基于热备份的星载电子系统及热备份方法

摘要

本发明涉及一种基于热备份的星载电子系统及热备份方法，所述多个单机通过总线连接，每个单机内部的频率产生单元产生的频率脉冲传送给所有单机的频率比较单元进行频率比较，所有单机以所述频率比较单元输出频率脉冲比较结果设置优先级，优先级最高的单机为主机，当作为主机的单机出现故障导致该单机的频率产生单元无频率脉冲输出时，通过所述频率比较单元切换到当前优先级最高的单机作为主机。本发明能有效保证星载电子系统在实施任务的过程中当出现单机故障时系统能保证任务实时连续完成，不会造成任务实施中断。同时，对已经出现故障的单机系统，系统还会对其进行复位操作，如果复位成功该单机继续作为备份单机存在，有效提高系统资源的利用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种星载电子系统及备份方法，尤其涉及一种基于热备份的星载电子系统及星载电子系统的热备份方法。

背景技术

由于星载电子系统日趋复杂，器件可靠性问题显得日益重要，有时一块电路的失效会带来整个系统的失效，造成巨大的损失。产品的广义可靠性包括固有可靠性、使用可靠性和可维修性，对于星载电子系统而言不要求具有维修性，设计更多专注于固有可靠性和使用可靠性方面。

在外界热、电、机械等应力作用下，发生在星载电子器件内部及界面处的各种物理和化学的变化及效应会对星载电子器件的正常工作产生影响或构成威胁，甚至引起星载电子系统失效。对星载电子器件而言，其失效主要由高能离子、热环境导致的静电损伤、热载流子效应、栅氧击穿、电迁移、翻转、闩锁效应等机制造成，通常的提高电子器件可靠性的方法有改进器件的封装技术及工艺、降低系统功耗、提高器件噪声容忍等。但是恶劣的空间环境仍有很大可能在内部电路中产生瞬时脉冲，为了减少这类错误，系统在体系结构上还设计了系统的纠检错、奇偶校验等机制。

星载电子系统需要快速的恢复和修复策略以提高可用性、可靠性和可维护性，在硬件实现上可以分为避错技术和容错技术两大门类。冗余技术是一种典型的容错技术，利用系统中存在的冗余部件来接替故障部件的工作，达到故障屏蔽的目的。航天系统通常采用双模冗余，根据系统中两个部件的工作方式，可以分为双机冷备份、双机热备份和双工热备份，现有冗余备份技术在作切换时都存在时间延迟，不能有效保证星载电子系统在实施任务的过程中当出现单机故障时系统能实时连续完成任务，容易造成任务实施的中断。

 

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种基于热备份的星载电子系统及热备份方法，克服现有技术星载电子系统存在时间延迟、不能保证实时连续完成任务的技术问题，提高系统的可靠性。

本发明的技术方案是：构建一种基于热备份的星载电子系统，包括多个具有相互备份功能独立工作的单机及连接单机的总线，所述多个单机通过总线连接，所述每个单机包括进行系统功能及备份工作的功能单元、在所述单机工作时产生频率脉冲的频率产生单元、对各单机工作时产生的频率脉冲进行比较的频率比较单元，每个单机的频率产生单元产生的频率脉冲传送给所有单机的频率比较单元进行频率脉冲的比较，所有单机正常工作时产生不同的频率脉冲，所述频率比较单元对所有单机频率产生单元产生的频率脉冲进行比较，所有单机以各自所述频率比较单元输出的频率脉冲比较结果设置优先级，优先级最高的单机为主机，当作为主机的单机出现故障导致该单机的频率产生单元无频率脉冲输出时，通过所述频率比较单元切换到当前优先级最高的单机作为主机。

本发明的进一步技术方案是：当星载电子系统运行时，所述多个单机均处于工作状态，除主机外的其它单机为从机。

本发明的进一步技术方案是：所述主机与从机互为备份。

本发明的进一步技术方案是：当作为主机的单机出现故障导致该单机的频率降低并切换到其它单机作为主机时，所述星载电子系统对该故障单机进行故障修复。

本发明的进一步技术方案是：当所述单机出现故障时，所述单机的功能单元向该单机的所述频率产生单元发出故障提示，所述频率产生单元接收到故障提示信号后无频率输出。

本发明的技术方案是：构建一种星载电子系统的热备份方法，所述星载电子系统包括多个具有相互备份功能独立工作的单机及连接单机的总线，所述多个单机通过总线连接，所述每个单机包括进行系统功能及备份工作的功能单元、在所述单机工作时产生频率脉冲的频率产生单元、对各单机工作时产生的频率脉冲进行比较的频率比较单元，每个单机的频率产生单元产生的频率脉冲传送给所有单机的频率比较单元进行频率的比较，所有单机正常工作时产生不同的频率脉冲，所述频率比较单元对所有单机频率产生单元产生的频率进行比较，所述热备份方法包括如下步骤：

