双机冗余热备计算机系统切换装置技术问题分析

时间:2019-09-27

　　计算机是控制系统的核心部件，担负着控制、数据处理、通信等重要工作。高可靠性是对控制计算机最重要的要求之一；冗余技术就是在系统中设计二套或二套以上的完成同一给定任务的设备的技术, 当系统发生故障时,冗余配置的部件介入并承担工作,由此减少系统的故障时间、提高系统的可靠性，将系统的故障率降低几个数量级。因此，对于有高可靠性和稳定性要求的控制计算机采用冗余设计是非常必要的，其实现对于整个系统的可靠性的提高有着重要作用。

　　在航天、航空以及重要的地面控制系统中，计算机的冗余设计已必不可缺。冗余设计可采取的方式多种多样，按照冗余的程度可分为1:1冗余、1:2冗余等多种；按照工作方式分为热备份冗余和冷备份冗余。其中，双机冗余冷备份或热备份为采用1:1系统级冷备份或热备份冗余方式，其具有设计相对简单、可靠性高等特点，在地面控制系统中有着广泛应用。

　　在双机冗余计算机系统的实现中，关键功能之一即是信号切换，而冗余切换装置承担着两套互为冷备或热备份的计算机I/O接口的正确、可靠的选择与切换，是影响整个系统可靠性的重要环节。

　　1、系统组成及原理

　　本文介绍的双机冗余热备计算机系统包括两台计算机和一台冗余切换装置，分别标记为A机、B机和C切换装置，系统对外输出接口包括百兆以太网络、DVI显示信号等，A机、B机由外部220V交流供电，C切换装置由A机或B机的+12V供电、且C切换装置面板上设计有切换开关。在物理实现上，三者应尽可能地集成在一个箱体内，以减少信号的转接和传输距离，提高信号完整性、提高切换的可靠性。

　　本双机冗余热备系统组成框图如图1所示。

图1 双机冗余热备系统组成框图 

　　图1 双机冗余热备系统组成框图（参见下页）C切换装置工作原理：当A机、B机同时加电，C切换装置默认选通在A机(即切换开关拨至A机)、并由A机供电，其内部的信号选择电路将A机的百兆网络和DVI显示信号对外输出，当A机发生异常时，通过C切换装置的面板切换开关拨至B机，相应地改由B机供电、并将B机的百兆网络和DVI显示信号对外输出。C切换装置内部信号选择与切换电路示意图如图2所示。

图2 C切换装置信号切换电路示意图 

　　如图2所示，C切换装置的切换开关选通在A机或B机，“电磁继电器1”输出即对应选择A机+12V或B机+12V，再通过DC/DC转换为+3.3V、为百兆网络切换电路与DVI切换电路供电；同时，在切换开关选通在A机或B机时，控制线相应为0V或12V电平、如此“电磁继电器2”输出会对应选择0V或3.3V电平，为百兆网络切换电路与DVI切换电路提供SEL片选信号。

　　2、切换装置典型问题

　　上述双机冗余切换装置和其它同类切换装置一样，存在两大类典型问题：一是冗余切换装置无法正常切换或切换功能不稳定；二是信号完整性差甚至信号发生中断。导致切换可靠性差和信号完整性弱的主要原因有：总体架构设计不合理，切换芯片选型不合理或使用不当、切换电路设计缺陷，系统存在干扰或抗干扰能力弱等。

　　本文将在后续章节中结合本双机冗余热备系统实测和应用的经验，取两类典型问题的若干技术点作分析、浅析问题产生的原因及所采取的解决措施，阐明工程实现中设计注意点。

　　3、问题分析及措施

　　3.1、合理设计总体架构

　　在系统设计时，应尽可能地将A机(主机)、B机(备机)、C切换装置三者集成在一个箱体内，信号走线尽量印制化，并减少信号的转接和传输距离，以提高信号完整性、提高切换的可靠性。对于各类被切换的信号、尤其是高速信号，在其不可避免的转接中，要从其接口连接器的选型、线缆的选型、PCB走线规范等多方面着手，保持信号的阻抗匹配。

　　对于A机(主机)、B机(备机)、C切换装置的电源输入输出接口必须设置电源滤波器，对于各I/O信号接口尽量设计信号滤波器，另需对三者互连线缆作屏蔽防护，以提高抗干扰能力、增强系统电磁兼容性。

　　3.2、合理使用机械开关、减少干扰

　　首先需确保A机、B机输出的百兆网络、DVI显示信号的稳定性，除正确的电路设计外，另要注意防干扰设计。本系统中A机、B机均为交流220V供电并采用机械扭子开关直接控制220V线路通断，在开机时实测DVI显示信号偶发闪屏现象；进一步测量开关闭合时，地平面上可观察到如图3所示的干扰，分析该波形频谱分量丰富，含300KHZ～1MHZ的低频分量和13MHZ高频振荡，正是该波形干扰了DVI显示信号的输出、导致显示闪屏。分析其原因为：当机械开关控制强电，闭合时由于电源线上的金属触点互相靠近会出现弧光放电的现象，导致电压和电流跳变，其中频率较低幅值较高的波形由电压的跳变引起、频率较高幅值较低的波形由电流跳变引起，此波形会影响其它信号的正常输出。

