王晓君等

【摘 要】在设计长期加电工程项目的测试系统时，采用远程自动测控系统完成测试工作，远端无人值守。在测试过程中执行指令控制并对重要参数进行实时监测，为监测人员提供参考信息及故障预报。自动测控组合是远程自动化测控系统设计的核心设备，可接收、执行和记录来自综合控制台的控制指令，实现对测试数据的采集、发送和存储。基于VxWorks操作系统的自动测控组合应用1553B总线通信模式，采用双机热备冗余的系统架构，在系统长期连续加电的情况下，支持热插拔更换整机的方式，单机设备发生故障可自动检测并切换，保证系统功能不失效。采用龙芯2J芯片的主控制板、基于龙芯的MIPS架构的VxWorks实时操作系统。VxWorks操作系统可靠性高、实时性强、可裁剪，占用很小的存储空间，保证了系统在长期加电过程中的高稳定性和可靠性。

【关键词】自动测控；远程；1553B；热备冗余；VxWorks

0 前言

在设计长期加电工程项目的测试系统时，采用远程自动测控系统完成测试工作，远端无人值守。在测试过程中执行指令控制并对重要参数进行实时监测，为监测人员提供参考信息及故障预报。远程自动测控系统在空间布局上分为：后端测控计算机、前端自动测控组合、n台远端配电设备。自动测控组合是远程自动测控系统设计中的核心设备，采用1553B总线，完成自动供配电控制，实时接收、执行和记录来自后端测控计算机的控制指令，实现对测试数据的采集、发送和存储。

在测控系统要求连续加电测试的情况下，自动测控组合设计采用双机热备冗余的系统架构，可在加电过程中进行热插拔操作，及时更换故障设备，且在检测到故障设备后可自动切换至备用设备。此设计方案保证了在单机设备故障时，系统功能不失效，有效的提高了系统设计的可靠性及维修性。

现有测控设备设计中多采用Intel处理器，Windows操作系统等，本系统处理器选用龙芯2J的嵌入式控制器，控制器模块采用PC/104架构。嵌入式控制器模块的监控通过VxWorks操作系统读取BIOS中的信息来获取。VxWorks操作系统可靠性高、实时性强、可裁剪，占用很小的存储空间，保证了系统长期加电工作中的高稳定性和可靠性。

基于VxWorks的热备冗余远程自动测控系统设计首次应用国产化处理器、操作系统完成测控任务，双机热备冗余的系统架构在目前的测试系统中也处于领先水平，对于其他测试系统具有可借鉴的价值。

1 远程自动测控系统整体架构

1.1 总体设计思想

热备冗余自动测控系统整体框图见图1。

为达到长期加电、连续工作的要求，自动测控系统的总体设计思路主要为：

1）系统采用双机热备冗余的系统架构，关键设备自动测控组合选用PC/104紧凑型、低功耗、高可靠的架构。双机热备方式在系统长时间加电的情况下，支持热插拔更换整机的方式，保证在单机设备故障时，系统功能不失效。

2）系统具有两种工作模式：单机模式和双机热备模式。单机模式：在一台单机处于调试状态或者故障时自动切换至另一台单机的工作方式。双机热备模式：双机均正常工作的工作方式。

3）选用可靠性高、实时性强、可裁剪的VxWorks操作系统，开发基于VxWorks操作系统的BSP软件和应用层软件。其中应用层软件系统功能主要包括：热备冗余功能和测控应用功能。

1.2 系统组成与功能

双机热备架构中，自动测控系统主要由自动测控组合（主机）、自动测控组合（从机）组成，双机的配置完全相同，均具备独立执行测控任务的能力。以“先加电，先为主”的原则，先加电的设备选择主机模式，后加电的设备选择从机模式。在单机处于调试状态或者故障时可自动切换至另一台单机工作。

热备冗余自动测控系统通过1553B总线和422总线将来自n台远端配电设备的信息进行采集和存储，同时通过2路冗余以太网端口发送至后端测控计算机，并通过以太网端口接收来自后端测控计算机的控制指令，将其转化为1553B指令和422指令，控制1553B板卡和422板卡输出信息至n台远端配电设备。

自动测控组合单机组成模块及功能如下：

1）控制器模块。采用龙芯2J（采用VxWorks6.7操作系统），负责对所有外设模块的管理和控制，完成热备冗余及应用功能；

2）422通信模块。完成自动测控组合与n台远端配电设备的控制指令和测试数据传输；

3）1553B总线通信模块。完成自动测控组合与n台远端配电设备的控制指令和测试数据传输；

4）冗余控制模块。提供CPU工作监测、心跳信号产生和检测、主从状态以及死机故障下热备切换控制功能；

5）以太网通信模块。以太网模块用于实现单机设备与后端测控计算机的通讯，以及主从机之间的同步信息收发；

6）I/O模块。用于对远端配电设备输出继电器执行电路的开关量信号检测和指示灯控制；

7）电源模块。提供PC/104总线所需的电源，提供调理模块中继电器驱动电路供电和数字量信号回采电路供电。

2 关键设计技术

2.1 主控制器

控制器模块采用PC104总线龙芯2J嵌入式控制器，运行VxWorks6.7操作系统。控制器模块完成对所有外设的控制和管理，同时运行热备层软件完成热备冗余功能。

龙芯2J是一款64位MIPS指令集的通用RISC处理器，稳定工作频率最高可达1GHz，片内集成DDR2控制器和PCI/PCIX控制器、LPC控制器、SPI控制器和UART控制器等，还集成了2个千兆网MAC。该CPU基于65nm CMOS工艺，片内一级cache由一个64KB的指令cashe和一个64KB的数据cache组成，片内二级cache容量为1MB。

