一种抗单粒子辐照的平滑切换双机冗余配电系统技术方案

本发明专利技术提供了一种抗单粒子辐照的平滑切换双机冗余配电系统，该系统包括主机、备机和载荷供配电模块，其中主机和备机互为当班机和非当班机，当班机和非当班机实时地将自身的健康状态和当前工作状态发送给对方，确保非当班机和当班机知悉对方的当前工作状态；当班机根据预设的时序或者接收外部输入的配电指令输出配电控制信号至载荷供配电模块，控制载荷供配电的通断，并回采载荷供配电模块输出端的母线电压，根据回采结果，判断配电指令是否正确执行，当指令未正确执行时，则由当班机将该配电指令经内部串口发送至非当班机，并暂时启用非当班机的输出控制功能，由非当班机补充执行一次该配电指令。

A Smooth Switching Dual Machine Redundant Distribution System Against Single Event Irradiation

【技术实现步骤摘要】
一种抗单粒子辐照的平滑切换双机冗余配电系统
本专利技术涉及一种抗单粒子辐照的平滑切换双机冗余配电系统。属于电源配电

技术介绍
对于航天测控系统而言，特别关注单机的可靠性，尤其是空间飞行器的单机，需要避免因空间恶劣环境造成的错误输出，通常需要采取三机冗余或双机冗余的设计方法。(一)三机冗余三冗余处理器一般按三模冗余、三中取二表决设计。分为紧耦合和松耦合两种模式。紧耦合的三模冗余系统可靠性较高，但系统设计较为复杂，信息交换量大，需要软件设计师在充分理解系统设计意图后编写大量的容错管理软件。另外系统总线也较难处理，若采用一套系统总线，系统实时性差、存在单点；若采用三套总线，占用了太多的接插件点数，使模板不能集成更多的功能，加大了系统体积、重量。而松耦合的三机冗余，设计相对简单，各单机信息交换量少，减少了容错管理环节，减轻了软件设计师的负担。此外也彻底解决了系统总线单点问题。三冗余技术方案的最大难点在于CPU间的同步机制。由于处理器实时性强，要周期性完成数据采集、运算、判断、控制指令输出任务，所以三机的同步十分重要。目的是消除因各处理器主频的微小差异而产生的累积误差，保证各CPU板数据采集及处理的同时性。(二)双机冷备系统配备两台完全相同的单机，仅一台为加电状态，可以定时将数据备份至备用单机硬件，但是出现故障时备机不会自动接管，需要人工启动硬件和服务。一些承担非重要任务的地面设备可采用此种备份方法。(三)双机并联输出系统配备两台完全相同的单机，同时为加电状态，接收控制信号并执行输出，两台单机只要有一套输出则输出有效。此类设计通常用于保通不保断的应用中，或者对两台单机分别供电，当某台单机出现故障无法关断时，对其执行断电操作。(四)双机热备设备内部包含热冗余的两套子设备，每个单机均能独立完成控制器内所有功能，信息控制组合内默认当班机为主机。主、备机功能和设计完全一致。正常工作状态下，主机、备机均接收信号，主机为当班机，备机不输出。主备机通过内部通讯监测对方的工作状态，当备机监测到主机工作状态不正常，或主机自身连续出现狗咬、网络故障等情况时，判断主机故障，当班机由主机切换到备机，主备机之间可以多次来回切换。综上所述，目前常用的冗余设计方法存在以下不足：(1)、三冗余技术方案需要使用三个完全相同的CPU板，需要较高的成本，同时也限制了设备体积的小型化，需要特别保证CPU间的同步；(2)、双机冷备需要人工启动设备，切换所需时间较长；(3)、双机热备冗余能够解决设备由于环境或其他因素彻底失效带来的单点故障，但对于单个通道偶发的错误输出，缺乏有效的纠正能力；并且增加了单机的功耗。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种抗单粒子辐照的平滑切换双机冗余配电系统，避免因主备机切换导致信息的丢失。