基于DSP的时间触发总线设计与实现

网络通信系统是现代航空电子系统以及其他分布式实时容错系统的中枢,基于时间触发架构的网络通信系统是一个重要的发展方向。首先对于TTP/C协议的基本架构以及上电群启动过程,全局时钟同步,容错策略等关键技术进行介绍,然后提出一种基于TTP的时间触发总线协议,并基于DSP实现协议控制器进行时间触发通讯。结果表明时间触发总线具有良好的时间确定性,容错特性以及较高的总线利用率,适用于航空,铁路,汽车等安全关键系统的底层网络通信。     

基于动态事件触发的混沌系统故障容错同步问题

针对混沌系统故障容错同步问题进行研究,设计基于动态事件触发的同步控制器以实现混沌系统的故障容错同步.首先,针对系统中存在的故障环节构造故障容错的系统模型,在此基础上采用输入-状态稳定性(ISS)的方法,将控制器求解问题转化为求解所对应故障容错系统的稳定性问题;然后,通过构造Lyapunov函数给出混沌系统故障容错同步的充分条件,通过引入动态变量,使得所设计的触发条件可以根据系统的运行状态进行动态调整,在实现系统故障容错同步的同时,最大程度地降低网络的占用率;最后,通过数值仿真验证所提出方法的有效性.     

基于VxWorks和FPGA的授时系统设计与实现

时间同步是海洋石油地震勘探中各系统协同工作的前提,同步精度直接影响着地震数据的精度。设计了一套基于嵌入式实时操作系统VxWorks和FPGA的授时系统,精度优于50us。该系统采用工控VME机箱作为各模块载体,基于GPS时间源和FPGA三级计时器进行精准时钟守护;软件基于VxWorks设计,详细介绍了基于SNTP协议的网络时间服务编程方法;同时基于GPIO设计了一套通讯协议实现软件模块和FPGA模块的通讯。该系统在中国海洋石油物探船上实际应用结果表明：授时精度满足海洋石油勘探的时间同步精度要求,长时间且稳定的提供时间服务满足可靠性要求。在不失实时性和精度的前提下,该系统采用了模块块化设计,良好的扩展能力,使之易于扩展出具有时间标定或时间服务的应用系统。     

基于DSP与FPGA的双余度飞机交流一次配电控制器设计

为提高飞机配电系统的可靠性,设计了一种双余度飞机交流一次配电控制器。对以DSP为核心的处理器模块进行冗余设计,每个处理器设置相应的故障检测机制,由FPGA构成的仲裁切换模块根据故障检测结果进行余度切换与管理;采用外触发中断方式控制双机运行周期,实现双机同步。从而实现了双处理器容错控制,有效地提高了控制器的可靠性。     

网络时间同步协议综述

时间同步技术广泛应用于工业自动化、精密测量与控制、军队指挥信息化系统等领域。IEEE 1588精密时间协议提供亚微秒级的网络时间同步，能够满足工业领域的高精度测量和控制需求。White Rabbit时间同步技术（WR）是基于同步以太网、IEEE 1588v2协议和全数字双混频鉴相器技术（DDMTD）的一种分布式时间同步方案，能够提供亚纳秒级的同步精度。SAE AS6802协议是一种高精度、可容错、具有开发潜力的时钟同步协议，可为时间触发以太网（Time-Triggered Ethernet，TTE）提供所需精度的全局同步时钟。回顾了这三种时间同步技术的研究发展状况，并分析了其优缺点，展望了未来网络时间同步技术可能面临的挑战和发展趋势。     

TTP/C协议的关键特性研究

数据总线是构建分布式实时容错系统的关键技术之一,而基于TTA架构定义的TTP/C协议是面向安全关键领域的最新总线规范;首先介绍了TTP/C协议的基本架构和运行机制,然后深入研究了基于Welch-Lynch算法的分布式容错同步时钟、基于GMP的容错一致性策略和上电启动过程等TTP/C协议的关键特性;研究结果表明TTP/C协议具有严格的时间确定性和完备的容错策略,十分适合作为航空、汽车、铁路等安全关键领域的通用底层解决方案。     

