袁显明  邓琛

（中国特种飞行器研究所，湖北荆门448035）

摘要:系留气球作为浮空飞行器的重要组成部分，近年来发展迅速。本文主要介绍了系留气球地面综合管理双机冗余的一种设计思路，具有较高的可靠性。

关键词:双机冗余；地面综合管理；串口通信

1 引言

地面综合管理系统是系留气球的指挥控制中心，要求实现数据的实时显示、存储和球上设备的遥控，对系统的稳定可靠运行和面对故障的应急处置能力要求非常高。为降低运行风险，增加系统的可靠性，对地面综合管理系统的关键设备地面综合管理计算机进行冗余配置。本文主要针对系留气球地面综合管理系统双机冗余的设计思路和实现方式进行阐述。

2 双机冗余策略

常用的备份系统可分为冷备份和热备份。冷备份是指在系统出现故障无法正常工作后，系统断电切换设备再重新启动。热备份是指设置两套设备（主机和备份机），并均处于系统工作状态，在系统出现故障时，切换备份机接手数据的处理，保障系统的不间断运行。可行双机冗余策略如下：

1) 主机为工作机，备份机未启动。主机出现工作异常时，将地面综合管理系统下电，并将数据链路切换至备份机，系统重新上电，地面综合管理系统恢复工作。备份机“升级”为主机，原主机排除故障后“降级”为备份机。

2) 主机为工作机处于系统工作状态，备份机处于上电待机状态，当主机无法完成任务时，切换为备份机。待主机故障修复后，处理权限从备份机切换回主机。

3) 设置两台计算机均处于系统工作状态，并行处理系统数据，当一台计算机出现故障时不会影响到另一台的工作。

3 系统设计

3.1 设计思想

在上面三种冗余设计策略中，方法一为冷备份，适用于所有系统的异常状态，同时节约资源，但是在工作机异常后需下电切换，地面综合管理系统会在短时间无法对系留气球的状态进行监控，存在安全风险。方法二和方法三均为热备份，满足系统的实时监控需求，从安全上优先考虑。方法二中以主机为主，备份机起到辅助主机的作用，主机的优先级高于备份机，对主机的配置要求较高。方法三中，两台计算机均可实现对系统的实时监控，两台计算机并行处理，没有工作的优先级，极大的提高了系统的安全性和可靠性。综合考虑系留气球地面综合管理系统的工作特点，选择方法三进行设计。

3.2 系统设计

地面综合管理系统配备两台配置完全相同的工业级计算机（地面综合管理计算机1和地面综合管理计算机2）。球上测控数据通过光纤下传到地面光端机，地面光端机通过2路RS232串行接口分别与地面综合管理计算机1和地面综合管理计算机2进行通信，通信周期为500ms，将球上测控数据转发给地面计算机。系统原理如图1所示。

 

图1 系统原理图

1) 数据显示的同步

地面综合管理计算机搭载有地面综合管理软件，对球上数据源进行分析处理，将各测控数据显示在地面软件上。两台计算机上搭载的地面软件在数据显示模块上完全相同，从地面光端机获取的周期数据也相同。

2) 控制指令的同步

地面综合管理软件可根据任务要求，遥控球上设备的开启和关闭。两台计算机的控制优先级，通过地面光端机上的硬件开关实现。一般状态下，切换开关处于关闭状态，地面光端机向地面综合管理计算机1发送一个高电平的脉冲信号，地面综合管理计算机1采集到信号后，搭载的地面综合管理软件获得控制权限，向地面光端机和地面综合管理计算机2通过RS232串口以500ms为周期发送控制指令数据包。地面综合管理计算机2依据接收到控制指令数据包同步界面上控制按钮状态。当地面光端机上切换开关处于开启状态时，光端机向地面综合管理计算机2发送高电平脉冲信号，地面综合管理计算机2收到信号后，搭载的地面软件处理获得控制软件，地面综合管理计算机1没有采集到高电平脉冲信号则失去控制权限，停止向地面光端机和地面综合管理计算机2发送控制指令，实现控制权限的切换。地面综合管理计算机2根据当前软件上控制按钮的状态，向地面综合管理计算机1和地面光端机发送控制指令数据包。地面光端机将收到的控制指令转发给球上执行机构，实现球上设备的遥控。

3.3 软件设计

地面综合管理软件安装在地面综合管理计算机上，软件使用C语言进行编写，编译后生成可运行的桌面文件。该双机冗余系统是一个对称结构，地面综合管理软件主要包含以下模块：

1) 数据通信模块

2) 状态监测显示模块

3) 数据处理和报警模块

软件实现双机冗余的关键包含界面按钮的状态的同步和双机信息的同步。界面按钮同步数据包CommandPack和双机信息同步数据包SynDataPack构成双机通信数据帧，通过RS232串口以500ms为周期采用小端模式发送。数据帧以“0xEB”、“0x90”开头，“0x09”、“0XD7”结束共80字节，采用和检验及CRC检验方式进行加密。对接收到的数据帧需解析正确才能认为是有效数据。地面综合管理软件主界面如图2所示。

 

图2 地面综合管理软件主界面

4 结束语

针对系留气球地面综合管理系统高实时性和高可靠性的要求，采用了地面综合管理双机冗余的设计，实现了数据通信、状态监测显示、数据处理和报警模块的实时同步。经过长期试验的检测，该系统具有较高的可靠性。

参考文献

1 范逸之 C++Builder与RS-232串行通信控制，清华大学出版社，2002，06。

2 王建虹 一种高可靠性双机冗余系统的设计 国外电子测量技术，2008（4）。