障自诊断输出信号和备份的故障自诊断输出信号，将主份的故障自诊断输出信号和备份的故障自诊断输出信号经过组合逻辑运算后，送入地面指令切换和自主切换控制模块。
14.优选地，所述故障诊断结果响应模块包括故障自诊断输出信号和备份的故障自诊断输出信号，故障自诊断输出信号与第三非门输入端连接，第三非门输出端分别与第二或门输入的一端、第四与门输入的一端连接，且第二或门输入的另一端和第四与门输入的另一端分别接入备份的故障自诊断输出信号，第二或门的输出端和第四与门的输出端分别与第五与门输入的一端、第六与门输入的一端连接，第五与门输入的另一端和第六与门输入的另一端分别与切换指令连接，第五与门的输出端和第六与门的输出端与第三或门连接至地面指令切换和自主切换控制模块。
15.优选地，所述切换指令输出模块采用d触发器，将地面手控指令的响应信号接入信号输入端，通过信号输入端的高低电平的转换或控制信号的联动变化执行地面指令切换或自主切换信号的输出。
16.优选地，所述地面指令切换和自主切换控制模块中，当输出为地面指令的响应时，输出信号的宽度是经过地面指令响应模块运算输出的clk信号宽度的2倍。
17.本发明还提供了一种宇航双冗余空间通信设备的故障自诊断和自主切换方法，包括如下步骤：
18.步骤s1，通过故障自诊断模块进行故障自诊断和判别，并对故障自诊断的逻辑电路进行三模冗余处理，将三模冗余后的自诊断的结果输出至故障诊断结果响应模块；
19.步骤s2，通过自主切换允许和禁止控制模块生成允许自主切换或者禁止自主切换的控制信号；
20.步骤s3，通过地面指令响应模块对地面指令进行滤波处理和运算，输出地面指令的响应结果；
21.步骤s4，通过故障诊断结果响应模块将自诊断的结果进行响应处理，当诊断结果异常时，输出正常反馈信号；当诊断结果正常时，则输出正常反馈信号；
22.步骤s5，通过地面指令切换和自主切换控制模块将故障诊断结果响应模块运算的结果输出至地面指令切换和自主切换控制模块，产生相应的控制信号；
23.步骤s6，通过切换指令输出模块切换指令的输出脉冲展宽达到延时目的，同时也进行自主切换和地面指令切换的控制。
24.本发明与现有技术相比较，具有如下有益效果：
25.第一，本发明采用fpga逻辑电路与组合逻辑电路相结合的方法，提高了故障诊断的精细程度，避免了传统自主切换方法因失步和误码而引起的故障无法判断的缺点。
26.第二，本发明在拥有自主实时切换功能的同时，仍然具有地面遥控指令切换冗余备份设备的功能，在保证地面控制功能完全不变的情况下，能够通过内部自主逻辑判断，自主切换冗余备份设备，既提高了切换的效率又增强了设备的可靠性。
27.第三，本发明在关键模块上使用了三模冗余设计，在fpga内部的故障自诊断模块发生在轨单粒子翻转等异常现象或者其他异常问题时，可以通过三模冗余确保故障自诊断功能的正确性，三模冗余后则发生故障诊断异常的概率被大大降低，从而提高了设备在轨的可靠性。
28.第四，本发明结构简单，使用方便，全部使用国产化器件，成本可控，使用宇航高质量等级的元器件，使其具备抗单粒子效应和耐总剂量效应的特点，更进一步提高故障诊断模块在恶劣环境中的适应能力与可靠性。
附图说明
29.图1为本发明实施例中故障自诊断的fpga逻辑图；
30.图2为本发明实施例中自主切换控制的核心电路图；
31.图3为本发明实施例中自主切换信号产生逻辑图；
32.图4为本发明实施例中故障诊断信号的处理逻辑图。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.如图1所示，本发明提供了一种宇航双冗余空间通信设备的故障自诊断和自主切换系统，包括：故障自诊断模块，用于故障自诊断和判别，并对故障自诊断的逻辑电路进行三模冗余处理，将三模冗余后的自诊断的结果输出至故障诊断结果响应模块；自主切换允许和禁止控制模块，用于生成允许自主切换或者禁止自主切换的控制信号；地面指令响应模块，用于通过对地面指令进行滤波处理和运算，输出地面指令的响应结果；故障诊断结果响应模块，用于将自诊断的结果进行响应处理，当诊断结果异常时，输出正常反馈信号；当诊断结果正常时，则输出正常反馈信号；地面指令切换和自主切换控制模块，用于将故障诊断结果响应模块运算的结果输出至地面指令切换和自主切换控制模块，产生相应的控制信号；切换指令输出模块，用于切换指令的输出脉冲展宽达到延时目的，同时也用于自主切换和地面指令切换的控制。