初始化单机的优先级：将单机的频率设置成多个级别，设置各单机的初始频率，按优先级对单机进行分级；

选择主机：所有单机正常工作时产生不同的频率，所述频率比较单元对所有单机频率产生单元产生的频率进行比较，所有单机以所述频率比较单元输出频率比较结果设置优先级，选择优先级最高的单机作为主机；

单机备份切换：当作为主机的单机出现故障导致该单机的频率产生单元无频率脉冲输出时，通过所述频率比较单元切换到当前优先级最高的单机作为主机。

本发明的进一步技术方案是：在选择主机步骤中，所述多个单机均处于工作状态，除主机外的其它单机为从机，所述主机与从机互为备份。

本发明的进一步技术方案是：当所述单机出现故障时，所述单机的功能单元向该单机的所述频率产生单元发出故障提示，所述频率产生单元接收到故障提示信号后无频率脉冲输出。

本发明的进一步技术方案是：所述星载电子系统的热备份方法还包括故障修复，当作为主机的单机出现故障导致该单机的频率产生单元无频率脉冲输出并切换到其它单机作为主机时，所述星载电子系统对该故障单机进行故障修复。

本发明的技术效果是：本发明一种基于热备份的星载电子系统及热备份方法，本发明星载电子系统包括多个具有相互备份功能独立工作的单机及连接单机的总线，所述多个单机通过总线连接，所述每个单机包括进行系统功能及备份工作的功能单元、在所述单机工作时产生频率脉冲的频率产生单元、对各单机工作时产生的频率脉冲进行比较的频率比较单元。本发明基于热备份的星载电子系统及热备份方法，每个单机的频率产生单元产生的频率脉冲传送给所有单机的频率比较单元进行频率脉冲的比较，所有单机正常工作时产生不同的频率脉冲，所有单机以所述频率比较单元输出频率脉冲比较结果设置优先级，优先级最高的单机为主机，当作为主机的单机出现故障导致该单机的频率产生单元无频率输出时，通过所述频率比较单元切换到优先级更高的单机作为主机。本发明能有效保证星载电子系统在实施任务的过程中当出现单机故障时系统能保证任务实时连续完成，不会造成任务实施中断。同时，对已经出现故障的单机系统，系统还会对其进行复位，如果复位成功该单机继续作为备份单机存在，有效提高系统资源的利用。

 

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的流程图。

 

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。

如图1所示，本发明的具体实施方式是：构建一种基于热备份的星载电子系统，包括多个具有相互备份功能独立工作的单机1及连接单机的总线2，所述多个单机1通过总线2连接，所述每个单机1包括进行系统功能及备份工作的功能单元11、在所述单机1工作时产生频率脉冲的频率产生单元12、对各单机1工作时产生的频率脉冲进行比较的频率比较单元13，每个单机1的频率产生单元12产生的频率脉冲传送给所有单机1的频率比较单元13进行频率的比较，所有单机1正常工作时产生不同的频率脉冲，所有单机1以所述频率比较单元13输出频率脉冲比较结果设置优先级，优先级最高的单机为主机，当作为主机的单机1出现故障导致该单机1的频率产生单元无频率脉冲输出时，通过所述频率比较单元12切换到当前优先级最高的单机1作为主机。

