专利名称：一种嵌入式计算机信息加固方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明属于航空航天飞行器控制系统的核心电子设备，具体涉及一种抗强电磁脉冲干扰的软防护方法及嵌入式计算机系统。
背景技术：
专利申请号为200510120638. X、发明名称“一种软硬件协同防止系统死机中断业务的复位方法”，发明人为王静漩、齐建、陆建鑫。该发明公开了一种软硬件协同防止系统死机中断业务的复位方法。该发明只是对系统异常情况进行分析，确定进行软件或者硬件复位，实质上是避免瞬时故障发生，如果死机真正发生则不能及时实施恢复措施。专利申请号为03119146.0、发明名称“一种计算机断电自恢复的装置及方法”，发明人为郭加总。该发明公开了一种计算机断电自恢复装置。该发明是针对市电供电系统的计算机断电自恢复方法，仅适用于电力系统，并只能用在地面系统，实时性较低。且该发明只是对现场信息进行了存储，没有进行必要的保护，恢复数据的可靠性低。文章李路，《系统死机分析和解决方法》，现代防御技术，1991年第6期，第64 71页，对航空导弹武器系统的微机死机进行了死机机理和防护措施分析，给出了防止微机死机的两种防护措施与总体性能指标以及采取死机自动恢复后的设计要点，未给出具体的创新性方法。文章柴文德，《计算机的“死机”与自动恢复》，雷达与对抗，1996年第4期，第36 39页，提出了一种用软件、硬件相结合的方法。该文章没有对外部复位和死机产生的复位进行必要的区分，并且采用普通的RAM对现场信息进行存储，也没有对存储器进行保护，如果受到较强的电磁脉冲干扰，这些信息可能会遭到破坏，以至于无法恢复到正常工作状态。目前尚未收集到关于信息加固方法及系统的相关公开技术资料和专利。为了满足航空航天飞行器在强电磁脉冲干扰等恶劣环境下仍能实现按时起飞、对抗飞行、准确到达目标的能力，抗电磁脉冲EMP和瞬时故障的嵌入式计算机信息加固系统具有很高的军事应用价值和社会效益。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种嵌入式计算机信息加固方法及系统。本发明方法的技术解决方案是一种嵌入式计算机信息加固方法，包括下列步骤(1)嵌入式计算机工作正常时，在每个工作节拍内实时将嵌入式计算机内的关键信息进行更新、存储并保护；关键信息包括当前采样周期的X、Y、Z三个方向加速度脉冲值与三个方向的位置值，当前采样周期的俯仰φ、偏航ψ、滚动γ三个方向角速率脉冲值与三个方向的姿态值，当前采样周期的相对时间计数器τ。、绝对时间计数器Ta值；(2)根据预先设定的判断方式，当出现工作程序进入非工作区和死循环的异常情况时，控制飞行器保持故障前的运动姿态并重新启动正常的工作节拍和采样周期；(3)按照给定的方式将存储的关键信息搬移到嵌入式计算机的内存，根据故障前存储的正常时间节点的相对和绝对时间计数器的数值，进行时间轴恢复；采集新的惯性信息，连同步骤(1)中存储的故障前正常的关键导航信息，进行导航信息补偿和解算；并根据新解算的导航信息获得正确的定位定向信息；(4)利用步骤(3)中解算的定位定向信息，使飞行器在恢复的时间轴下采用给定的制导方式进行新的制导解算，给出正确的控制量，控制飞行器的姿态运动，实现闭环控制，直至导航和制导精度满足给定要求，完成异常情况的信息加固。