天线伺服系统天线控制单元双机热备份

田景兵，周洪波

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

在当前的天线伺服系统设计中，对可靠性的要求十分严格。为提高系统的整体可靠性，除了优化设计、器件降额使用等措施外，对一些关键部件进行冗余设计是最常用，也是最有效的方法。由于系统的冷备份存在更换时间长，耽误任务时机等缺点。因此在实时控制系统中必须使用热备份。本文介绍伺服系统中的天线控制单元（ACU）双机热备份技术。

1 天线控制单元功能

天线控制单元由工业控制计算机及配套板卡组成，在天线控制单元计算机上运行专用的天线控制软件。天线控制软件采用Visual C＋＋6开发。

ACU实现的功能如下：

1）接收上位机控制命令及引导数据，并将伺服系统设备状态上报上位机监控；

2）采集伺服系统当前轴角；

3）实现位置闭环控制；

4）向PCC发送速度控制命令，并接收PCC采集的状态数据；

5）本地人机界面。

2 双机热备份设计目标

天线控制单元双机热备份的基本设计思想是采用两套完全相同的天线控制单元，两套ACU同时运行，但只有一套ACU真正参与控制，而另一套ACU同步运行，作为热备份，随时准备替代出现故障的另一套ACU。两套ACU完全等效的工作，无主机、备机的区别，只有“主控”、“备控”状态的不同。

对伺服系统内部设备而言，两套ACU的硬件接口及功能完全相同，只要其中一套工作正常，伺服系统就可实现完全的功能。对上位机而言可以不区分哪套ACU在“主控”，采用统一的接口。只要一套ACU工作正常，与上位机接口功能就可完全实现。

当两套ACU同时启动工作时，其中一套（首先启动）为“主控”状态，另一套为“备控”状态。两套ACU均正常工作时，可以随时人工切换设备的主控、备控状态。“备控”状态的ACU在转为“主控”状态的同时，原本“主控”状态的ACU自动切换为“备控”状态。在处于“主控”状态ACU发生故障时，原本处于“备控”状态的ACU可自动转为“主控”状态。

当其中一套ACU正常工作，另一套ACU故障恢复后应当进行状态及数据同步，以使恢复后的ACU可以随时转为“主控”状态。

3 硬件设计

首先需要完全相同的两套ACU，并且所有的对外接口都必须同时有效连接。还必须增加一个状态同步接口，改进后的伺服系统硬件组成见图1。

图1 系统组成原理图

ACU对外接口通过以太网实现，可以方便的实现多机设备互联。

ACU的下位机PCC使用贝加莱的CP570。当前PCC可靠性非常高，通常其MTBF在10万小时以上，工业界称之为无故障设备。所以PCC虽然是单点设备，但并不会影响系统的整体可靠性指标。CP570增加一块通信卡具备双串口可以分别与两套ACU互联。

轴角单元采集到天线轴位置码盘数据后，通过CAN总线发送给两套ACU（A机、B机）。

A机与B机之间的状态及数据同步通过串口实现。

4 软件设计

上节的硬件设计使得ACU双机热备份成为可能，而软件设计则是实现双机热备份的关键。主要的设计思想有如下几点：

1）对上位机接口：上位机以UDP组播方式向两套ACU发送控制命令及数引数据，并以FTP分别方式向两套ACU发送程序引导数据；两套ACU同时接收上位机发送的命令及数据，但只有处于“主控”状态的ACU向上位机上报状态。

2）内部接口：两套ACU同时从轴角单元接收轴角；同时从PCC接收伺服系统其他设备的状态上报。并同时向PCC发送控制指令。

3）PCC的仲裁功能：PCC是两套ACU的下位单点设备，并且它具有非常高的可靠性，所以利用PCC作为两套ACU“主控”、“备控”状态的仲裁者，通过PCC与ACU之间的串口连接对ACU的“主控”、“备控”状态进行控制。PCC同时向两套ACU发送状态数据，以便两套ACU独立的进行状态更新；PCC同时接收两套ACU的控制数据，但只使用处于“主控”状态的ACU的控制命令。

4）人工切换流程：当两套ACU同时正常工作时可以人工地对某一套ACU的“主控”、“备控”状态进行切换，同时另外一套ACU的控制状态也相应的发生改变，以保证同一时间只有一套ACU处于“主控”状态。人工的“主、备”切换通过向PCC发送状态改变请求来实现；PCC接收状态改变请求命令后，改变两套ACU的“主、备”状态，并同时上报给两套ACU，ACU在接收到PCC的状态上报后改变自己的“主、备”状态。

5）PCC自动切换流程：当PCC通过与ACU的串口通信判断当时处于“主控”的ACU故障时自动改变两套ACU的“主、备”状态，将原本处于“备控”状态的ACU切换为主控状态。

6）ACU自动切换流程：当处于“主控”状态的ACU检测到故障时主动向PCC发送“备控”请求命令，PCC在接到命令后完成两套ACU的“主、备”切换；当处于“备控”状态的ACU检测到“主控”ACU故障时自动向PCC发送“主控”请求命令，PCC在接到命令后完成两套ACU的“主、备”切换。

7）故障检测点的选择：故障检测点的选择非常重要，决定了双机热备份自动切换功能的实现效果。这里选择了上位机链路故障、PCC链路故障、轴角链路故障、状态同步链路故障作为故障自动检测点。当检测到以上故障时自动进行“主、备”控状态切换，并将故障点汇总到PCC，当两套ACU同时上报故障时，PCC不进行“主、备”切换，而是执行设备安全保护。

8）ACU之间数据同步：由于ACU实现伺服系统的位置环校正功能，当天线在运行中进行ACU“主、备”切换时，天线会发生速度突变，引起天线的振荡，为了避免天线振荡，需要对两套ACU的控制方式、位置校正计算中间值等数据进行同步，以保证“备控”机与主控机之间的状态一致性。该功能通过两套ACU之间的串口通信实现。处于“主控”状态的ACU向处于“备控”状态的ACU发送状态同步命令，而处于“备控”状态的ACU向处于“主控”状态的ACU上报自身工作状态。

9）程序引导文件同步：上位机通过FTP向两路ACU发送程序引导文件，处于“主控”状态的ACU应当定时检测处于“备控”状态的ACU是否接收到引导文件，如果没有，则通过FTP向“备控”ACU发送引导文件，以保证“备控”ACU在故障恢复后仍能与“主控”ACU保持状态的完全一致。

5 结论

可靠性一直是衡量天线伺服系统优劣的最重要标准之一。伺服系统天线控制单元的双机热备份显著的提高了伺服系统的可靠性及完成任务的能力。目前，该技术已成功地应用于某大型天线的伺服控制系统。该技术的工作原理、稳定性和可靠性已得到了充分的理论分析和试验验证。

［1］齐蓉，肖维荣.可编程计算机控制器技术［M］.北京：电子工业出版社.

［2］Kate Gregory，前导工作室译.Visual C＋＋6开发使用手册［M］.北京：机械工业出版社.