前言：尋找寫作靈感？中文期刊網(wǎng)用心挑選的機(jī)電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)探究，希望能為您的閱讀和創(chuàng)作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。

【摘要】相比采用雙通道模式的傳統(tǒng)兩余度機(jī)載計(jì)算機(jī)，混合余度計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在處理故障時(shí)不會(huì)喪失余度采集與余度控制功能，這使其具備更高可靠性。基于此，本文將簡(jiǎn)單介紹機(jī)電綜合管理系統(tǒng)及混合余度設(shè)計(jì)技術(shù)，并圍繞機(jī)電綜合管理系統(tǒng)混合余度設(shè)計(jì)及可靠性分析開展深入探討。

【關(guān)鍵詞】機(jī)電綜合管理系統(tǒng)；混合余度設(shè)計(jì)技術(shù)；背板總線

0前言

機(jī)電管理系統(tǒng)概念隨著航空電子技術(shù)發(fā)展而提出，通過統(tǒng)一管理龐雜的機(jī)電系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)重量減輕和維護(hù)費(fèi)用降低，高可靠性的信息傳輸也可隨之實(shí)現(xiàn)。本文研究的混合余度設(shè)計(jì)技術(shù)能夠有效提升機(jī)電管理系統(tǒng)的容錯(cuò)性和冗余度，機(jī)電管理系統(tǒng)可靠性可在該設(shè)計(jì)技術(shù)支持下大幅提升。

1機(jī)電綜合管理系統(tǒng)及混合余度設(shè)計(jì)技術(shù)

1.1機(jī)電綜合管理系統(tǒng)。機(jī)電綜合管理系統(tǒng)由兩臺(tái)機(jī)電管理計(jì)算機(jī)組成，二者承擔(dān)不同功能，包括中央數(shù)據(jù)處理模塊、總線通信模塊、總線監(jiān)控模塊、輸入/輸出接口模塊、電磁防護(hù)模塊、電源模塊、高速串行總線背板。中央數(shù)據(jù)處理模塊由背板總線子卡、I/O處理基板、高性能處理器子卡、AFDX子卡組成，高性能處理器子卡負(fù)責(zé)應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)的運(yùn)行，F(xiàn)PGA軟件由GIO基板負(fù)責(zé)運(yùn)行，具備背板總線管理、雙口訪問、離散量輸出、離散量輸入采集、模擬量等功能；IOM1（輸入/輸出接口模塊）由GIO基板、CAN子卡、背板總線子卡組成，IOM2由GIO基板、289A子卡、背板總線子卡組成?；赑CI2總線，GIO基板可實(shí)現(xiàn)對(duì)上層子卡的訪問，F(xiàn)PGA軟件能夠運(yùn)行于GIO基板，具備289A管理、離散量輸出等功能；總線通信模塊由背板總線子卡、AFDX總線交換子卡通信基板模塊組成，基于PCI2總線，CIO基板可實(shí)現(xiàn)對(duì)背板總線子卡、單余度CAN總線的訪問，F(xiàn)PGA軟件通過CIO基板運(yùn)行，命令表通信軟件固化于背板總線卡上；電源模塊由DC/DC變換電路、電源尖峰、過壓保護(hù)電路、過流保護(hù)電路、浪涌處理電路等組成；電磁防護(hù)模塊由雷電防護(hù)電路、高強(qiáng)度輻射場(chǎng)防護(hù)電路組成；總線監(jiān)控模塊由289A子卡、大容量電子盤子卡、高性能處理器子卡、CAN總線子卡、CIO基板組成；高速串行總線背板用于互聯(lián)背板總線、離散量、模擬量等各種信號(hào)[1]。