本发明系统的技术解决方案是一种嵌入式计算机信息加固系统，包括故障检测和异常告警电路、时间服务器、关键信息保护电路、瞬时故障恢复模块和输出控制电路；关键信息保护电路，在每个正常的工作节拍内实时地将关键信息从嵌入式计算机内存搬移出来并进行更新、存储并保护；故障检测和异常告警电路，对被破坏的计算过程周期进行探测与定位，当出现工作程序进入非工作区和死循环的异常情况时，产生异常告警信号，激发瞬时故障恢复模块；瞬时故障恢复模块，根据故障检测和异常告警电路的激发，产生封锁输出码发给输出控制电路，同时停止关键信息保护电路的工作，并利用关键信息保护电路中存储的时间节点的相对和绝对时间计数器的数值，进行时间轴恢复；产生时间节拍重启指令发送至时间服务器；采集新的惯性信息，并从关键信息保护电路中获取故障前正常的关键信息，进行导航信息补偿和解算；并根据新解算的导航信息获得正确的定位定向信息；利用解算的正确定位定向信息和恢复的时间轴，采用预定的制导方式进行新的制导解算，给出相应的控制量至输出控制电路，由输出控制电路控制飞行器的姿态运动，实现恢复阶段的闭环控制；当导航和制导精度满足给定要求时，发出控制信号控制关键信息保护电路进入正常的工作节拍；时间服务器，根据接收的时间节拍重启指令重新启动正常的工作节拍和采样周期；输出控制电路，根据接收的封锁输出码，保持飞行器故障前的运动姿态，在瞬时故障恢复模块进行导航和制导解算后，输出相应的控制量，控制飞行器的姿态运动。所述的关键信息保护电路对关键信息的保护采用铁电存储器的主备数据区加软开关，记为Sl和S2实现；具体流程为首先，将软开关Sl设置为“开”状态，再将当前采样周期的关键信息存储在主数据区，存储完成后将软开关Sl重新设置为“关”状态；其次，将软开关S2设置为“开”状态，将当前采样周期的关键信息存储在备份数据区，存储完成后并将软开关S2再设置为“关”状态。本发明与现有技术相比有益效果为(1)本发明方法及系统提供了一种嵌入式计算机信息加固方法及系统，该方案通过对关键信息进行有效的保护，利用瞬时故障恢复模块使飞行器在发生瞬时故障时，能够实现自主恢复确保飞行成功，具有很高的军事应用价值和社会效益。(2)本发明在对关键信息的保护过程中通过两个软开关确保关键信息不会被随意的改动或者覆盖，提高了关键信息保护电路的安全性。
(3)本发明在时间轴恢复过程中，利用存储的故障前的时间信息结合经验，恢复方
法简单、可靠。(4)本发明关键信息存储的载体采用铁电存储器，能够保证在各种恶劣情况下保持关键信息的完好性，可提高关键信息保护和信息加固系统的可靠性。
图1为本发明方法流程图；图2为本发明系统组成框图；图3为本发明瞬时故障模块组成框图；图4为本发明嵌入式计算机正常飞行控制的统一时间轴；图5为本发明关键信息保护的工作流程图。
具体实施例方式如图1所示，一种抗EMP和瞬时故障的嵌入式计算机信息加固方法，包括下列步骤(1)嵌入式计算机工作正常时，在每个工作节拍内实时将嵌入式计算机内的关键信息进行存储并保护；关键信息包括3类，即当前采样周期的X、Y、Z三个方向加速度脉冲值与三个方向的位置值；当前采样周期的俯仰、偏航、滚动φ、ψ、Υ三个方向角速率脉冲值与三个方向的姿态值；当前采样周期的相对时间计数器Τ。、绝对时间计数器Ta值；(2)根据预先设定的判断方式，当出现工作程序进入非工作区和死循环的异常情况时，控制飞行器保持故障前的运动姿态并重新启动正常的工作节拍和运算周期；(3)按照给定的方式将存储的关键信息搬移到嵌入式计算机的内存，根据故障前存储的正常时间节点的相对和绝对时间计数器的数值，进行时间轴恢复；采集新的惯性信息，连同步骤(1)中存储的故障前正常的关键导航信息，进行导航信息补偿和解算；并根据新解算的导航信息获得正确的定位定向信息；(4)利用步骤(3)中解算的定位定向信息，使飞行器在恢复的时间轴下采用给定的制导方式进行新的制导解算，给出正确的控制量，控制飞行器的姿态运动，实现闭环控制，直至导航和制导精度满足给定要求，完成异常情况的信息加固。