双主机冗余的发控数据处理设备的设计与实现

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2025.05.019

摘要/Abstract

摘要：

为最大程度设计具备高任务可靠性智能设备，在冗余热备理念的指导下，采用模块化数据构建方式，设计出一种全国产化状态的高可靠发控数据处理设备。通过嵌入式软硬件协同编程方式构建功能模块，确保双主机满足多种总线形式的外部冗余通信需求。内部控制逻辑实现过程中，将故障监测逻辑与信息交互流程融入发控软件中，采用基于远程判别的三重心跳检测机制及基于任务的数据同步方法实现主备切换，最大程度上确保切换流程稳定可靠。通过拷机验证、故障模拟和可靠性建模的计算该设备可靠性指标，测试结果表明：设计的基于双主机冗余的高可靠发控数据处理设备可实现故障监测和主从机件核心数据实时共享，保证单主机故障后发射任务进一步实施。与单主机相比，任务可靠度提升23.6%。

关键词: 双主机, 冗余热备, 模块化, 远程判别, 心跳监测, 高可靠性

Abstract:

To design intelligent equipment with a highly reliable mission to the utmost extent， the modular data construction approach under the guidance of the redundant hot backup concept was adopted， and a highly reliable launch control data processing equipment in a fully localized state was designed. The function modules were constructed through embedded software and hardware co-programming to ensure that the dual host could satisfy the requirements of external redundant communication in various bus forms. In the implementation of the internal control logic， the fault monitoring logic and information interaction process were integrated into the launch control software， and a triple heartbeat detection mechanism based on remote identification together with a task-based data synchronization method were adopted to realize the active/standby switchover， ensuring the stability and reliability of the switchover process to the greatest extent. To further explore the parameter characteristics and functional features of the launch control data processing equipment， copy verification， fault simulation and reliability modeling were performed to calculate the reliability index of the equipment. The test results indicate that the highly reliable launch control data processing equipment based on dual-host redundancy can achieve fault monitoring and real-time sharing of core data between the primary and secondary hosts， and guarantee the continued execution of launch tasks after a single host failure. The task reliability is improved by 23.6% compared to a single host.

Key words: dual host, redundant hot backup, modularity, remote identification, heartbeat monitoring, high reliability

中图分类号:

V553.1

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图/表 22

表1 发控数据处理设备各单元加权因子表

Table 1 Table of weighting factors for each unit of launch control data processing equipment

	主板A	电源A	通信板A	箱体	显示模块	键鼠模块
复杂因子	9	7	6	4	4	2
技术成熟水平因子	4	5	4	5	3	1
元器件质量因子	10	5	5	5	5	4
环境因子	4	4	4	7	8	8
重要性因子	8	8	8	4	2	2
各单元评分数c_i	11 520	5 600	3 840	2 800	960	128
各单元评分系数ω_i	0.463 619	0.225 37	0.154 54	0.112 685	0.038 635	0.005 151

表2 可靠性指标分配结果

Table 2 Reliability index assignment result

	$ω i$	c_i	MTBCF_i	$λ i × 10 - 6$ /h
合计	1	28 848	10 000	100
主板	0.463 619	11 520	21 569.4	46.361 88
电源	0.225 37	5 600	44 371.4	22.537 03
通信板	0.154 54	3 840	64 708.3	15.453 96
箱体	0.112 685	2 800	88 742.9	11.268 51
显示模块	0.038 635	960	258 833.3	3.863 490
键鼠模块	0.005 151	128	1 941 250	0.515 132

表2 可靠性指标分配结果

Table 2 Reliability index assignment result

	$ω i$	c_i	MTBCF_i	$λ i × 10 - 6$ /h
合计	1	28 848	10 000	100
主板	0.463 619	11 520	21 569.4	46.361 88
电源	0.225 37	5 600	44 371.4	22.537 03
通信板	0.154 54	3 840	64 708.3	15.453 96
箱体	0.112 685	2 800	88 742.9	11.268 51
显示模块	0.038 635	960	258 833.3	3.863 490
键鼠模块	0.005 151	128	1 941 250	0.515 132