基于动态自适应冗余的现场可编程门阵列容错方法

现场可编程门阵列(field programmable gate array, FPGA)极易遭受由空间高能粒子辐射引发的故障,进而影响片上任务的正常执行.目前常采用三模冗余(triple modular redundance, TMR)进行容错设计,尽管可以取得较好的容错效果但存在资源开销大的问题.尤其当辐射水平较低时,对全部任务采用三模冗余方式执行能使上述资源开销大的问题更加严重.针对此,提出了一种基于动态自适应冗余的容错方法(fault tolerance based on dynamic self-adaptive redundancy, FTDSR).首先,利用片上块存储(block RAM, BRAM)对空间粒子辐射的高敏感性,设计改进了基于BRAM的辐射水平监测器,周期性监测空间环境的辐射水平;其次,以每个任务执行周期的松弛度时间和当前辐射水平为标准评估任务的可靠性等级,进而在不同辐射水平下以单个任务为粒度动态自适应地匹配冗余策略,保证片上任务成功执行,同时避免高资源开销.仿真实验表明,采用FTDSR的FPGA在不同辐射水平下具备高可靠性,与目前主流的FPGA冗余容错方法...     

时间触发以太网时钟同步的容错方法分析

为揭示高完整性和标准完整性配置下时钟同步容错方法的有效性,对时间触发以太网(time-triggered Ethernet,TTE)网络标准中时钟同步服务描述进行协议分析,还原时钟同步算法的理论模型。通过分析容错机制对应的失效模式,对TTE网络时钟同步算法在单同步域下对抗失效的有效性进行仿真验证,仿真结果表明了高完整性配置下的TTE网络时钟具备对抗单点随意失效的能力。     

基于Lustre文件系统的MPI检查点系统实现技术与性能测试

基于协同式检查点的回卷恢复是在大规模并行计算机系统中得到采用的一项重要容错技术,其性能开销主要为协同协议和检查点映像存储所决定.描述了一个在MPICH2中实现的应用透明的并行检查点系统,相比已有的技术,该系统有以下特点：1）协同协议操作利用了并行应用的近邻通信特性,通过虚连接方法减少协议的处理开销;2）采用Lustre文件系统简化检查点映像文件管理的复杂性;3）通过并行I/O操作提高性能,优化检查点映像的存储过程.实际应用的测试表明,该检查点系统具有较小的运行时间开销和良好的可扩展性.     

一种采用时隙对准方式的TDMA自组网同步协议

通过对TDMA方式下的同步协议STS和TISS进行研究,提出一种基于时隙对准方式的TDMA自组网同步协议MFSS。该协议以工作周期为自组网节点之间同步的标准,在节点初入网时采用双向交互和时隙对准方法,消除了传输时延误差和初始时间偏差,从而实现了快速初始同步;随后通过监测过程保证了节点之间产生的时钟漂移误差可自适应控制,同时减小了重新同步带来的开销。仿真结果证明,相比于STS协议和TISS协议,MFSS协议在同步收敛速度、同步精度以及同步开销上都取得了更好的性能。     

Dependability assessment of by-wire control systems using fault injection

This paper is focused on the validation by means of physical fault injection at pin-level of a time-triggered communication controller: the TTP/C versions C1 and C2. The controller is a commercial off-the-shelf product used in the design of by-wire systems. Drive-by-wire and fly-by-wire active safety controls aim to prevent accidents. They are considered to be of critical importance because a serious situation may directly affect user safety. Therefore, dependability assessment is vital in their design.This work was funded by the European project ‘Fault Injection for TTA’ and it is divided into two parts. In the first part, there is a verification of the dependability specifications of the TTP communication protocol, based on TTA, in the presence of faults directly induced in communication lines. The second part contains a validation and improvement proposal for the architecture in case of data errors. Such errors are due to faults that occurred during writing (or reading) actions on memory or during data storage.     

On design and formal verification of SNSP: a novel real-time communication protocol for safety-critical applications

The correct operation of time-triggered protocols highly depends on the well-synchronized clocks of the system. To maintain the global time, one strict constraint must be exerted on communication activities (e.g. temporal padding and sparse time base etc.), which not only increases complexity of the protocol design but also incurs a penalty in the network utilization. While for event-triggered protocols, it is difficult to achieve the real-time requirement and determinism. Therefore, it is necessary to explore the combination of the advantages of these two categories of protocol for applications in different scenarios. This paper proposes the Safe Node Sequence Protocol (SNSP), which is a variant of full time-triggered protocol TTP/C. In SNSP, a strict node sequence is defined and the order of communication events is established by this pre-configured order without binding to global time, so the protocol changes communication activities and error detection to an event-triggered model. