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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410717473.3(22)申请日 2014.11.28G06F 11/16(2006.01)(71)申请人中国航天科技集团公司第九研究院第七七一研究所地址 710000 陕西省西安市太白南路198号(72)发明人刘曙蓉 伊岚 何海峰(74)专利代理机构西安通大专利代理有限责任公司 61200代理人徐文权(54) 发明名称一种星载模块级冗余备份系统及方法(57) 摘要本发明提供一种设备内部资源利用率高，设备可靠性强，寿命长的星载模块级冗余备份系统及方法。通过功能类型和接口对硬件模块进行统标准的划分，组成多个能够完成整机功能的冗余单。
2、元，在冗余单元中设置若干的同功能标准功能模块，从而将冗余备份的粒度由单机细化到功能模块，减少资源浪费，提高系统利用率，达到提高电子产品寿命及可靠性指标的目的；并且通过内部背板互联标准串行总线系统的连接，其模块接口统一，模块间能够通过组合的实时实现不同冗余单元嵌入式计算机产品的定制；从而快速的建立一种开放的计算机体系结构，解决了嵌入式计算机专机定制，研制周期长、成本高等问题。(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书5页 附图3页(10)申请公布号 CN 104407949 A(43)申请公布日 2015.03.11CN 10440794。
3、9 A1/1页21.一种星载模块级冗余备份方法，其特征在于，包括，1)将单机组成中的具有同一功能类型和接口的硬件模块划分为多个标准功能模块；将若干同类型的标准功能模块设定优先等级后互为备份的组成一个冗余单元，进行该类型的标准功能模块的信息输出和供电管理；2)对所有冗余单元中的每个标准功能模块分别嵌入对应的冗余切换机制；在冗余切换机制的控制下，当前工作的标准功能模块出现故障后，将对应控制功能切换到同一冗余单元内其他标准功能模块中优先级最高的标准功能模块上；3)将所有的冗余单元中的每个标准功能模块均连接在内部背板互联标准串行总线系统上进行信号传输，并分别将各冗余单元连接对应的数据和/或控制总线上；。
4、所有冗余单元组成一台整机完成相应的功能。2.根据权利要求1所述的一种星载模块级冗余备份方法，其特征在于，所述的标准功能模块包括CPU模块和I/O模块；若干CPU模块互为备份组成CPU冗余单元，若干I/O模块互为备份的组成I/O冗余单元。3.根据权利要求1所述的一种星载模块级冗余备份方法，其特征在于，所述的内部背板互联标准串行总线系统支持支持冷、热节点互联。4.一种星载模块级冗余备份系统，其特征在于，包括内部背板互联标准串行总线系统，与外部进行数据和信息交换的数据和/或控制总线，以及用于实现不同控制功能的冗余单元；所述冗余单元包括若干设定有优先等级且分别嵌入冗余切换机制的标准功能模块，标准功能模。
5、块为单机组成中的具有对应该冗余单元的同一功能类型和接口的硬件模块；冗余切换机制用于在对应的冗余单元中将状态正常且优先级最高的标准功能模块置于工作状态；系统内各个冗余单元包括冗余单元中的标准功能模块均连接在内部背板互联标准串行总线系统上进行信号传输，各冗余单元对外有相应的数据和/或控制总线，所有冗余单元按控制功能连接后组成一台整机完成相应的控制功能。5.根据权利要求4所述的一种星载模块级冗余备份系统，其特征在于，所述的数据和/或控制总线具体包括对外数据信息总线和对外控制指令总线。6.根据权利要求5所述的一种星载模块级冗余备份系统，其特征在于，所述的整机由依次连接的CPU冗余单元和I/O冗余单元组。
6、成；连接外部控制及数据总线的CPU冗余单元包括若干互为备份的CPU模块；I/O冗余单元包括若干互为备份的I/O模块，I/O冗余单元分别与对外输入数据信息总线和对外输出控制指令总线连接。7.根据权利要求6所述的一种星载模块级冗余备份系统，其特征在于，所述的系统内部背板互联标准串行总线系统采用ARINC659总线，I/O模块采用ANTC模块。8.根据权利要求4所述的一种星载模块级冗余备份系统，其特征在于，该系统采用时间触发机制下的窗口工作模式实现控制功能。权 利 要 求 书CN 104407949 A1/5页3一种星载模块级冗余备份系统及方法技术领域0001 本发明涉及电子信息技术领域，具体为一种。