下面介绍一种实现上述方法的系统，如图2所示，包括故障检测和异常告警电路、 时间服务器、关键信息保护电路、瞬时故障恢复模块和输出控制电路；每个组成部分的具体实现如下(一)关键信息保护电路关键信息保护电路，在每个正常的工作节拍内实时地将关键信息从嵌入式计算机内存搬移出来并在铁电存储器FRAM进行更新、存储并保护；为了支持在出现瞬时故障时的自恢复功能，需要在每个正常的工作节拍内实时地将关键信息从嵌入式计算机内存搬移到关键信息保护电路中，然后关闭关键信息保护电路，当出现瞬时故障时再将保护的关键信息从关键信息保护电路搬移到嵌入式计算机内存，以实现对关键信息的保护，为故障恢复提供基本条件。本发明采用铁电存储器FRAM作为关键信息保护的载体。为了实现关键信息存储器的开/关过程，设置了软开关，它可禁止或者允许处理器访问该数据块。具体可以采用铁电存储器的主(bl)备(b2)数据区加软开关(Si和S2)的技术方案。在正常工作节拍内关键信息保护的流程为首先，将软开关Sl设置为“开”状态，再将当前采样周期的关键信息存储在主数据区，存储完成后将软开关Si重新设置为“关”状态； 其次，通过软件延时，一般为10 μ S，将软开关S2设置为“开”状态，再将当前采样周期的关键信息存储在备数据区，存储完成后并将软开关S2再设置为“关”状态，结束一次正常的关键信息保护过程。关键信息保护电路的保护工作流程如附图5所示。在恢复阶段，瞬时故障恢复模块利用关键信息保护电路中存储的时间节点的相对和绝对时间计数器的数值，进行时间轴恢复时，需要检查主数据区和备份数据区的开关标志码，正常情况下Sl和S2应处于“关”状态。例如S1或S2为“0”表示“关”状态，Sl或S2为“ 1，，表示“开”状态。关键信息搬移的流程为首先要判断Sl的开关状态，若Sl处于“开”状态，则说明主数据区(bl)的写保护或读恢复的过程受到干扰，则启用备份数据区(b2)进行恢复。( 二)故障检测和异常告警电路故障检测和异常告警电路，对被破坏的计算过程周期进行探测与定位，当出现工作程序进入非工作区和死循环的异常情况时，产生异常告警信号，激发瞬时故障恢复模块；具体方案为采取瞬时故障实时检测和告警技术。在硬件上设置一个警戒计数定时器，当嵌入式计算机正常工作时，在每个工作节拍完成全部计算算法后将发出指令对警戒计数定时器自动清零，嵌入式计算机程序将完成重复启动。当嵌入式计算机出现进入非工作区和死循环的异常情况时，嵌入式计算机无法发出警戒计数定时器清零指令，则警戒计数定时器将自动产生异常警告信号。(三)瞬时故障恢复模块瞬时故障恢复模块，根据故障检测和异常告警电路的激发，产生封锁输出码发给输出控制电路，同时停止关键信息保护电路的工作，并利用关键信息保护电路中存储的时间节点的相对和绝对时间计数器的数值，进行时间轴恢复；产生时间节拍重启指令发送至时间服务器；采集新的惯性信息，并从关键信息保护电路中获取故障前正常的关键信息，进行导航信息补偿和解算；并根据新解算的导航信息获得正确的定位定向信息；利用解算的正确定位定向信息和恢复的时间轴，采用预定的制导方式进行新的制导解算(例如采用闭路制导方式)，给出相应的控制量至输出控制电路，由输出控制电路控制飞行器的姿态运动，实现恢复阶段的闭环控制；当导航和制导精度满足给定要求时，发出控制信号控制关键信息保护电路进入正常的工作节拍；上述时间轴恢复过程首先读取关键信息保护电路中存储的时间节点的相对和绝对时间计数器的数值T。