如图1所示，本发明的具体实施过程是：互为备份的各单机1均集成了功能单元11、频率产生单元12及频率比较单元13，功能单元11用于进行系统的正常功能实现，包括系统运行及备份。频率产生单元12在单机1正常工作时产生频率，不同频率脉冲对应不同的优先级，频率脉冲最高的单机1优先级最高，优先级最高的单机1作为主机使能输出，频率优先级较低的单机1作为从机，从机处于工作状态但其输出不被使能，互为备份的单机以其初始的频率脉冲设定好优先级，正常工作时互为备份的单机1均发出具有不同优先级的频率。当某个单机1出现故障时导致该单机的频率产生单元12无频率脉冲输出，通过单机1内部的频率比较单元13，使其切换到另一健康单机1为主机的模式。本发明具体实施例中，当星载电子系统运行时，所述多个单机均处于工作状态，除主机外的其它单机为从机，所述主机与从机互为备份。

如图1所示，本发明的工作过程举例如下：首先，将心跳频率分N个级别，设为f₁，f₂，……，f_N，其优先级为f₁>f₂>…>f_N>0。设定互为备份的n（N>n）个系统单机1的初始频率，初始频率产生单元HB₁产生的频率为f₁，频率产生单元HB₂产生的频率为f₂，频率产生单元HB_n产生的频率为f_n。初始功能单元FM₁、功能单元FM₂…功能单元FM_n均正常工作。若频率f₁比较最优，频率表决AFJ₁输出为高电平，频率表决AFJ₂…频率表决AFJ_n的输出为低电平，功能选择FS₁被选中，功能单元FM₁使能，功能单元FM₁所在的单机作为主机，其它单机1不被选中，作为从机。当功能单元FM₁产生故障，功能单元FM₁所在的健康状态信号HSS₁失效，频率产生单元HB₁输出为0Hz，若频率f₂比较占优，频率表决AFJ₂输出为高电平，频率表决AFJ输出为低电平，功能选择FS₂被选中，功能单元FM₂使能，功能单元FM₂所在的单机作为主机，其它单机1不被选中，作为从机。

 如图1所示，本发明的优选实施方式是：当作为主机的单机1出现故障导致该单机1的频率产生单元12降低并切换到其它单机作为主机时，所述星载电子系统对该故障单机1进行故障修复。当所述单机1出现故障时，所述单机1的功能单元11向该单机1的所述频率产生单元12发出故障提示，所述频率产生单元12接收到故障提示信号后无频率脉冲输出。

具体实施过程如下：对已发生故障的单机1进行故障恢复操作，如果经过故障恢复后的单机1能正常工作的话，该单机1会对自身产生的频率进行降级，再次与其它单机1互为备份，直到下一次出现故障时进行主从机切换。具体举例说明如下：若功能单元FM₁所在的主机出现故障时，在切换备份主从机之后，对功能单元FM₁进行故障恢复，如果功能单元FM₁故障修复后单机1正常工作，则功能单元FM₁所在的健康状态信号HSS₁生效，频率产生单元HB₁频率降n级重新开始输出，频率产生单元HB₁频率为新的频率f_n+1，不影响故障修复前的表决结果；如果功能单元FM₁故障修复后单机无法正常工作则频率产生单元HB₁输出频率为0Hz，不影响故障修复前的表决结果。

如图1、图2所示，本发明的具体实施方式是：提供一种星载电子系统的热备份方法，所述星载电子系统包括多个具有相互备份功能独立工作的单机1及连接单机的总线2，所述多个单机1通过总线2连接，所述每个单机1包括进行系统功能及备份工作的功能单元11、在所述单机1工作时产生频率脉冲的频率产生单元12、对各单机1工作时产生的频率脉冲进行比较的频率比较单元13，每个单机1的频率产生单元12产生的频率脉冲传送给所有单机1的频率比较单元13进行频率脉冲的比较，所述热备份方法包括如下步骤：

步骤100：初始化单机的优先级，即：将单机的频率设置成多个级别，设置各单机的初始频率，按优先级对单机进行分级。

步骤200：选择主机，即：所有单机正常工作时产生不同的频率，所述频率比较单元对所有单机频率产生单元产生的频率进行比较，所有单机以所述频率比较单元输出频率比较结果设置优先级，选择优先级最高的单机作为主机。