图1 发控数据处理设备原理图

Fig. 1 Schematic diagram of launch control data processing equipment

图2 数据处理设备主板原理图

Fig. 2 Data processing equipment motherboard schematic

图3 控制软件通信逻辑关系图

Fig. 3 Control software communication logic diagram

图4 通信板原理图

Fig. 4 Communication board schematic diagram

表3 系统进程信息

Table 3 System process information

报文号	报文信息	报文长度	报文定义
1	报文标识	UInt32	0xFFEEFFEE
2	报文长度	UInt16	不定长
3	发送方	UChar8	A机：0x11；B机：0x22
4	主备标识	UChar8	主模式：0x11；备模式：0x22
5	报文发送次数	UInt16	1～65 535，发送方自行循环计数
6	当前任务状态	UInt8	0：任务1；1：任务2；…；n：任务n
7	任务进程1执行情况	UIn8	执行状态：0：正常；1：未执行；2：执行中；3：异常
8	任务子进程2执行情况	Uin16	0：默认状态
9	附带数据信息（变长）	Uin16	自定

表4 系统状态更新

Table 4 System status update

报文号	报文信息	报文长度	报文定义
1	报文标识	UInt32	0xAA55AA55
2	报文长度	UInt16	14
3	发送方	UChar8	A机：0x11；B机：0x22
4	主备标识	UChar8	主模式：0x11；备模式：0x22
5	报文发送次数	UInt16	1～655 35，发送方自行循环计数
6	工作状态	UInt8	0xAA：联机；0x55本地；0x11：初始化界面
7	工作模式	UInt8	0001，作战；0010，值班；0100，训练；1000，测试维护；
8	系统进程状态1 （系统命令）	UInt16	0：未执行；1：正常；2：执行中；3：异常 Bit0～Bit1：预留；Bit2～Bit3：命令1；Bit4～Bit5：命令2；Bit6～Bit7：命令3；Bit8～Bit9：命令4；Bit10～Bit11：命令5；Bit11～Bit15：预留

图5 三重心跳检测机制流程图

Fig.5 Flowchart of the triple heartbeat detection mechanism

图6 远程判别与心跳监测物理连接示意图

Fig. 6 Schematic diagram of physical connection between remote identification and heartbeat monitoring

图7 远程判别机制流程图

Fig. 7 Flowchart of remote discriminant mechanism

图8 传统发控数据处理设备可靠性模型

Fig. 8 Reliability model of traditional launch control data processing equipment

图9 双机冗余发控数据处理设备可靠性模型

Fig. 9 Reliability model of dual redundant launch control data processing equipment

表5 传统发控数据处理设备基本可靠性MTBF预计值

Table 5 MTBF estimation of basic reliability of traditional launch control data processing equipment

组件名称	预计值 λ×10^-6/h	预计值MTBCF/h
汇总	50.947 548	19 628.029 99
主板	25.145 007	39 769
电源	6.4	156 250
通信板	2.745 6	364 219
箱体（含VPX底板、连接器）	7.488 547	133 537
显示模块	7.868 394	127 090
键鼠模块	1.3	769 230

表6 发控数据处理设备基本可靠性MTBF预计值

Table 6 MTBF estimation of basic reliability of launch control data processing equipment

组件名称	预计值 λ×10^-6/h	预计值MTBF/h
汇总	86.938 155	11 502
主板A	25.145 007	39 769
主板B	25.145 007	39 769
电源A	6.4	156 250
电源B	6.4	156 250
通信板A	2.745 6	364 219
通信板B	2.745 6	364 219
KVM板	1.7	588 235
箱体（含VPX底板、连接器）	7.488 547	133 537
显示模块	7.868 394	127 090
键鼠模块	1.3	769 230

表7 发控数据处理设备任务可靠性MTBCF预计值

Table 7 MTBCF mission reliability estimates for launch control data processing equipment

组件名称	预计值 λ×10^-6/h	预计值 MTBF/h
合计	41.217 345 67	24 261.630 24
主板	25.145 007	39 769
电源	6.4	156 250
CAN/B码	2.745 6	364 219
KVM板	1.7	588 235
箱体（含VPX底板、连接器）	7.488 547	133 537
显示模块	7.868 394	127 090
键鼠模块	1.3	769 230