同时，通过补偿机制确保配电指令能够正确执行，不会因单粒子反转或其他硬件电路失效原因导致操作失败。本专利技术的技术解决方案是：一种抗单粒子辐照的平滑切换双机冗余配电系统，该系统包括主机、备机和载荷供配电模块，其中主机和备机互为当班机和非当班机，当班机和非当班机实时地将自身的健康状态和当前工作状态发送给对方，确保非当班机和当班机知悉对方的当前工作状态；当班机根据预设的时序或者接收外部输入的配电指令输出配电控制信号至载荷供配电模块，控制载荷供配电的通断，并回采载荷供配电模块输出端的母线电压，根据回采结果，判断配电指令是否正确执行，当指令未正确执行时，则由当班机将该配电指令经内部串口发送至非当班机，并暂时启用非当班机的输出控制功能，由非当班机补充执行一次该配电指令。非当班机实时监测当班机健康状态，当非当班机检测到当班机异常时，根据之前保存的当班机最新正常工作状态，开启自身的输出控制与接收外部指令功能，按照预设流程或外部指令，执行后续的配电操作，并回采操作结果，当回采操作结果执行正确时，控制原当班机重新上电复位，原当班机上电复位后默认为非当班机状态，禁用输出控制与指令接收功能，完成切机操作。所述当班机实时监测非当班机的健康状态，当非当班机连续出现N次以上狗咬复位时，当班机向非当班机发送上电复位信号；若复位后再次出现N次狗咬，则当班机控制非当班机电源断电，停止工作，N大于等于2。所述健康状态包括心跳信号、复位信号、供电电压。所述工作状态包括系统时间、最新外部配电指令、最近的外部配电指令执行后的配电状态。主机和备机完全相同，包括中央处理控制器、遥控指令接收接口模块、双机交互接口模块、配电状态采集电路、配电指令解析电路、电源变换控制模块；中央处理控制器，实时地将自身的健康状态和当前工作状态发送至双机交互接口模块，将双机交互接口模块接收的备机或者主机的健康状态和当前工作状态保存，并检测备机或者主机运行是否正常；若非当班机出现异常，则由当班机控制非当班机重启，重启再次累积连续N次狗咬，则将非当班机断电；若当班机出现异常，则开启非当班机的输出控制功能，将原当班机重启，重启后禁用输出控制功能，完成双机切换，若原当班机重启再次累积连续N次狗咬，则由新当班机控制其断电；当班机模式下，根据预设时序生成配电指令或者接收遥控指令接收接口模块输入的配电指令，输出配电选通指令和对应通路的加电或断电驱动指令至载荷供配电模块；根据信号采集模块回采的配电结果，判断配电指令是否正确执行，如果配电指令未正确执行时，则将该配电指令发送至交互接口模块；控制非当班机遥控指令接收接口模块使能信号为“无效”状态，使得非当班机不接收外部输入的配电指令；非当班机模式下，接收交互接口模块发送的配电指令，根据该配电指令输出配电选通指令和对应通路的加电或断电驱动指令至载荷供配电模块；当检测到当班机运行异常时，启用非当班机自身的输出控制功能与外部指令接收接口，读取保存的当班机最新正常工作状态，按照该正常工作状态之后的时序，继续生成配电指令或者接收遥控指令接收接口模块输入的配电指令，输出配电选通指令至载荷供配电模块，根据信号采集模块回采的配电结果，判断配电指令是否正确执行，如果配电指令正确执行，则将切换为当班机工作模式，并向原当班机的电源交换控制器发送重启指令；遥控指令接收接口模块，在使能信号的控制下，当使能信号“有效”时，接收外部输入的配电指令，并输出配电指令给中央处理控制器，当使能信号“无效”时，不接受外部输入的配电指令，不输出配电指令至中央处理控制器；信号采集模块，采集载荷供配电模块输出端各载荷的母线电压，并发送给中央处理控制器；配电指令解析电路，将中央处理控制器发出的配电选通指令译码，选择对应通路的加电或断电驱动指令输出；对于仅需要确保接通的功率恒定配电通道，产生一对互补的加电与断电指令；对于接通和断开可靠性均有较高要求的功率恒定配电通道，共产生四对互补的加电与断电指令；电源交换控制器，将外部输入的供配电信号进行电源转换，得到所需的二次电源电压，为对方的中央处理控制器供电，同时，接收对方中央处理控制器的控制信号，将本机重启或者断电；复位电路，上电后产生复位信号，控制中央处理控制器复位；接受中央处理控制器输出的“喂狗”操作，预设的时间内未收到中央处理控制器输出的“喂狗”操作，则产生复位信号，控制中央处理控制器复位。载荷供配电模块包括驱动指令融合模块、功率恒定配电管本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抗单粒子辐照的平滑切换双机冗余配电系统，其特征在于包括主机、备机和载荷供配电模块，其中主机和备机互为当班机和非当班机，当班机和非当班机实时地将自身的健康状态和当前工作状态发送给对方，确保非当班机和当班机知悉对方的当前工作状态；当班机根据预设的时序或者接收外部输入的配电指令输出配电控制信号至载荷供配电模块，控制载荷供配电的通断，并回采载荷供配电模块输出端的母线电压，根据回采结果，判断配电指令是否正确执行，当指令未正确执行时，则由当班机将该配电指令经内部串口发送至非当班机，并暂时启用非当班机的输出控制功能，由非当班机补充执行一次该配电指令。

【技术特征摘要】
1.一种抗单粒子辐照的平滑切换双机冗余配电系统，其特征在于包括主机、备机和载荷供配电模块，其中主机和备机互为当班机和非当班机，当班机和非当班机实时地将自身的健康状态和当前工作状态发送给对方，确保非当班机和当班机知悉对方的当前工作状态；当班机根据预设的时序或者接收外部输入的配电指令输出配电控制信号至载荷供配电模块，控制载荷供配电的通断，并回采载荷供配电模块输出端的母线电压，根据回采结果，判断配电指令是否正确执行，当指令未正确执行时，则由当班机将该配电指令经内部串口发送至非当班机，并暂时启用非当班机的输出控制功能，由非当班机补充执行一次该配电指令。2.根据权利要求1所述的一种抗单粒子辐照的平滑切换双机冗余配电系统，其特征在于非当班机实时监测当班机健康状态，当非当班机检测到当班机异常时，根据之前保存的当班机最新正常工作状态，开启自身的输出控制与接收外部指令功能，按照预设流程或外部指令，执行后续的配电操作，并回采操作结果，当回采操作结果执行正确时，控制原当班机重新上电复位，原当班机上电复位后默认为非当班机状态，禁用输出控制与指令接收功能，完成切机操作。3.根据权利要求1所述的一种抗单粒子辐照的平滑切换双机冗余配电系统，其特征在于所述当班机实时监测非当班机的健康状态，当非当班机连续出现N次以上狗咬复位时，当班机向非当班机发送上电复位信号；若复位后再次出现N次狗咬，则当班机控制非当班机电源断电，停止工作，N大于等于2。4.根据权利要求1所述的一种抗单粒子辐照的平滑切换双机冗余配电系统，其特征在于所述健康状态包括心跳信号、复位信号、供电电压。5.根据权利要求1所述的一种抗单粒子辐照的平滑切换双机冗余配电系统，其特征在于所述工作状态包括系统时间、最新外部配电指令、最近的外部配电指令执行后的配电状态。6.