步骤300：单机备份切换，即：当作为主机的单机出现故障导致该单机无频率脉冲输出时，通过所述频率比较单元切换到优先级更高的单机作为主机。

具体工作过程如下：如图1所示，本发明的具体实施过程是：互为备份的各单机1均集成了功能单元11、频率产生单元12及频率比较单元13，功能单元11用于进行系统的正常功能实现，包括系统运行及备份。频率产生单元12在单机1正常工作时产生频率脉冲，不同频率脉冲对应不同的优先级，频率最高的单机1优先级最高，优先级最高的单机1作为主机使能输出，频率优先级较低的单机1作为从机，从机处于工作状态但其输出不被使能，互为备份的单机以其初始的频率脉冲设定好优先级，正常工作时互为备份的单机1均发出具有不同优先级的频率脉冲。当某个单机1出现故障时导致该单机的频率出现问题，通过单机1内部的频率比较单元13，使其切换到以健康单机为主机的模式。本发明具体实施例中，当星载电子系统运行时，所述多个单机均处于工作状态，除主机外的其它单机为从机，所述主机与从机互为备份。

如图1所示，本发明的工作过程举例如下：首先，将心跳频率分N个级别，设为f₁，f₂，……，f_N，其优先级为f₁>f₂>…>f_N>0。设定互为备份的n（N>n）个系统单机1的初始频率，初始频率产生单元HB₁产生的频率为f₁，频率产生单元HB₂产生的频率为f₂，频率产生单元HB_n产生的频率为f_n。初始功能单元FM₁、功能单元FM₂…功能单元FM_n均正常工作。若频率f₁比较最优，频率表决AFJ₁输出为高电平，频率表决AFJ₂…频率表决AFJ_n输出为低电平，功能选择FS₁被选中，功能单元FM₁使能，功能单元FM₁所在的单机作为主机，其它单机1不被选中，作为从机。当功能单元FM₁产生故障，功能单元FM₁所在的健康状态信号HSS₁失效，频率产生单元HB₁输出为0，若频率f₂比较占优，频率表决AFJ₂输出为高电平，频率表决AFJ₁输出为低电平，功能选择FS₂被选中，功能单元FM₂使能，功能单元FM₂所在的单机作为主机，其它单机1不被选中，作为从机。

本发明的优选实施方式是：当作为主机的单机1出现故障导致该单机1的频率降低并切换到其它单机作为主机时，所述星载电子系统对该故障单机1进行故障修复。当所述单机1出现故障时，所述单机1的功能单元11向该单机1的所述频率产生单元12发出故障提示，所述频率产生单元12接收到故障提示信号后输出频率为0Hz。

具体实施过程如下：对已发生故障的单机1进行故障恢复操作，如果经过故障恢复后的单机1能正常工作的话，该单机1会对自身产生的频率进行降级，再次与其它单机1互为备份，直到下一次出现故障时进行主从机切换。具体举例说明如下：若功能单元FM₁所在的主机出现故障时，在切换备份主从机的同时，对功能单元FM₁进行故障恢复，如果功能单元FM₁故障修复后单机1正常工作，则功能单元FM₁所在的健康状态信号HSS₁生效，频率产生单元HB₁频率降n级重新开始输出，频率产生单元HB₁频率为新的频率f_n+1，不影响故障修复前的表决结果；如果功能单元FM₁故障修复后单机无法正常工作则频率产生单元HB₁输出频率为0Hz，不影响故障修复前的表决结果。

本发明的技术效果是：本发明一种基于热备份的星载电子系统及热备份方法，本发明星载电子系统包括多个具有相互备份功能独立工作的单机1及连接单机的总线2，所述多个单机1通过总线2连接，所述每个单机1包括进行系统功能及备份工作的功能单元11、在所述单机1工作时产生频率脉冲的频率产生单元12、对各单机1工作时产生的频率脉冲进行比较的频率比较单元13。本发明基于热备份的星载电子系统及热备份方法，每个单机1的频率产生单元12产生的频率脉冲传送给所有单机1的频率比较单元13进行频率脉冲的比较，所有单机正常工作时产生不同的频率脉冲，所述频率比较单元13对所有单机1频率产生单元产生的频率脉冲进行比较，所有单机1以所述频率比较单元13输出频率脉冲比较结果设置优先级，优先级最高的单机为主机，当作为主机的单机出现故障导致该单机无频率脉冲输出时，通过所述频率比较单元切换到优先级更高的单机作为主机。本发明能有效保证星载电子系统在实施任务的过程中当出现单机故障时系统能保证任务实时连续完成，不会造成任务实施中断。同时，对已经出现故障的单机系统，系统还会对其进行复位，如果复位成功该单机继续作为备份单机存在，有效提高系统资源的利用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。