7、星载模块级冗余粒度的备份方法。背景技术0002 目前，星载电子设备均通过冗余备份实现自身在轨长寿命、高可靠运行的设计目标。整机设备内部冗余备份的最小单元为“单机”，一个整机内能够包括多个互为备份的单机。这里所说的单机是指具备完整功能的计算机，即具有CPU处理、运算、存储以及I/O接口控制能力的电子产品。0003 星载电子设备多采用双机冗余备份方式，双机工作方式分为“热”与“冷”两种类型。双机“热”备份指的是双机均加电工作，只有一台单机具有对外数据与命令发送的控制权，这台单机又被称为“主份”机；双机“冷”备份指的是只有一台单机加电工作，另一台单机不加电工作。双机的控制权通过冗余切换机制实现，确保。
8、唯一单机对设备的控制与管理。“冗余切换机制”通过接收“冗余控制指令”来实现单机的信息输出控制与供电管理控制。“冗余切换机制”实质是一种表决控制，即在单机优先级顺序确定的前提下，每个单机对系统中优先级最高的单机实施“投票”选举。双机系统中，其双机冗余备份的框图如图1所示，其中次优先级的单机拥有一票否决权，能够直接“夺权”。三机系统中，通过“三中取二”的方式实行表决投票。利用表决结果实现信息输出与供电管理的控制。若采用三机热备冗余方式，即三机均加电工作，只有一台单机具有对外数据与命令发送的控制权；其三机冗余备份框图如图2所示。0004 在以单机为单位的冗余切换方式下，当单机内任意模块出现故障均会导。
9、致单机异常，继而发生单机主控权的切换。这种切换策略会造成单机内有效模块的浪费，降低单机利用率与可靠性，进而影响整个电子设备的可靠性与寿命。发明内容0005 针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种设备内部资源利用率高，设备可靠性强，寿命长的星载模块级冗余粒度的备份系统及方法。0006 本发明是通过以下技术方案来实现：0007 本发明一种星载模块级冗余备份方法，包括，0008 1)将单机组成中的具有同一功能类型和接口的硬件模块划分为多个标准功能模块；将若干同类型的标准功能模块设定优先等级后互为备份的组成一个冗余单元，进行该类型的标准功能模块的信息输出和供电管理；0009 2)对所有冗余单元中的每。
10、个标准功能模块分别嵌入对应的冗余切换机制；在冗余切换机制的控制下，当前工作的标准功能模块出现故障后，将对应控制功能切换到同一冗余单元内其他标准功能模块中优先级最高的标准功能模块上；0010 3)将所有的冗余单元中的每个标准功能模块均连接在内部背板互联标准串行总线系统上进行信号传输，并分别将各冗余单元连接对应的数据和/或控制总线上；所有冗说 明 书CN 104407949 A2/5页4余单元组成一台整机完成相应的功能。0011 优选的，标准功能模块包括CPU模块和I/O模块；若干CPU模块互为备份组成CPU冗余单元，若干I/O模块互为备份的组成I/O冗余单元。0012 优选的，内部背板互联标准串。
11、行总线系统支持支持冷、热节点互联。0013 本发明一种星载模块级冗余备份系统，包括内部背板互联标准串行总线系统，与外部进行数据和信息交换的数据和/或控制总线，以及用于实现不同控制功能的冗余单元；所述冗余单元包括若干设定有优先等级且分别嵌入冗余切换机制的标准功能模块，标准功能模块为单机组成中的具有对应该冗余单元的同一功能类型和接口的硬件模块；冗余切换机制用于在对应的冗余单元中将状态正常且优先级最高的标准功能模块置于工作状态；系统内各个冗余单元包括冗余单元中的标准功能模块均连接在内部背板互联标准串行总线系统上进行信号传输，各冗余单元对外有相应的数据和/或控制总线，所有冗余单元按控制功能连接后组成一。
12、台整机完成相应的控制功能。0014 优选的，数据和/或控制总线具体包括对外数据信息总线和对外控制指令总线。0015 进一步，整机由依次连接的CPU冗余单元和I/O冗余单元组成；连接外部控制及数据总线的CPU冗余单元包括若干互为备份的CPU模块；I/O冗余单元包括若干互为备份的I/O模块，I/O冗余单元分别与对外输入数据信息总线和对外输出控制指令总线连接。0016 再进一步，系统内部背板互联标准串行总线系统采用ARINC659总线，I/O模块采用ANTC模块。0017 优选的，该系统采用时间触发机制下的窗口工作模式实现控制功能。0018 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：0019 本。