表8 冗余总线运行情况分析表

Table 8 Redundant bus operation analysis table

序号	总线响应状况	故障模拟方式
1	数据接收响应情况分析	重复监听总线上数据响应情况，统计总线切换次数和总线响应情况
2	模拟单一总线故障，记录系统数据接收响应情况分析	模拟接收故障（响应第2次接收），分析单次切换下系统响应时间
3	模拟两总线切换故障，记录系统数据接收响应情况分析	模拟接收故障（响应第3次接收），分析双次切换下系统响应时间
4	模拟两总线跳转3次故障，记录系统数据接收响应情况分析	模拟接收故障（响应第4次接收），分析3次切换下系统响应时间

图10 发控数据处理设备测试连接方案

Fig.10 Test connection scheme for launch control data processing equipment

表 9 发控数据处理设备烤机状态下响应时间分析

Table 9 Response time analysis of launch control data processing equipment in the state of oven

统计结果（A总线正常通信）	电源	车控单元	方向基准	发控
平均	2.801 074	1.812 146	5.189 189	0.788 388
标准误差	0.030 738	0.166 37	0.094 75	0.078 521
中位数	1	1	5	1
众数	1	1	1	1
标准差	3.355 069	5.846 664	3.310 849	2.840 885
方差	11.256 49	34.183 48	10.961 72	8.070 63
峰度	-0.310 8	119.251 3	-1.413 95	1 234.342
偏度	1.096 996	10.304 63	0.044 939	34.620 39
区域	15	91	11	102
最小值	0	0	0	0
最大值	15	88	11	102
求和	33 372	2 238	6 336	1 032
观测数	11 914	1 235	1 221	1 309
最大（1）	15	88	11	102
最小（1）	0	1	0	0
置信度（95.0%）	0.060 251	0.326 399	0.185 892	0.154 04

图11 发控数据处理设备总线响应散点矩阵图

Fig.11 Scatter matrix diagram of the bus response of the launch control data processing device

表10 发控数据处理设备软件模拟故障下响应时间相关性分析

Table 10 Response time correlation analysis under simulated fault of launch control data processing equipment software

Pearson's	接收	单切	双切	三切
电源接收	—	0.948 83	0.947 27	0.946 70
电源单切	0.948 83	—	0.898 77	0.893 03
电源双切	0.947 27	0.898 77	—	0.889 00
电源三切	0.946 7	0.893 03	0.889 00	—-
车显接收	—	0.947 86	0.945 8	0.943 72
车显单切	0.947 86	—	0.896 83	0.893 59
车显双切	0.945 80	0.896 83	—	0.883 01
车显三切	0.943 72	0.893 59	0.883 01	—
瞄准接收	—	0.931 46	0.941 05	0.899 48
瞄准单切	0.931 46	—	0.922 49	0.916 14
瞄准双切	0.941 05	0.922 49	—	0.919 34
瞄准三切	0.899 48	0.916 14	0.919 34	—
发控接收	—	0.920 03	0.930 59	0.910 43
发控单切	0.920 03	—	0.913 40	0.906 80
发控双切	0.930 59	0.913 40	—	0.905 37
发控三切	0.910 43	0.906 80	0.905 37	—

表 11 发控数据处理设备测试方案及结果

Table 11 Test scheme and results of launch control data processing equipment

测试类型	测试项目	测试方法	本方案设备	仲裁模块冗余方案
硬件故障	模拟A机故障	关闭A机电源	B机升主，显示A机故障，正常完成任务	B机升主
	模拟B机故障	关闭B机电源	A机显示B机故障，可保证正常完成测试	A机显示B机故障
	模拟心跳故障	拔掉网络线	单心跳正常状态下可保持切换	双主机状态
		拔掉串口线
		拔掉CAN总线
	模拟转换器故障	本设备关闭KVM，另外2个关闭控制盒和仲裁模块	切换功能异常，单主机能正常工作	切换功能异常，单主机能正常工作
软件故障	A机数据处理软件故障	关闭A机数据处理软件	正常切换至B机工作	—
	A机数据处理软件故障	关闭B机数据处理软件	A机显示B机故障，可保证正常完成测试	—
	仲裁模块软件故障	本方案融入数据处理软件，转换仲裁模块软件异常注入	正常运行	切换功能异常

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