一种用于主备份嵌入式系统的自动切换电路的制作方法

本发明涉及航天飞行器主备份冗余嵌入式系统设计技术领域，尤其涉及航天飞行器在轨飞行无人值守的情况下，一种主备份冗余设计情况下的主份自动切换备份电路。

背景技术：

主备份嵌入式系统设计是可靠性技术领域的一个重要组成部分，航天器嵌入式系统大量使用主备份冷热冗余的设计状态。考虑到目前航天器在轨运行时多为无人值守，在主份嵌入式系统工作异常时，尤其在对故障和异常恢复有很强时间要求的场合下，可自动切换至冷备份电路工作就显得非常重要。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种主备份嵌入式系统的自动切换电路，以实现主份嵌入式电路工作异常情况下，自动切换至冷备份电路工作的功能。

本发明的技术方案是：一种用于主备份嵌入式系统的自动切换电路，包括：复位计数电路、单稳态触发电路和电流放大驱动电路；

在主份cpu电路工作发生异常时，复位计数电路拾取主份cpu周期性复位信号rstz的上升沿，并对该周期性上升沿信号进行计数，计数次数达到设定值后，复位计数电路输出高电平信号；

单稳态触发电路拾取复位计数电路输出高电平信号的上升沿，并形成固定脉宽的高电平单稳态输出信号；

电流放大驱动电路对单稳态触发电路输出的高电平单稳态信号进行电流放大，并通过28v上拉电源，用于驱动主备份切换继电器线圈电阻，执行继电器切换操作。

所述复位计数电路保证系统每次重新上电后，自动切换电路的复位计数器计数初始值为0。

所述复位计数电路包括复位电阻r1、复位电容c1，计数器电路d1；复位电阻r1一端接地，另一端同时接计数器电路d1的rst输入脚和复位电容c1的一端，复位电容c1另一端接+5v电源；所述复位电阻r1和复位电容c1组成计数器复位电路。

所述单稳态触发电路包括时间常数电阻r2、时间常数电容c2、单稳态触发器d2；时间常数电阻r2一端接+5v电源，时间常数电阻r2另一端同时接单稳态触发器d2的rc输入脚和时间常数电容c2一端，时间常数电容c2另一端接单稳态触发器d2的c输入脚，单稳态触发器d2的a输入脚接上述复位计数电路中计数器电路d1的q7端；所述常数电阻r2、时间常数电容c2组成时间常数电路，控制单稳态触发电路输出高电平单稳态脉宽的时间长度；

所述单稳态触发电路的单稳态高电平宽度，由时间常数电阻r2和时间常数电容c2组成的rc时间常数决定，单稳态高电平宽度设计留有裕度，保证自动切换电路继电器可靠切换。

所述单稳态高电平宽度设计留有的裕度＝(b1-a1)/a1，其中a1为驱动指令电平需求时间宽度，b1为rc时间常数。

所述电流放大驱动电路，包括npn三极管q1、npn三极管q2、继电器线圈电阻r3；npn三极管q1的e级接地，npn三极管q1的b级接q2的e级，npn三极管q1的c级同时接npn三极管q2的c级和继电器线圈电阻r3的一端，r3的另外一端接+28v电源，npn三极管q2的e级接上述单稳态触发电路中单稳态触发器d2的q端。

所述npn三极管q1、npn三极管q2级联构成达林顿驱动电路，配合+28v上拉电源使用，对单稳态触发电路的输出高电平脉宽带载电流进行两级放大，电流放大倍数设计留有裕度，保证自动切换电路继电器的可靠切换。

所述电流放大倍数设计留有裕度＝(b-a)/a，其中a2为驱动指令电流需求，b2为输出高电平脉宽带载电流。

所述计数器d1选用具有抗辐照指标的国产化宇航级集成电路，确保电路在轨运行时对单粒子翻转、单粒子锁定免疫。

一种利用上述主备份嵌入式系统的自动切换电路进行自动切换的方法，其特征在于步骤如下：

1)飞行器在轨运行时，监控电路发出复位信号对嵌入式系统硬件电路进行复位；

2)监控电路会持续发出复位信号；

3)自动切换电路拾取复位计数信号的上升沿，计数次数到达预设值后，自动切换电路会自动发出切换指令驱动切换继电器动作。

本发明与现有技术相比的优点：

本发明的一种主备份嵌入式系统自动切换电路，用计数电路拾取主份cpu看门狗电路的复位信号，计数次数到达后输出上升沿信号触发单稳态触发电路，由单稳态触发电路输出固定宽度的高电平脉宽，并经过电流放大驱动电路后，驱动主备份切换继电器动作。有效解决了主份电路工作异常下，在无人值守的情况下，冷备份电路无法实时接替工作的问题，提高了主备份冗余电路切换的响应速度，以及主备份冗余电路的工作可靠度；具体体现以下几点：

1)由于采用了记数器电路拾取主份cpu看门狗复位信号rstz，主份电路工作异常时，具备自动切换到冷备份电路工作的功能；

2)对自动切换指令的输出脉宽和驱动电流进行了裕度设计，保证自动切换指令的可靠执行；

3)目前宇航用主备份冗余电路，在主份电路工作异常时，多需要手动发送切换冷备份电路指令，采用自动切换指令电路，在主份电路工作异常时不需要人工介入，即可以达到故障实时恢复的功能。