35.本发明主要针对于宇航产品使用的双冗余空间通信设备，包括但不限于其他各类军用、民用、商用或者工业使用等的双冗余设备的故障诊断和自主切换方法。
36.进一步，采用fpga逻辑电路和54系列芯片的组合逻辑电路相结合，所述fpga逻辑电路，用于故障自诊断，所述54系列芯片的组合逻辑电路，用于自主切换；通过将故障自诊断的结果送至组合逻辑电路来进行运算，从而完成设备的自主切换。
37.进一步，故障自诊断模块包括三模冗余模块，用于通过判断通信设备的每个传输包的包头是否符合正常标准，执行双冗余空间通信设备的故障自诊断。
38.本领域技术人员可以理解，如附图1所示，故障自诊断判别和三模冗余模块通过判断通信设备的每个传输包的包头是否符合正常标准，实现双冗余空间通信设备的故障自诊断。例如：传输包的包头为da87，当通信时发现包头不为da87，即判断通信传输出错，否则认为传输正常。当空间通信设备因单粒子效应或其他诸如芯片烧毁、器件失效、电压电流的突升或骤降等原因而出现故障问题时，必然会导致宇航通信设备之间的信息传输出现偏差，通信的包头必然出错。
39.由于故障自诊断模块在整个系统中占据着十分重要的地位。因此，对故障自诊断模块进行三模冗余处理，即三个相同的模块同时执行相同的操作，以多数相同的输出作为表决系统的正确输出，提高空间通信设备的抗干扰能力和可靠性。如附图1所示，通过判断通信设备的每个传输包的包头是否符合正常标准，实现双冗余空间通信设备的故障自诊断。当空间通信设备因单粒子效应或其他诸如芯片烧毁、器件失效、电压电流的突升或骤降等原因而出现故障问题时，必然会导致宇航通信设备之间的信息传输出现偏差，通信的包头必然出错。
40.进一步，所述自主切换允许和禁止控制模块包括d触发器，所述d触发器的输出端与反相器连接来控制信号的高低，当控制信号为低电平时，系统允许自主切换，即此时自主切换和地面指令切换同时响应；当控制信号为高电平时，系统禁止自主切换，即自主切换功能无效，仅响应地面指令切换信号。
41.如附图2、3所示，所述自主切换允许和禁止控制模块通过控制54hc74芯片的引脚6的输出来控制nzs信号的高低，当nzs信号为低电平时，系统允许自主切换，即此时自主切换和地面指令切换可以同时响应，当nzs信号为高电平时，系统禁止自主切换，即此时自主切换功能无效，仅响应地面指令切换信号。
42.进一步，所述地面指令响应模块包括地面指令信号k_trans与二极管v30、第一电阻r20、第一电容c319和第二电容c320依次连接并接地，且第一与门d7c输入的一端9脚连接，同时，二极管v30与第一电阻r20之间连接第二电阻r109、第三电容c24和第四电容c25；第一与门d7c输出端8脚与第一反相器d3a、第二反相器d3b连接，输出至切换指令输出模块dib；第一与门d7c输入的另一端10脚与第一或门d20a的输出端3脚连接，第一或门d20a输入的一端1脚与第二与门d8b、第三电阻r902连接且与电源连接，第一或门d20a输入的另一端2脚与第三与门d8a、第四电阻r903连接且电源连接。
43.本领域技术人员可以理解，如附图3所示，地面手控指令信号k_trans通过二极管v30和电阻r20、电容c319、c320滤波后再通过组合逻辑与门和两个非门的处理后，送入切换指令的输出模块。
44.进一步，故障自诊断的输出信号包括主份的故障自诊断输出信号和备份的故障自诊断输出信号，将主份的故障自诊断输出信号和备份的故障自诊断输出信号经过组合逻辑运算后，送入地面指令切换和自主切换控制模块。
45.本领域技术人员可以理解，如附图4所示，故障自诊断的输出信号有两个，分别为主份的故障自诊断输出信号checka和备份的故障自诊断输出信号checkb。将checka和checkb信号经过54hc08和54hc32的组合逻辑运算之后，送入地面指令切换和自主切换控制模块。