13、发明通过功能类型和接口对硬件模块进行统标准的划分，组成多个能够完成整机功能的冗余单元，在冗余单元中设置若干的同功能标准功能模块，从而将冗余备份的粒度由单机细化到功能模块，减少资源浪费，提高系统利用率，达到提高电子产品寿命及可靠性指标的目的；并且通过内部背板互联标准串行总线系统的连接，其模块接口统一，模块间能够通过组合的实时实现不同冗余单元嵌入式计算机产品的定制；从而快速的建立一种开放的计算机体系结构，解决了嵌入式计算机专机定制，研制周期长、成本高等问题。0020 进一步的，采用时间触发机制下的窗口工作模式执行控制功能，能够实现资源备份和工作状态的共享，能够保存之前的工作状态，实现任务的无缝连接。
14、，确保系统工作的连续性强。0021 进一步的，通过将标准功能模块划分为CPU模块和I/O模块，通过两者的连接实现整机的控制作用和数据传输功能，保证粒度划分的同时避免了切换控制复杂繁琐以及系统无法升级拓展的问题；能够更好地适用于长寿命高可靠星载综合电子设备领域。附图说明0022 图1为现有技术中双机冗余备份的功能结构框图。0023 图2为现有技术中三机冗余备份的功能结构框图。0024 图3为本发明所述系统的标准模块连接示意图。0025 图4为现有技术中单机级冗余备份的可靠性示意框图。0026 图5为本发明所述的模块级冗余备份的可靠性示意框图。说 明 书CN 104407949 A3/5页5002。
15、7 图6为本发明实例中所述产品的模块级冗余备份的功能连接框图。具体实施方式0028 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。0029 本发明一种星载模块级冗余备份方法，其包括，0030 1)将单机组成中的具有同一功能类型和接口的硬件模块划分为多个标准功能模块；将若干同类型的标准功能模块设定优先等级后互为备份的组成一个冗余单元，进行该类型的标准功能模块的信息输出和供电管理；本优选实例中，如图3所示，标准功能模块包括CPU模块和I/O模块；若干CPU模块互为备份组成CPU冗余单元，若干I/O模块互为备份的组成I/O冗余单元。0031 2)对所有冗余单元中的每。
16、个标准功能模块分别嵌入对应的冗余切换机制；在冗余切换机制的控制下，当前工作的标准功能模块出现故障后，将对应控制功能切换到同一冗余单元内其他标准功能模块中优先级最高的标准功能模块上，如图3所示；0032 3)将所有的冗余单元中的每个标准功能模块均连接在内部背板互联标准串行总线系统上进行信号传输，并分别将各冗余单元连接对应的数据和/或控制总线上；所有冗余单元组成一台整机完成相应的功能，如图3所示。其中，内部背板互联标准串行总线系统支持支持冷、热节点互联。0033 本发明一种星载模块级冗余备份系统，如图6所示，包括内部背板互联标准串行总线系统，与外部进行数据和信息交换的数据和/或控制总线，以及用于实。
17、现不同控制功能的冗余单元；所述冗余单元包括若干设定有优先等级且分别嵌入冗余切换机制的标准功能模块，标准功能模块为单机组成中的具有对应该冗余单元的同一功能类型和接口的硬件模块；冗余切换机制用于在对应的冗余单元中将状态正常且优先级最高的标准功能模块置于工作状态；系统内各个冗余单元包括冗余单元中的标准功能模块均连接在内部背板互联标准串行总线系统上进行信号传输，各冗余单元对外有相应的数据和/或控制总线，所有冗余单元按控制功能连接后组成一台整机完成相应的控制功能。其中，数据和/或控制总线具体包括对外数据信息总线和对外控制指令总线。整机由依次连接的CPU冗余单元和I/O冗余单元组成；连接外部控制及数据总线。
18、的CPU冗余单元包括若干互为备份的CPU模块；I/O冗余单元包括若干互为备份的I/O模块，I/O冗余单元分别与对外输入数据信息总线和对外输出控制指令总线连接。本优选实例中，系统内部背板互联标准串行总线系统采用ARINC659总线，I/O模块采用ANTC模块；并且系统采用时间触发机制下的窗口工作模式实现控制功能。0034 具体的，本发明所述系统中将整机中硬件模块按功能类型和接口进行划分，分为包括CPU模块和I/O模块的标准功能模块，其各自的冗余切换控制机制的控制方式不变，但是将其拆分后分别对应到同类型的标准功能模块当中，从而使控制粒度由单机级降低至模块级；所有的标准功能模块使用标准的串行总线作为。