、Ta，然后将读取的数值与恢复阶段的时间求和，得到恢复的时间轴。 上述恢复阶段的时间一般根据经验确定，一般取2-4个采样周期。导航信息补偿和解算，首先读取关键信息保护电路中存储的X、Y、Z三个方向加速度脉冲值与三个方向的位置值，俯仰、偏航、滚动φ、ψ、Υ三个方向角速率脉冲值与三个方向的姿态值；然后利用上述读取的值与新采样的惯性信息进行插值计算(如牛顿加速外推插值方法)，获得新的定位定向信息。
如图3所示，瞬时故障恢复模块可以采用国产化中央处理芯片SOC实现。通过一个逻辑或接收故障检测和异常告警电路的激发信号以及手动复位(RESET3)、上电复位 (RESETl)，输出中央处理芯片SOC的复位信号(RESET)，由中央处理芯片SOC产生封锁输出码，同时停止关键信息保护电路的工作；程序存储器中的软件根据上述介绍实现时间轴的恢复、导航信息补偿和解算以及制导解算等。(四)时间服务器时间服务器，根据接收的时间节拍重启指令重新启动正常的工作节拍和采样周期；该装置主要由系统节拍控制器、相对时间计数器T。、绝对时间计数器Ta及时间的内存单元等组成。系统节拍控制器确保在控制系统飞行过程中，使全部控制命令信息流与统一的时间轴联系在一起，如附图4所示。相对时间计数器，借助计数器将统一时间轴分为 η个相等的段(周期Τη)。这个相对时间计数器用于测量周期Tn的时间。除周期时间计数器外，在嵌入式计算机中还有相关辅助计数器，用于测定周期Tn内的时间区间。设立绝对时间计数器，可用于记录和保持嵌入式计算机正常计算过程的连续时间段。系统节拍控制器和相对时间计数器的输出信号Tn作为一个中断信号，用于产生嵌入式计算机的采样周期，当前控制任务选定的采样周期值为5 20ms。除T。相对时间计数器外，在嵌入式计算机中还有一个绝对时间计数器，它可以测定η个采样周期的时间区间，即系统正常工作的持续时间。如果嵌入式计算机工作正常而不出现进入非工作区和死循环的异常时，则绝对时间Ta为m个采样周期的累加和。嵌入式计算机程序在计算完成的周期数Tn后形成相应的时间标记Ta。这个时间标记Ta保存在内存单元内。当嵌入式计算机出现进入非工作区和死循环的异常时，嵌入式计算机的内存单元和寄存器中的信息可能遭到破坏，为此必须设法保护时间服务器，将上述时间信息进行保护，存放在关键信息保护装置中，包括当前Tn次序和绝对时间Ta的标记，以及恢复计算过程所需的时间信息。当时间服务器接收到时间节拍重启指令时，重新启动系统节拍控制器，相对时间计数器T。及绝对时间计数器Ta重新开始计数。(五)输出控制电路输出控制电路，根据接收的封锁输出码，保持飞行器故障前的运动姿态，在瞬时故障恢复模块进行导航和制导解算后，输出相应的控制量，控制飞行器的姿态运动。本发明可用于装备各种航空航天飞行器，实现在强电磁脉冲作用下实施发射和飞行控制，提高飞行器的抗电磁脉冲干扰能力及发射、飞行可靠性。本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
权利要求