46.如附图4所示，地面指令切换和自主切换控制模块通过故障自诊断模块输出的信号来运算产生clrtrans和pretrans这两个控制信号。当nzs信号为低电平且rst信号为高电平时，clrtrans和pretrans信号的高低电平刚好是相反的，此时为自主切换的响应模式。当nzs信号为高电平且rst信号为高电平时，clrtrans和pretrans信号必然同时为高电平，此时为地面指令切换的响应模式。
47.所述故障诊断结果响应模块包括主份的故障自诊断输出信号(checka)和备份的故障自诊断输出信号(checkb)，故障自诊断输出信号checka与第三非门d5c输入端5脚连接，第三非门d5c输出端6脚分别与第二或门d9b输入的一端5脚、第四与门d6a输入的一端1脚连接，且第二或门d9b输入的另一端4脚和第四与门d6a输入的另一端2脚分别接入备份的故障自诊断输出信号checkb，第二或门d9b的输出端6脚和第四与门d6a的输出端3脚分别与第五与门d6d输入的一端13脚、第六与门d6b输入的一端4脚连接，第五与门d6d输入的另一端12脚和第六与门d6b输入的另一端5脚分别与切换指令trans、yc_trans连接，第五与门的输出端11脚和第六与门d6b的输出端6脚与第三或门d9c连接至地面指令切换和自主切换控制模块。
48.本领域技术人员可以理解，如附图4所示，地面指令切换和自主切换控制模块通过故障自诊断模块输出的信号来运算产生clrtrans和pretrans这两个控制信号。当nzs信号为低电平且rst信号为高电平时，clrtrans和pretrans信号的高低电平刚好是相反的，此时为自主切换的响应模式。当nzs信号为高电平且rst信号为高电平时，clrtrans和pretrans
信号必然同时为高电平，此时为地面指令切换的响应模式。
49.进一步，所述切换指令输出模块采用54hc74触发器。
50.如附图2、3所示，通过54hc74的输出特性，将地面手控指令的响应信号接入54hc74的clk端，分别将clrtrans和pretrans信号接入d触发器54hc74的clr(cd)端和pre(sd)端，再将其d脚和q’脚相连后输出。通过控制clk端的高低电平的转换或者控制clrtrans和pretrans信号的联动变化实现地面指令切换或自主切换信号的输出。
51.更进一步地，当输出为地面指令的响应时，输出信号的宽度是经过地面手控指令信号响应模块运算输出的clk信号宽度的2倍，拓宽了输出信号的宽度，也即增加了切换主备设备的响应时间，有效地确保切换功能能够顺利响应。
52.实现本发明目的的思路是：
53.第一，通过控制54hc74的clk端、clr(cd)端、pre(sd)端和d端实现切换指令的响应输出，将输出信号通过两个54hc14非门整形，然后分别输出至主份设备和备份设备。如表1所示。
54.表1 54hc74系列芯片真值表
[0055][0056]
当pre和clr两个信号都为高电平时，将d脚和q’脚相连接，此时当clk信号有脉冲响应时，输出会跟随clk信号以及d信号而发生变化。当pre和clr两个信号一个为高电平时，一个为低电平时，此时输出q’端仅取决于pre信号的高低电平，与clk端和d端的信号无关。
[0057]
第二，如附图2、3所示，通过控制54hc74的clk端、clr(cd)端、pre(sd)端和d端实现禁止/允许自主切换信号的输出。将d端接高电平连接至pre端，clk端接手动指令控制响应信号，rst复位端接clr端。由表1可知，在刚开机时，pre端为高，clr端复位信号为低，此时54hc74的q’端不受clk端和d端的影响，输出为高，导致nzs信号为低。当开机完成后，rst回复高电平后，此时，只要clk有任何电平波动影响，将导致nzs信号翻转。从而实现，禁止/允许自主切换信号的控制。
[0058]
第三，如附图4所示，地面指令切换和自主切换控制模块中，当nzs信号为高电平时，clrtrans信号和pretrans信号的输出不受任何其他信号的干扰，都将输出高电平。当nzs信号为低电平时，clrtrans信号和pretrans信号的输出受d9芯片54hc32的8脚输出信号的影响。此时，d9芯片54hc32的8脚输出为高电平时，clrtrans输出为低且pretrans输出为高；d9芯片54hc32的8脚输出为低电平时，clrtrans输出为高且pretrans输出为低；