附图说明

图1为本发明用于主备份嵌入式系统自动切换电路的原理示意图。

具体实施方式

本发明一种用于主备份嵌入式系统的自动切换电路，包括：复位计数电路、单稳态触发电路和电流放大驱动电路；

在主份cpu电路工作发生异常时，复位计数电路拾取主份cpu周期性复位信号rstz的上升沿，并对该周期性上升沿信号进行计数，计数次数达到设定值后，复位计数电路输出高电平信号；

单稳态触发电路拾取复位计数电路输出高电平信号的上升沿，并形成固定脉宽的高电平单稳态输出信号；

电流放大驱动电路对单稳态触发电路输出的高电平单稳态信号进行电流放大，并通过28v上拉电源，用于驱动主备份切换继电器线圈电阻，执行继电器切换操作。

所述复位计数电路保证系统每次重新上电后，自动切换电路的复位计数器计数初始值为0。

所述复位计数电路包括复位电阻r1、复位电容c1，计数器电路d1；复位电阻r1一端接地，另一端同时接计数器电路d1的rst输入脚和复位电容c1的一端，复位电容c1另一端接+5v电源；所述复位电阻r1和复位电容c1组成计数器复位电路。

所述单稳态触发电路包括时间常数电阻r2、时间常数电容c2、单稳态触发器d2；时间常数电阻r2一端接+5v电源，时间常数电阻r2另一端同时接单稳态触发器d2的rc输入脚和时间常数电容c2一端，时间常数电容c2另一端接单稳态触发器d2的c输入脚，单稳态触发器d2的a输入脚接上述复位计数电路中计数器电路d1的q7端；所述常数电阻r2、时间常数电容c2组成时间常数电路，控制单稳态触发电路输出高电平单稳态脉宽的时间长度；

所述单稳态触发电路的单稳态高电平宽度，由时间常数电阻r2和时间常数电容c2组成的rc时间常数决定，单稳态高电平宽度设计留有裕度，保证自动切换电路继电器可靠切换。

所述单稳态高电平宽度设计留有的裕度＝(b1-a1)/a1，其中a1为驱动指令电平需求时间宽度，b1为rc时间常数。

所述电流放大驱动电路，包括npn三极管q1、npn三极管q2、继电器线圈电阻r3；npn三极管q1的e级接地，npn三极管q1的b级接q2的e级，npn三极管q1的c级同时接npn三极管q2的c级和继电器线圈电阻r3的一端，r3的另外一端接+28v电源，npn三极管q2的e级接上述单稳态触发电路中单稳态触发器d2的q端。

所述npn三极管q1、npn三极管q2级联构成达林顿驱动电路，配合+28v上拉电源使用，对单稳态触发电路的输出高电平脉宽带载电流进行两级放大，电流放大倍数设计留有裕度，保证自动切换电路继电器的可靠切换。

所述电流放大倍数设计留有裕度＝(b-a)/a，其中a2为驱动指令电流需求，b2为输出高电平脉宽带载电流。

所述计数器d1选用具有抗辐照指标的国产化宇航级集成电路，确保电路在轨运行时对单粒子翻转、单粒子锁定免疫。

一种利用上述主备份嵌入式系统的自动切换电路进行自动切换的方法，其特征在于步骤如下：

1)飞行器在轨运行时，监控电路发出复位信号对嵌入式系统硬件电路进行复位；

2)监控电路会持续发出复位信号；

3)自动切换电路拾取复位计数信号的上升沿，计数次数到达预设值后，自动切换电路会自动发出切换指令驱动切换继电器动作。

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

如图1所示，为用于主备份嵌入式系统自动切换电路的实例，包括复位计数电路，单稳态触发电路，电流放大驱动电路。

复位计数电路，其在主份cpu电路工作发生异常时，拾取主份cpu周期性输出的复位信号上升沿，并对该周期性上升沿信号进行计数，计数次数达到8次后，计数器d1的q7端输出高电平信号；

复位计数电路的rc复位电路中，r1取值为100kω，c1取值为0.22uf,保证系统每次重新上电后，自动切换电路的复位计数器计数初始值为0。

单稳态触发电路，其拾取复位计数电路的输出信号上升沿，并形成固定脉宽的高电平单稳态输出信号。单稳态触发电路的rc时间常数电路中，r2取值为200kω，c2取值为1uf，使得单稳态触发电路输出的高电平脉宽为200ms，由于继电器线圈驱动的高电平保证时间需求是80ms，所以该设计值留有一定余量，可保证自动切换电路继电器的可靠切换。

电流放大驱动电路，由两个npn三极管q1和q2级联构成，可对单稳态触发电路的输出高电平脉宽带载电流进行两级放大，并通过+28v上拉电源，用于驱动主备份切换继电器线圈电阻r3，执行继电器切换操作。在该实例中三极管选型为3dk104，其集电极最大电流可达到400ma，该实例中r3电阻阻值为200ω，r3驱动电流需求为140ma，驱动电流设计值留有一定余量，可保证自动切换电路继电器的可靠切换。

从以上描述可知，本发明的技术方案提供的主备份嵌入式系统自动切换电路具有以下几方面的优点：

1)由于采用了记数器电路拾取主份cpu看门狗复位信号rstz，主份电路工作异常时，具备自动切换到冷备份电路工作的功能；

2)对自动切换指令的输出脉宽和驱动电流进行了裕度设计，保证自动切换指令的可靠执行；

3)目前宇航用主备份冗余电路，在主份电路工作异常时，多需要手动发送切换冷备份电路指令，采用自动切换指令电路，在主份电路工作异常时不需要人工介入，即可以达到故障实时恢复的功能。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。