19、背板总线，将通过背板总线将所有的标准功能模块连接起来，冗余控制机制的冗余控制指令也通过背板总线进行传输；如图3所示，分别设置有N个CPU模块和N个I/O模块分别对应各自的冗余切换控制机制并各自连接对外控制及数据信息，再将其一一的连接起来后构成模块级冗余备份系统，系统运行说 明 书CN 104407949 A4/5页6时能够通过任意一个CPU模块和I/O模块的组成实现整机功能。0035 采用此种架构之后，其可靠性如图5所示，与现有技术中单机级冗余备份的可靠性对比如图4所示；现有技术中的单机级冗余备份是将两个分别包括CPU模块和I/O模块的单机并联后采用冗余切换控制机制实现冗余备份，但是当主机内部。
20、部分模块发生故障时，需要停滞整个主机而切换到备机上，实际在主机上未发生故障的模块也被迫停止了工作，造成了极大的浪费，其可靠度如果为一的话，如图5所示的模块级冗余备份的可靠性就是六；如图5所示，其中只有在CPU模块中对应各自的冗余切换控制机制，两者并联后再介入到并联的I/O模块中，CPU模块与I/O模块组成一台整机完成相应的功能；当CPU模块与I/O模块中的任意一块出现异常，只需采用同类型的模块实施替换重新组合后即可确保系统的正常工作，继续完成设备的功能任务。这种冗余切换模式可提高设备内部资源利用率，减少浪费，提高设备可靠性与寿命。0036 本发明所述的系统与以往系统中使用的自定义并行总线相比，。
21、标准背板总线具有统一接口，方便系统拓展与重组。解决了嵌入式计算机专机定制，研制周期长、成本高等问题。其中，任意模块的组合，能够满足不同任务需求，具有计算机快速定制能力。针对实时性强的系统，可构建多CPU模块与I/O模块的“热备份”电子系统；针对长寿命需求的系统，可构建多CPU模块与I/O模块的“冷备份”电子系统。以下就通过具体的例子来分别对两种类型的电子系统进行具体说明。0037 具体产品中选用ARINC659总线作为背板总线，其由2类5个标准功能模块组成，如图6所示，其中3块CPU模块，2块ANTC模块，ANTC模块属于I/O模块的一种。5个标准功能模块全部串接在背板总线ARINC659总线。
22、上。在功能方面，3块CPU模块互为备份形成CPU冗余单元，2块ANTC模块互为备份形成I/O冗余单元。在冗余单元执行对应控制功能时，只有优先级最高的标准功能模块工作。0038 在快速定制两模的“冷备份”电子系统时；通过供电模块给CPU模块1加电。CPU模块1启动工作后，通过ANTC模块冗余单元的冗余切换机制给ANTC模块1加电，产品进入正常工作模式：CPU模块1通过外部控制及数据总线向外发布控制命令，并收集相关数据信息，通过ARINC659总线与ANTC模块1实现信息交互。ANTC模块1通过外部输入数据信息总线和对外输出控制指令总线实现外部模拟量信息的采集功能以及对外指令的发送。CPU模块1通。
23、过ARINC659总线定时监测ANTC模块1的健康状态，当发现其异常时利用对应ANTC模块1的冗余切换机制禁止ANTC模块1工作，使能ANTC模块2工作，执行冗余切换4。当CPU模块1发生故障时，对应CPU模块1的冗余切换机制禁止CPU模块1工作，使能CPU模块2工作，执行冗余切换1。0039 由图6可以看出：任意CPU模块与任意ANTC模块可组合工作，形成单机完成任务。与单机级冗余方式相比，模块级冗余备份提高了资源利用率，减少了不必要的浪费，提高了产品的寿命与可靠性。0040 快速定制三模“热备份”电子系统时；通过供电模块给CPU模块1、CPU模块2、CPU模块3加电。三个CPU模块中，CP。
24、U模块1具有最高优先级，其它模块按照编号优先级别依次类推，高优先级的CPU模块具有对系统的控制权。CPU模块1通过ANTC模块冗余单元的冗余切换机制给ANTC模块1加电。CPU模块1通过外部控制及数据总线向外发布控制命令，并收集相关数据信息，通过背板总线与ANTC模块1实现信息交互。ANTC模块1可实现说 明 书CN 104407949 A5/5页7外部模拟量信息的采集功能以及对外指令的发送。CPU模块1通过背板总线定时监测ANTC模块1的健康状态，当发现其异常时利用其对应的冗余切换机制禁止ANTC模块1工作，使能ANTC模块2工作，执行冗余切换4。CPU模块2与CPU模块3通过背板总线定时监测CPU模块1的健康状态，当发现其异常时通过其自身的冗余切换机制实现自我隔离与关闭，执行冗余切换1，同时，CPU模块2获取系统的主控权继续完成任务。说 明 书CN 104407949 A1/3页8图1图2说 明 书 附 图CN 104407949 A2/3页9图3图4说 明 书 附 图CN 104407949 A3/3页10图5图6说 明 书 附 图CN 104407949 A10。