1.2混合余度設(shè)計(jì)技術(shù)。傳統(tǒng)機(jī)電綜合管理系統(tǒng)的雙通道模式設(shè)置位于不同通道的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，如任意電源或計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，對(duì)應(yīng)的通道均會(huì)立即失效，余度降級(jí)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將帶來嚴(yán)重負(fù)面影響。為滿足飛機(jī)安全性和可靠性的提升需要，機(jī)電綜合管理系統(tǒng)需要應(yīng)用混合余度設(shè)計(jì)技術(shù)，即通過應(yīng)用高安全、高可靠的容錯(cuò)串行背板總線，連接所有的I/O、電源、處理機(jī)等設(shè)備，自己的處理信息可通過這類設(shè)備發(fā)送，其他設(shè)備處理信息的接收也可同時(shí)實(shí)現(xiàn)，完成基于背板總線的所有設(shè)備信息共享。機(jī)電綜合管理系統(tǒng)的余度控制和余度采集功能可在混合余度設(shè)計(jì)技術(shù)支持下大幅提升，可有效降低設(shè)備故障帶來的影響，因此該技術(shù)的應(yīng)用可得到可靠性更高的機(jī)電綜合管理系統(tǒng)?？偟膩碚f，在應(yīng)用混合余度設(shè)計(jì)技術(shù)的機(jī)電系統(tǒng)綜合管理系統(tǒng)中，存在互為余度配置的2塊中央數(shù)據(jù)處理模塊、2塊輸入/輸出接口模塊、2塊電源模塊，在出現(xiàn)存在故障的中央數(shù)據(jù)處理模塊后，其余模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)可由另一塊中央數(shù)據(jù)處理模塊接收。在一塊輸入/輸出接口模塊出現(xiàn)故障后，另一塊模塊也可負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸。在混合余度設(shè)計(jì)技術(shù)支持下，機(jī)電綜合管理系統(tǒng)的構(gòu)型優(yōu)化、總線效率提升、實(shí)時(shí)性強(qiáng)化、資源合理配置、備份冗余通道提供均可順利實(shí)現(xiàn)，也能更好滿足系統(tǒng)的冗余和實(shí)時(shí)性要求[2]。

2機(jī)電綜合管理系統(tǒng)混合余度設(shè)計(jì)及可靠性分析

2.1具體設(shè)計(jì)。作為高確定性、高可靠性容錯(cuò)串行總線，高速串行背板總線支持四余度容錯(cuò)，采用表驅(qū)動(dòng)比例訪問，總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)選擇以“數(shù)據(jù)有效性表”為依據(jù)，暫時(shí)差錯(cuò)的一條總線糾正可應(yīng)用一個(gè)非故障信號(hào)對(duì)的組合實(shí)現(xiàn)，如存在無法糾正的2個(gè)同時(shí)發(fā)生差錯(cuò)，即可標(biāo)記接收數(shù)據(jù)為錯(cuò)誤。背板總線直接關(guān)系著雙余度機(jī)電綜合管理系統(tǒng)的容錯(cuò)機(jī)制、工作模式、具體構(gòu)型、同步及交叉數(shù)據(jù)傳輸，具體如圖1所示。結(jié)合圖1進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)電綜合管理系統(tǒng)混合余度設(shè)計(jì)需利用具備雙向特性的高速串行背板總線數(shù)據(jù)收發(fā)綜合論述器，以此完成基于雙向檢測(cè)的檢測(cè)機(jī)制設(shè)計(jì)，對(duì)于向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)的某個(gè)模塊，對(duì)應(yīng)的接收模塊的故障檢測(cè)和數(shù)據(jù)接收會(huì)基于接收邏輯完成，這批數(shù)據(jù)會(huì)同時(shí)由自身的接收邏輯開展相同操作。通信過程中無論數(shù)據(jù)的畸變發(fā)生在哪一環(huán)節(jié)，雙向檢測(cè)設(shè)計(jì)均可保證數(shù)據(jù)能夠被檢測(cè)出來。為更好保證傳輸數(shù)據(jù)正確性，接收數(shù)據(jù)交叉檢測(cè)機(jī)制設(shè)置于高速串行背板總線中，數(shù)據(jù)比較可在4條總線上（總線協(xié)議芯片接收邏輯）完成。每個(gè)數(shù)據(jù)的有效性由接收邏輯確定，總線數(shù)據(jù)比較、確認(rèn)由接收邏輯內(nèi)部設(shè)置的數(shù)據(jù)故障判別邏輯完成，總線出錯(cuò)模式可最終通過檢測(cè)得出，具體的數(shù)據(jù)故障判別邏輯可概括為三部分：①存在數(shù)據(jù)異常的1條總線，能夠自動(dòng)校正的總線協(xié)議不會(huì)影響總線傳輸；②存在來源不同數(shù)據(jù)異常的2條總線，錯(cuò)誤可校正，能夠自動(dòng)校正的總線協(xié)議不會(huì)影響總線傳輸；③存在來源相同數(shù)據(jù)異常的2條總線，或存在數(shù)據(jù)異?？偩€數(shù)量在3條及以上，錯(cuò)誤不可校正，總線傳輸會(huì)因系統(tǒng)無法修正而中斷[3]。基于上述檢測(cè)機(jī)制，對(duì)于出現(xiàn)不可校正錯(cuò)誤的總線上數(shù)據(jù)，且存在超出設(shè)定時(shí)間的連續(xù)出錯(cuò)，錯(cuò)誤即可由故障模塊檢測(cè)確定。具體的差錯(cuò)檢測(cè)由4個(gè)“信號(hào)對(duì)”負(fù)責(zé)，相較于傳統(tǒng)雙余度，這種設(shè)計(jì)的容錯(cuò)特性更好，同時(shí)相較于傳統(tǒng)4余度存在更小的復(fù)雜性。圖2為總線狀態(tài)異常表真值表。結(jié)合圖2進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，無論是接收環(huán)節(jié)還是發(fā)送環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，一旦故障被總線協(xié)議芯片檢測(cè)到，收發(fā)器發(fā)送端便會(huì)由發(fā)送使能為“無效”方式的置總線收發(fā)器關(guān)閉，總線上故障模塊無法進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，該模塊進(jìn)入失步狀態(tài)，并同時(shí)存在視為無效的此次收發(fā)數(shù)據(jù)，故障信息向自身CPU上報(bào)，系統(tǒng)故障模塊的自行隔離與檢測(cè)自然能夠順利實(shí)現(xiàn)。為進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)電綜合管理系統(tǒng)混合余度設(shè)計(jì)可靠性，下文將對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和新型技術(shù)設(shè)計(jì)開展針對(duì)性對(duì)比。