根据权利要求1所述的一种抗单粒子辐照的平滑切换双机冗余配电系统，其特征在于主机和备机完全相同，包括中央处理控制器、遥控指令接收接口模块、双机交互接口模块、配电状态采集电路、配电指令解析电路、电源变换控制模块；中央处理控制器，实时地将自身的健康状态和当前工作状态发送至双机交互接口模块，将双机交互接口模块接收的备机或者主机的健康状态和当前工作状态保存，并检测备机或者主机运行是否正常；若非当班机出现异常，则由当班机控制非当班机重启，重启再次累积连续N次狗咬，则将非当班机断电；若当班机出现异常，则开启非当班机的输出控制功能，将原当班机重启，重启后禁用输出控制功能，完成双机切换，若原当班机重启再次累积连续N次狗咬，则由新当班机控制其断电；当班机模式下，根据预设时序生成配电指令或者接收遥控指令接收接口模块输入的配电指令，输出配电选通指令和对应通路的加电或断电驱动指令至载荷供配电模块；根据信号采集模块回采的配电结果，判断配电指令是否正确执行，如果配电指令未正确执行时，则将该配电指令发送至交互接口模块；控制非当班机遥控指令接收接口模块使能信号为“无效”状态，使得非当班机不接收外部输入的配电指令；非当班机模式下，接收交互接口模块发送的配电指令，根据该配电指令输出配电选通指令和对应通路的加电或断电驱动指令至载荷供配电模块；当检测到当班机运行异常时，启用非当班机自身的输出控制功能与外部指令接收接口，读取保存的当班机最新正常工作状态，按照该正常工作状态之后的时序，继续生成配电指令或者接收遥控指令接收接口模块输入的配电指令，输出配电选通指令至载荷供配电模块，根据信号采集模块回采的配电结果，判断配电指令是否正确执行，如果配电指令正确执行，则将切换为当班机工作模式，并向原当班机的电源交换控制器发送重启指令；遥控指令接收接口模块，在使能信号的控制下，当使能信号“有效”时，接收外部输入的配电指令，并输出配电指令给中央处理控制器，当使能信号“无效”时，不接受外部输入的配电指令，不输出配电指令至中央处理控制器；信号采集模块，采集载荷供配电模块输出端各载荷的母线电压，并发送给中央处理控制器；配电指令解析电路，将中央处理控制器发出的配电选通指令译码，选择对应通路的加电或断电驱动指令输出；对于仅需要确保接通的功率恒定配电通道，产生一对互补的加电与断电指令；对于接通和断开可靠性均有较高要求的功率恒定配电通道，共产生四对互补的加电与断电指令；电源交换控制器，将外部输入的供配电信号进行电源转换，得到所需的二次电源电压，为对方的中央处理控制器供电，同时，接收对方中央处理控制器的控制信号，将本机重启或者断电；复位电路，上电后产生复位信号，控制中央处理控制器复位；接受中央处理控制器输出的“喂狗”操作，预设的时间内未收到中央处理控制器输出的“喂狗”操作，则产生复位信号，控制中央处理控制器复位。7.根据权利要求1所述的一种抗单粒子辐照的平滑切换双机冗余配电系统，其特征在于载荷供配电模块包括驱动指令融合模块、功率恒定配电管理模块、功率非恒定配电管理模块；驱动指令融合模块，将主机与备机的同一个通路的加电或断电驱动指令并联后得到融合驱动指令，再将该融合驱动指令发送给通路对应的功率恒定配电管理模块和/或功率非恒定配电管理模块；功率恒定配电管理模块，输出功率恒定的供电信号；功率非恒定配电管理模块，输出功率非恒定的供电信号。8.根据权利要求1所述的一种抗单粒子辐照的平滑切换双机冗余配电系统，其特征在于所述功率恒定配电管理模块包括：两个指令驱动模块，分别记为第一指令驱动模块和第二指令驱动模块，两个配电输出模块，分别记为第一配电输出模块和第二配电输出模块；指令驱动模块，包括电阻R1、R2、R3、R4，三极管V1、V2，电阻R1的一端为指令驱动模块的输入端，另一端连接三极管V1的基极，电阻R2跨接在三极管V1的基极和发射极之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳梦云，刘巧珍，卢伟，黄晨，彭越，张宏德，徐晨，岳玮，
申请(专利权)人：北京宇航系统工程研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11