基于时间确定性网络的分布式容错航电控制系统及方法与流程

本发明涉及基于时间确定性网络的分布式容错航电控制系统及方法，属于智能信号处理电路领域。

背景技术：

时间确定性网络是一种新型的实时以太网架构，在这种网络系统中，所有通信动作都严格按照时间表进行驱动，通过设计时间表可以保证整个网络进行无冲突通信，即所有数据包不会发生资源竞争的情况，从而具备了强实时、延迟抖动小的特性。这些特性使得时间确定性网络非常适合应用于工控、航空航天、汽车电子以及机器人等对实时性有严格要求的系统。同时，时间触发以太网又具备传统以太网的高带宽、易扩展等优势，因此，时间确定性网络是一项很有应用前景的技术。

通过使用时间确定性网络构建航电系统，可以极大提升系统的各项性能指标，并通过可扩展的系统接口和构架设计，提升系统在未来使用工况下的生命力和持续力。

现有的航电系统存在的主要问题是：使用传统信息传输系统和常规部件构建系统，通过非时间确定性网络开展信息传输，存在实时性低、容错能力低和电缆连接复杂等问题，同时，由于系统非实时导致软件和操作系统实现复杂，进而导致系统设计和验证成本较高。

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，提供了基于时间确定性网络的分布式容错航电控制系统及方法，使用基于时间确定性的网络和分布式通用计算机单元、通用远置单元、时间触发网络交换机、时间确定性部件(多个)、常规部件(多个)，组成基于分布式的容错航电系统。

本发明的技术解决方案是：基于时间确定性网络的分布式容错航电控制系统，包括分布式通用计算机单元、通用远置单元、时间触发网络交换机、时间确定性部件和常规部件；

所述分布式通用计算机单元与通用远置单元均通过时间确定性网络通信接口与时间触发网络交换机连接；在每个控制周期的指令发送阶段，分布式通用计算机单元通过时间触发网络交换机，向时间确定性部件发送指令数据；

时间确定性部件通过时间确定性网络接口与时间触发网络交换机连接；在每个控制周期的数据采集阶段，时间确定性部件通过时间触发网络交换机向分布式通用计算机单元发送状态数据，并通过时间触发网络交换机，向通用远置单元发送指令数据，通用远置单元再向常规部件转发分布式通用计算机单元的指令数据；

常规部件通过常规网络通信接口与通用远置单元连接并通信，再通过通用远置单元的时间确定性网络通信接口与分布式通用计算机单元通信；在每个控制周期的数据采集阶段，常规部件向通用远置单元发送状态数据，通用远置单元再通过时间触发网络交换机，向分布式通用计算机单元转发常规部件的状态数据；所述常规网络通信接口包括不具备时间确定性的网络通信接口。

进一步地，所述分布式通用计算机、时间触发网络交换机和时间确定性部件构成时间确定性网络，由所述时间确定网络完成时钟同步，并通过时间触发交换机向分布式通用计算机和时间确定性部件发送时统信号。

进一步地，所述时间触发网络交换机有若干个，由时间确定性部件的个数以及每个时间触发网络交换机的容量确定。

进一步地，所述常规网络通信接口包括异步串口、电平信号、电压模拟量和oc门。

进一步地，所述分布式通用计算机单元为三模热冗余结构，用于针对自身进行容错。

进一步地，所述通用远置单元为双机冷备份结构。

根据所述的基于时间确定性网络的分布式容错航电控制系统实现的控制方法，包括如下步骤：

在每个控制周期的起始，由时间确定性网络完成系统时钟同步，并通过时间触发交换机发送时统信号；

在每个控制周期的数据采集阶段，时间确定性部件通过时间触发网络交换机向分布式通用计算机单元发送状态数据；

在每个控制周期的数据采集阶段，常规部件向通用远置单元发送状态数据，通用远置单元再通过时间触发网络交换机向分布式通用计算机单元转发常规部件的状态数据；

在每个控制周期的指令发送阶段，分布式通用计算机单元通过时间触发网络交换机向时间确定性部件发送指令数据，并通过时间触发网络交换机向通用远置单元发送指令数据，通用远置单元再向常规部件转发分布式通用计算机单元的指令数据；