1.一种嵌入式计算机信息加固方法，其特征在于包括下列步骤(1)嵌入式计算机工作正常时，在每个工作节拍内实时将嵌入式计算机内的关键信息进行更新、存储并保护；关键信息包括当前采样周期的X、Y、Z三个方向加速度脉冲值与三个方向的位置值，当前采样周期的俯仰φ、偏航ψ、滚动Υ三个方向角速率脉冲值与三个方向的姿态值，当前采样周期的相对时间计数器Τ。、绝对时间计数器Ta值；(2)根据预先设定的判断方式，当出现工作程序进入非工作区和死循环的异常情况时， 控制飞行器保持故障前的运动姿态并重新启动正常的工作节拍和采样周期；(3)按照给定的方式将存储的关键信息搬移到嵌入式计算机的内存，根据故障前存储的正常时间节点的相对和绝对时间计数器的数值，进行时间轴恢复；采集新的惯性信息，连同步骤(1)中存储的故障前正常的关键导航信息，进行导航信息补偿和解算；并根据新解算的导航信息获得正确的定位定向信息；(4)利用步骤(3)中解算的定位定向信息，使飞行器在恢复的时间轴下采用给定的制导方式进行新的制导解算，给出正确的控制量，控制飞行器的姿态运动，实现闭环控制，直至导航和制导精度满足给定要求，完成异常情况的信息加固。
2.一种嵌入式计算机信息加固系统，其特征在于包括故障检测和异常告警电路、时间服务器、关键信息保护电路、瞬时故障恢复模块和输出控制电路；关键信息保护电路，在每个正常的工作节拍内实时地将关键信息从嵌入式计算机内存搬移出来并进行更新、存储并保护；故障检测和异常告警电路，对被破坏的计算过程周期进行探测与定位，当出现工作程序进入非工作区和死循环的异常情况时，产生异常告警信号，激发瞬时故障恢复模块；瞬时故障恢复模块，根据故障检测和异常告警电路的激发，产生封锁输出码发给输出控制电路，同时停止关键信息保护电路的工作，并利用关键信息保护电路中存储的时间节点的相对和绝对时间计数器的数值，进行时间轴恢复；产生时间节拍重启指令发送至时间服务器；采集新的惯性信息，并从关键信息保护电路中获取故障前正常的关键信息，进行导航信息补偿和解算；并根据新解算的导航信息获得正确的定位定向信息；利用解算的正确定位定向信息和恢复的时间轴，采用预定的制导方式进行新的制导解算，给出相应的控制量至输出控制电路，由输出控制电路控制飞行器的姿态运动，实现恢复阶段的闭环控制；当导航和制导精度满足给定要求时，发出控制信号控制关键信息保护电路进入正常的工作节拍；时间服务器，根据接收的时间节拍重启指令重新启动正常的工作节拍和采样周期；输出控制电路，根据接收的封锁输出码，保持飞行器故障前的运动姿态，在瞬时故障恢复模块进行导航和制导解算后，输出相应的控制量，控制飞行器的姿态运动。
3.根据权利要求2所述的一种嵌入式计算机信息加固系统，其特征在于所述的关键信息保护电路对关键信息的保护采用铁电存储器的主备数据区加软开关，记为Sl和S2实现；具体流程为首先，将软开关Sl设置为“开”状态，再将当前采样周期的关键信息存储在主数据区，存储完成后将软开关Sl重新设置为“关”状态；其次，将软开关S2设置为“开”状态，将当前采样周期的关键信息存储在备份数据区，存储完成后将软开关S2再设置为“关” 状态。
全文摘要
一种嵌入式计算机信息加固方法及系统，所述系统包括故障检测和异常告警电路、时间服务器、关键信息保护电路、瞬时故障恢复模块和输出控制电路；该方案通过对关键信息进行有效的保护，利用瞬时故障恢复模块使飞行器在发生瞬时故障时，能够实现自主恢复确保飞行成功，具有很高的军事应用价值和社会效益。
文档编号G06F1/24GK102508535SQ20111035008
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月8日 优先权日2011年11月8日
发明者刘晶晶, 周春梅, 张俊, 张春侠, 林金永, 董文杰, 訾乃全, 马继峰, 高晓颖 申请人:北京航天自动控制研究所