2.2可靠性分析。圍繞機(jī)電綜合管理系統(tǒng)混合余度設(shè)計(jì)開展可靠性分析能夠發(fā)現(xiàn)，雙余度CPU的“工作+熱備份”功能能夠基于高速串行背板總線實(shí)現(xiàn)，在混合余度設(shè)計(jì)技術(shù)支持下，以此打造的機(jī)電系統(tǒng)架構(gòu)的可靠性較高。圍繞傳統(tǒng)余度系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析，可靠性量化指標(biāo)采用平均無故障時(shí)間，串—并聯(lián)模型余度系統(tǒng)的可靠度可表示為：R1=1-（1-R3）2（1）基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以確定，模塊1、模塊2、模塊3的平均無故障時(shí)間分別為10000h、8000h、9000h，分別表示為λ1、λ2、λ3，因此可得到式（2）：MTTFs1=+∞0乙1-1-e-λ1+λ2+λ3乙乙t乙乙2乙乙dt（2）基于式（2），即可求得平均無故障時(shí)間，確定傳統(tǒng)余度模型的可靠性，最終可得到結(jié)果為：MTTFs1=4462.81（3）進(jìn)一步圍繞混合余度系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析，考慮到本文采用的混合余度設(shè)計(jì)技術(shù)打造了屬于并—串聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合余度系統(tǒng)，因此可確定其可靠度能夠表示為：R2-R1=6R5-12R4+6R3=6R3（R-1）2≥0（4）結(jié)合式（4）進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，相比采用串—并聯(lián)模型的傳統(tǒng)余度系統(tǒng)，采用并—串聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合余度系統(tǒng)可靠度更高，這一推論在可靠度不一的各個(gè)模塊情況下仍然成立。進(jìn)一步計(jì)算平均無故障時(shí)間，可得到：MTTFs2=+∞0乙3i=1儀1-1-e-λit儀乙2乙乙dt（5）基于式（5）進(jìn)行計(jì)算可得到：MTTFs2=7018.52（6）結(jié)合計(jì)算結(jié)果能夠確定，基于混合余度設(shè)計(jì)，采用并—串聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合余度系統(tǒng)能夠大幅提升可靠性。

3結(jié)論

綜上所述，混合余度設(shè)計(jì)技術(shù)能夠較好用于機(jī)電綜合管理系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的混合余度設(shè)計(jì)技術(shù)、具體設(shè)計(jì)、可靠性分析等內(nèi)容，則直觀展示了混合余度設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用路徑，該技術(shù)能夠大幅提升機(jī)電系統(tǒng)的任務(wù)可靠性和容錯(cuò)能力，飛機(jī)的開發(fā)和維護(hù)成本也能夠在技術(shù)支持下大幅降低。

參考文獻(xiàn)

[1]范凱.多電飛機(jī)混合作動(dòng)系統(tǒng)工作模式優(yōu)化分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2020（20）：44-45.

[2]朱一飛.基于SRTM的一發(fā)失效應(yīng)急程序航跡規(guī)劃研究[D].德陽：中國民用航空飛行學(xué)院，2020.

[3]孫剛.淺談冗余飛控系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)[J].中國設(shè)備工程，2020（6）：100-101.

作者:張志偉 單位:中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司