在每个控制周期的故障容错阶段，分布式通用计算机单元通过时间触发网络交换机，向分布式通用计算机单元与其两个备份发送比对数据，并进行比对，判断是否存在故障的分布式通用计算机单元；若存在，则停止故障的分布式通用计算机单元；若不存在，则继续；同时，通用远置单元进行自检测试；若自检正常，则继续；若自检发现异常，则停止异常的通用远置单元；同时，时间触发网络交换机进行自检测试；若自检正常，则继续；若自检发现异常，则重启异常的时间触发网络交换机，并在重启后，根据分布式通用计算机、时间确定性部件和通用远置单元的工作状态，恢复到与当前网络系统同步的状态；

完成一个控制周期的航电系统运行，进入下一个控制周期。

进一步地，所述判断是否存在故障的分布式通用计算机单元的方法为：在三个分布式通用计算机单元都工作的情况下，经过三取二比对，判断每个分布式通用计算机单元的比对数据输出是否一致；若发现有一个与另外两个不一致时，则置该分布式通用计算机单元为故障模式；若发现三个均不一致，则选择自检状态正常且编号最小的分布式通用计算机单元；在只有两个分布式通用计算机单元工作的情况下，通过自检测试判断本机是否故障。

进一步地，所述时间触发网络交换机有若干个，由时间确定性部件的个数以及每个时间触发网络交换机的容量确定。

进一步地，所述常规网络通信接口包括异步串口、电平信号、电压模拟量和oc门。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过使用时间确定性网络构建系统，建立了高实时的系统信息传输机制，解决了系统内数据传输的时间确定性问题；

(2)本发明通过时间确定性网络的应用，在三模冗余系统中建立了高速稳定的数据交换和比对能力，形成了基于分布式的系统级容错体系结构；

(3)本发明通过时间确定性网络和通用远置单元的联合应用，解决了时间确定性部件和常规部件同时存在的系统兼容性问题，可以充分使用已有成熟继承产品，避免系统构建中新研大量产品接口的成本开销；

(4)本发明通过分布式的系统体系架构和网络化信息传输体制，建立了可以自主容错和在线可更换、可重构的系统能力；在系统发生故障的情况下，可以自主重构，也可以通过人工更换的方式替换系统中的故障部件，且不影响正在工作的系统流程。

附图说明

图1为本发明系统的组成示意图；

图2为分布式通用计算单元数据交换示意图；

图3为分布式通用计算单元数据交换信息图；

图4为本发明方法流程图；

图5为基于时间确定性网络的数据交换流程图。

具体实施方式

如图1所示，基于时间确定性网络的分布式容错航电控制系统，包括分布式通用计算机单元、通用远置单元、时间触发网络交换机、时间确定性部件和常规部件；

所述分布式通用计算机单元与通用远置单元均通过时间确定性网络通信接口与时间触发网络交换机连接；在每个控制周期的指令发送阶段，分布式通用计算机单元通过时间触发网络交换机，向时间确定性部件发送指令数据；

时间确定性部件通过时间确定性网络接口与时间触发网络交换机连接；在每个控制周期的数据采集阶段，时间确定性部件通过时间触发网络交换机向分布式通用计算机单元发送状态数据，并通过时间触发网络交换机，向通用远置单元发送指令数据，通用远置单元再向常规部件转发分布式通用计算机单元的指令数据；

常规部件通过常规网络通信接口与通用远置单元连接并通信，再通过通用远置单元的时间确定性网络通信接口与分布式通用计算机单元通信；在每个控制周期的数据采集阶段，常规部件向通用远置单元发送状态数据，通用远置单元再通过时间触发网络交换机，向分布式通用计算机单元转发常规部件的状态数据；所述常规网络通信接口包括不具备时间确定性的网络通信接口；

