[发明专利]基于时钟同步技术的星载三模冗余系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种三模冗余系统，尤其涉及基于时钟同步技术的星载三模冗余系统。

背景技术

皮卫星指的是重量范围在1～10Kg的微小卫星，相比普通卫星，皮卫星更广泛地采用MNT（Micro-Nano Technology，微纳技术）和MEMS（Micro Electronic Mechanical System，微型机电系统）等高新技术，功能密度高，研制周期短，成本低，体积小，重量轻。

航天器在空间飞行时始终处于带电粒子的辐射环境之中。在这种辐射环境中微处理器可能会因为单粒子扰动导致功能中断甚至丧失，从而导致灾难性后果。引起这种严重问题主要是辐射总剂量效应和单粒子效应，单粒子效应又分为SEU（Signal Event Upset，单粒子翻转）和SEL（Signal Event Latch-up，单粒子闭锁）2个方面。单粒子翻转效应能够导致数字电路的存储单元中的某一位因受到干扰而发生翻转，从而引起存储内容的变化，还可在组合逻辑电路的输出上引入一个短暂的脉冲，是目前导致微处理器运行失效的主要原因。皮卫星星载计算机系统中微处理器承担着卫星星务管理、指令收发、数据采集、运算及处理等重要工作，其性能的稳定与可靠直接影响整星的稳定性与可靠性指标，因此对星载计算机进行容错设计是非常有必要的。

三模冗余技术是一种对单粒子翻转有效的容错技术，能够极大地提高电路的可靠性。其基本思想是对于待加固模块生成2个相同的模块，再通过多数表决输出，这样即使有一个模块发生故障系统依然可以正常工作。三模冗余系统实现的基础是保证3个模块同步运行，因此同步技术是实现三模冗余系统的关键。同步技术又分为时钟同步和任务同步2种方式。

目前，国内外星载三模冗余系统多采用任务同步技术，相比时钟同步技术，其不足在于：（1）同步精确度相对较低。同步级别为函数级同步，而时钟同步可达到指令级同步；（2）通用性较差。任务同步仅能适应指定功能需求下的三模冗余系统；（3）对软件要求较高，占用软件大量资源。

发明内容

本发明提供了基于时钟同步技术的星载三模冗余系统，采用时钟同步技术，该系统提高了同步的精确度，通用性强，能有效地提高星载计算机系统的可靠性。

一种基于时钟同步技术的星载三模冗余系统，其特征在于，所述星载三模冗余系统包括三模同构微处理器模块、冗余判决模块、模式管理模块以及时钟同步模块；所述三模同构微处理器模块包括3个DSP，所述时钟同步模块包括一级同步判决单元、二级同步判决单元、时钟校准单元、同步加载启动单元；

所述时钟同步技术包括如下步骤：

步骤S1，所述同步加载启动单元同步启动所述3个DSP，所述3个DSP定时输出3个方波信号至所述一级同步判决单元；

步骤S2，所述一级同步判决单元对所述3个方波信号的上升沿计数，得到每个方波信号的一级计数值及对应的一级同步标志信号，将一级计数值输入所述二级同步判决单元，并在各个方波信号的上升沿将对应的一级同步标志信号输入所述二级同步判决单元；

步骤S3，在所述一级同步判决单元中，以其中一个一级计数值为基准，所述3个一级计数值均相同则同步，将所述3个DSP的输出数据发送至所述冗余判决模块，由所述冗余判决模块对所述输出数据的信号状态进行表决，输出表决后的正确结果，所述模式管理模块为所述冗余判决模块中所述输出数据的信号状态不同的情况进行计数，得到信号状态不同的计数值；若其他2个一级计数值至少一个与作为基准的一级计数值不同，则不同步，由所述二级同步判决单元判断非同步偏移量；

步骤S4，所述二级同步判决单元根据输入的一级同步标志信号计算所述非同步偏移量，将所述非同步偏移量输入所述时钟校准单元，所述时钟校准单元根据所述非同步偏移量校准所对应的不同步DSP；

步骤S5，所述二级同步判决单元根据输入的一级计数值对不同步次数进行计数，得到不同步次数计数值，将所述不同步次数计数值输入所述模式管理模块；

步骤S6，在所述模式管理模块设定阈值，所述不同步次数计数值超过所述阈值时，使对应的DSP进入故障模式，并处理故障；所述信号状态不同的计数值超过所述阈值，也使所述信号对应的DSP进入故障模式，并处理故障。

本发明星载三模冗余系统中的各个模块由FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）实现。

在所述步骤S3中，所述冗余判决模块采用3取2多数表决得到正确结果。冗余判决模块采用3取2多数表决方式能提高系统的可靠性。