　　为消除干扰，采取的办法可在电源线上使用LC电路、使用电感和电容组合消减波形，但存在电感体积较大、实际中无法安装的困难。另可采取的方法是使用机械开关控制A机、B机电源的使能端，以此控制上电；取消直接将机械开关串在电源线中控制220V线路通断的方式。由于A机、B机电源的使能端为+5V电平、小电流弱电信号，能有效避免开关闭合时干扰问题，增强了系统的电磁兼容性。此外，C切换装置的切换开关也是采用了扭子开关控制+12V通断，但因其电流小、能量不大，实测12V振荡幅度小。

图3 干扰波形图 (参见下页) 

　　3.3、合理使用电磁继电器、优化切换电路

　　如图2所示，C切换装置的切换开关选通在A机或B机，“电磁继电器1”输出即对应选择A机的+12V(+12VA)或B机的+12V(+12VB)。但在实际测试过程中发现，继电器内部的切换动作会存在火花放电现象、引起12V振荡；对于12V转3.3V的DC/DC电路同样存在12V振荡现象，在C切换装置的切换开关切换过程中，12VA断开、而12VB需近1s才连接，DC/DC在0V建立至12V瞬间需要大电流，此会拉低12V电压、引起振荡；倘若DC/DC电路的前端设计了大电容，则电流首先给电容充电，会进一步引起12V电压被拉低。

　　为消除12V振荡，可以在12VA和12VB端设计大电容（储能使用），使得12VA或12VB切断后、电容放电继续提供电流，使得从0V至12V有稳定的建立过程。另一种方法是直接取消“电磁继电1”，将12VA和12VB分别串二极管后并联，确保无论12VA或12VB切断后、12V供电无瞬断过程，按此改进的C切换装置内部信号选择电路示意图如图4所示。

图4 C切换装置信号切换电路（改进后）示意图 

　　3.4、合理处理片选信号(SEL)、优化切换电路

　　片选信号（SEL）是控制各信号切换芯片通道选择的使能信号，片选信号的不同电平对应选择不同的链路通道以实现信号切换。片选信号设计是否合理、处理是否完善是关系切换电路切换可靠性的重要环节。以下取本冗余切换装置中的SEL信号电路为例，结合工程测试中实际遇到的问题、对改进前后的电路作对比分析，阐明设计注意点。

图5 SEL片选信号连接图 

　　方案A、如图5所示，此是SEL信号原处理电路，结合图2说明其工作原理为：控制线有12V或信号地两种状态，其控制“电磁继电器2”的线包端；当控制线为12V时，继电器输出为3.3V、即SEL为3.3V电平，当控制线为GND时，继电器输出为0V、即SEL为0V低电平，以此通过SEL不同的电平状态控制网络切换芯片选择不同的信号通道（A通道或B通道）。

　　图5电路设计是符合逻辑的，但在实测中发现存在切换不稳定现象，即百兆网络信号偶尔会无法从A机切换至B机；究其原因主要有以下两点：

　　1、该继电器选型的是2JT5-2超小型通用电磁继电器，其被控端触点保持吸合需要至少10uA～15uA的微小电流，查MAX4761切换芯片的SEL管脚为高阻态，故方案A中无论继电器被控端触点连接3.3V或GND、均无回路提供电流，使触点完全无法吸合，最终导致SEL端状态不定、影响了切换可靠性。

　　2、在继电器被控端触点与3.3V端吸合瞬间，如3.2、3.3节所述，此会引起3.3V小幅振荡、使得SEL电压不稳(设计的RC电路并无法完全滤除抖动)，同时振荡中SEL信号电压会超出3.3V也违背MAX4761切换芯片关于信号电压应小于供电电压的要求(本设计中MAX4761切换芯片由3.3V供电)，容易损坏芯片、导致功能失效。针对上述问题，可设计如下图6～图8三个优化方案，并作简要分析：

图6 SEL片选信号连接图（改进后） 

　　对于方案B，当继电器被控端触点连接到GND时，均有回路形成电流、可确保触点完全吸合，即SEL被拉至0V低电平；而当触点离开GND瞬间（无需与3.3端吸合），SEL即可被拉至3.3V高电平。由此，解决了继电器被控端触点吸合问题、确保SEL端状态稳定，也避免了3.3V电压振荡、确保芯片状态稳定。注意：构成回路是为继电器被控端触点提供电流、确保吸合。

图7 SEL片选信号连接图（改进后） 

　　对于方案C，当继电器被控端触点连接到3.3V时，可形成回路、提供电流保持继电器吸合，设计的二极管可以防止SEL电压超过3.3V、避免损伤芯片；当触点离开3.3V瞬间(无需与GND端吸合)，由于设计下拉电阻、SEL即可被拉至低电平。此方案也有效解决了继电器被控端触点吸合问题和3.3V电压振荡问题，确保SEL端状态稳定、芯片功能稳定。

　　将切换电路设计改进后，对A机、B机、C切换装置在实装环境下进行大样本量的测试、试验等验证，均可有效地完成百兆网络、DVI信号的正常切换，可靠性得到很大提升、符合实际应用要求。

　　4、结束语

　　冗余切换装置承担着两套互为备份的计算机I/O接口信号的正确、可靠的选择与切换，是影响整个系统可靠性的重要环节。但工程实现中常遇到切换可靠性差、信号完整性弱等问题；本文结合应用经验，针对实际遇到的总体架构不合理、存在干扰、切换电路设计不合理等典型技术问题展开了分析，并分别浅析了机理和改进方式；所列举的措施均在实际应用中得到验证，取得了良好的使用效果、达到预期目的，具有一定的参考价值。

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