所述分布式通用计算机、时间触发网络交换机和时间确定性部件构成时间确定性网络，由所述时间确定网络完成时钟同步，并通过时间触发交换机向分布式通用计算机和时间确定性部件发送时统信号。

优选地，如图2和3，分布式通用计算机单元内部包括三模热冗余，可以针对自身开展容错，并且与外部的3个时间触发网络交换机都具备网络通信接口；通用远置单元自身具备双机冷备份能力，并且与3个时间触发网络交换机都具备网络通信接口；时间确定性部件是系统内具备时间确定性网络接口的部件，与3个时间触发网络交换机都具备网络通信接口；常规部件不具备时间确定性网络接口，并通过常规通信接口(包括异步串口、电平信号、电压模拟量和oc门)与通用远置单元连接并通信，再通过通用远置单元的时间确定性网络接口与分布式通用计算机单元通信。系统内部通过时间确定网络开展通信，有时间触发网络交换机连接系统内的主要工作部件，并网络基于3重网络构建冗余网络通信系统。

优选地，所述时间触发网络交换机有若干个，由时间确定性部件的个数以及每个时间触发网络交换机的容量确定。系统内可以扩展时间确定性部件，根据时间触发网络交换机的容量，可以将时间确定性部件数量扩充至200个。

系统内可以扩展通用远置单元与常规部件，并且可以自由配置由哪个通用远置单元与哪个常规部件对应。

系统内可以扩展分布式通用计算机单元，系统内可以部署多个分布式通用计算机单元，并通过时间确定性网络进行数据交换和比对，提高系统内的整体容错和可靠性能力。

根据基于时间确定性网络的分布式容错航电控制系统实现的方法，步骤如下：

在每个控制周期的起始，由时间确定性网络完成系统时钟同步，并通过时间触发交换机发送时统信号；

根据系统设计，在每个控制周期的数据采集阶段，时间确定性部件通过时间触发网络交换机，向分布式通用计算机单元发送状态数据；

在每个控制周期的数据采集阶段，常规部件向通用远置单元发送状态数据，通用远置单元再通过时间触发网络交换机，向分布式通用计算机单元转发常规部件的状态数据；

根据系统设计，在每个控制周期的指令发送阶段，分布式通用计算机单元通过时间触发网络交换机，向时间确定性部件发送指令数据；

在每个控制周期的指令发送阶段，分布式通用计算机单元通过时间触发网络交换机，向通用远置单元发送指令数据，通用远置单元再向常规部件转发分布式通用计算机单元的指令数据；

如图4和5，在每个控制周期的故障容错阶段，分布式通用计算机单元通过时间触发网络交换机，向分布式通用计算机单元与其两个备份发送比对数据，并进行比对，判断是否存在故障的分布式通用计算机单元；若存在，则停止故障的分布式通用计算机单元；若不存在，则继续；同时，通用远置单元进行自检测试；若自检正常，则继续；若自检发现异常，则停止异常的通用远置单元；同时，时间触发网络交换机进行自检测试；若自检正常，则继续；若自检发现异常，则重启异常的时间触发网络交换机，并在重启后，根据分布式通用计算机、时间确定性部件和通用远置单元的工作状态，恢复到与当前网络系统同步的状态；

完成一个控制周期的航电系统运行，进入下一个控制周期。

所述判断是否存在故障的分布式通用计算机单元的方法为：在三个分布式通用计算机单元都工作的情况下，经过三取二比对，判断每个分布式通用计算机单元的比对数据输出是否一致；若发现有一个与另外两个不一致时，则置该分布式通用计算机单元为故障模式；若发现三个均不一致，则选择自检状态正常且编号最小的分布式通用计算机单元；在只有两个分布式通用计算机单元工作的情况下，通过自检测试判断本机是否故障。

经验证，本发明方法使用基于时间确定性网络的分布式容错航电系统，其主要功能同时可以满足传统系统10倍的数据通信带宽，并可以提供1us级别的系统级任务同步精度，并且在某新一代载人航天器飞船中获得空间飞行搭载试验验证，其工作性能和空间飞行可靠性都满足任务需求。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。