嵌入式控制器模块的监控通过VxWorks操作系统读取BIOS中的信息来获取，故障模式包括：处理器故障、内存故障、硬盘故障等。

2.2 以太网络热备冗余

以太网通讯模块主要完成自动测控组合与测控计算机的指令和测试数据传输，主从机之间的状态数据包通信、主从机同步数据通信、主从机的总线数据传输等。自动测控组合与后端的通信使用两个网口，并采用IP地址绑定的方式，从而实现逻辑地址为1个IP地址，而实际传输中采用双网口传输；自动测控组合主从之间的网口通信也采用IP地址绑定的双网口冗余通信方式。

自动测控组合单机通过两个以太网端口（ZNET1、ZNET2）连接主控网络通信设备，绑定为一个IP地址，双网口均正常时通过其中一条链路通信，另一条备用，通信链路故障时，驱动软件自动切换到备用链路通信。经过测定链路切换时间不大于400ms，在故障情况下，有效的保证了系统数据传输的可靠性。

2.3 RS422通信冗余

RS422通信模块主要完成自动测控组合与远端配电设备的控制指令和测试数据传输。采用专用RS422接口隔离芯片实现RS422总线发送/接收隔离器，收发器集成在一个IC芯片上，可实现±15KV的ESD保护，2.5Mbps传输速率。

主单路RS422串口通讯采用冗余工作机制。从自动测控组合的RS422串口同时接收测量系统数据，通过心跳板I/O控制继电器方式实现输出通道的隔离控制，从而保证冗余状态下信号的稳定可靠传输。

2.4 1553B总线冗余

双机正常状态下，主机1553B总线控制器处于BC状态，对总线执行控制功能，从机1553B总线控制器处于热备BC状态，即BBC（Backup BC，一种在线BM状态，MIL-HDBK-1553推荐单总线双BC工作方式）状态。当接收到切换指令之后，主机1553B总线控制器由BC状态转化为BBC（主机无故障切换）或离线状态（主机故障切换），放弃对1553B总线的控制，原主机放弃主机状态，转化为从机或离线状态。原从机由从机状态转化为主机状态，原从机1553B总线控制器由BBC状态转化为BC状态，接替原主机对1553B总线进行控制。

1553B总线模块在1553B总线数据进行传输时，还可对“1553B总线通信响应时间超时”和“1553B总线错误消息”等事件进行实时监测。

1553B总线通信模块的热备冗余设计见图2。

2.5 冗余控制技术

冗余控制模块通过监测主控制器工作状态，及时发现主控制器程序运行故障，实现主从互相监测对方机是否出现死机故障，以便发起主机死机状态下的主从切换。

冗余控制技术主要实现以下功能：

1）保存并维护单机主从状态标志变量，进而控制面板主从状态和故障状态指示。

2）监测主控制器程序运行，并通过向对方机发送心跳信号表明运行正常。

3）当主控制器程序跑飞或死机故障时，发送的心跳信号丢失，从而发起主从切换，同时隔离本机故障。

系统设计中采用FPGA作为核心进行冗余控制模块的设计和实现，基本架构见图3。

2.6 心跳检测设计

心跳检测设计分为心跳发送和心跳诊断两部分。系统设计中采用了以下方法来保证心跳检测模块的稳定性和可靠性：

1）心跳信号采用双路同时发送，双路同时接收。

2）心跳的诊断：采用计数器在一段时间连续对心跳信号进行计数，计数值达到设定阈值则判定心跳正常，否则判定心跳异常。

3）基于双路发送心跳信号，报错机制设计如下：当心跳诊断结果为两路心跳均正常时，继续进行心跳诊断，不报告诊断结果；当有且仅有一路对机心跳异常时，向主控制模块报告诊断结果，并继续进行心跳诊断；当两路对机心跳均出现异常时，向主控制器报告对机死机故障。

3 应用前景

基于VxWorks的热备冗余自动测控系统设计综合了1553B、422等先进的总线数据传输方式，采用多项关键技术的冗余设计，实现系统长时间加电工作状态下的信息监测与故障预警。热备冗余的系统架构，可在加电过程中完成设备热插拔，及时更换故障设备，主机故障可自动切换至从机工作，保证了系统功能不失效。热备冗余的设计方案在提高产品可靠性及维修性方面具有突出优势。

目前，自动测控系统设计方案已在相关测控试验中得到了验证，本设计方案的成功应用为其他测控系统的优化设计奠定了坚实基础。同时，也为基于PC/104架构的双机热备冗余系统、采用龙芯2J芯片的主控制板、基于龙芯的MIPS架构的VxWorks实时操作系统等技术在其他测试系统中的推广应用提供很好的参考价值和借鉴意义。

[责任编辑：侯天宇]