[0059]
基于上述系统实施例，本发明还提供了一种宇航双冗余空间通信设备的故障自诊断和自主切换方法，包括如下步骤：
[0060]
步骤s1，通过故障自诊断模块进行故障自诊断和判别，并对故障自诊断的逻辑电
路进行三模冗余处理，将三模冗余后的自诊断的结果输出至故障诊断结果响应模块；
[0061]
步骤s2，通过自主切换允许和禁止控制模块生成允许自主切换或者禁止自主切换的控制信号；
[0062]
步骤s3，通过地面指令响应模块对地面指令进行滤波处理和运算，输出地面指令的响应结果；
[0063]
步骤s4，通过故障诊断结果响应模块将自诊断的结果进行响应处理，当诊断结果异常时，输出正常反馈信号；当诊断结果正常时，则输出正常反馈信号；
[0064]
步骤s5，通过地面指令切换和自主切换控制模块将故障诊断结果响应模块运算的结果输出至地面指令切换和自主切换控制模块，产生相应的控制信号；
[0065]
步骤s6，通过切换指令输出模块切换指令的输出脉冲展宽达到延时目的，同时也进行自主切换和地面指令切换的控制。
[0066]
本领域技术人员可以理解，执行本方法时进行如下步骤：
[0067]
步骤一：准备宇航标准的高质量等级的fpga芯片和54系列逻辑门芯片，其他外围电路元器件同样都选择为宇航高质量等级元器件。
[0068]
步骤二：如附图1所示，按照相应的逻辑完成fpga故障自诊断的功能，同时，对故障自诊断的逻辑进行三模冗余处理，将故障诊断的结果输出至故障自诊断结果响应模块。
[0069]
步骤三：如附图4所示，将宇航空间通信设备主份的故障自诊断结果checka接入d5芯片54hc14的5脚，d5芯片54hc14的6脚接d6芯片54hc08的1脚。d6的2脚接备份的故障自诊断结果checkb，d6的3脚和4脚相连，5脚接切换指令yc_trans，12脚接切换指令trans，13脚和d9芯片54hc32的6脚相连。d9芯片54hc32的4脚接备份的故障自诊断结果checkb，5脚接d5芯片54hc14的6脚，9脚接d6芯片54hc08的11脚，10脚接d6芯片54hc08的6脚。
[0070]
步骤四：如附图4所示，将故障诊断结果响应模块的输出端，也即d9芯片54hc32的8脚与2脚相连，1脚接d9的13脚和d3芯片54hc14的10脚，8脚再与d3的13脚相连，12脚与d3的12脚相连，3脚与d4芯片54hc14的1脚相连，11脚与d6芯片54hc08的9脚相连。d6的10脚接rst复位信号端，8脚为输出信号clrtrans与d1芯片54hc74的13脚相连。d7芯片54hc08的12脚接rst复位信号端，11脚接d4的3脚。d4的2脚与d7的13脚相连，4脚为输出信号pretrans信号与d1的10脚相连。
[0071]
步骤五：如附图3所示，将地面手控指令信号trans接入v30二极管，并通过电阻r109和电容c24、c25上拉至5v，同时v30的另一端通过r20接入d7芯片54hc08的9脚，并在d7的9脚附近接入两个串联的相同容值的电容c319和c320进行滤波。d7的10脚如无其他用途，可以直接拉高使用。
[0072]
步骤六：如附图3所示，禁止/允许自主切换模块，d7芯片54hc08的8脚与d3芯片54hc14的1脚相连。d3的2脚与3脚相连并且和d1的3脚相连。d1的2脚通过r23接5v上拉，2脚与4脚相连，1脚接rst复位信号端，6脚接d3的11脚。d3的10脚输出信号nzs与d9的1脚和13脚相连。
[0073]
步骤七：如附图3所示，切换指令输出模块，d1的11脚与d3的4脚相连，13脚接clrtrans信号端，10脚接pretrans信号端，12脚与8脚相连并连接至d3的9脚。d3的8脚输出信号yc_trans并连接至其5脚，6脚输出trans信号。
[0074]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管
参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。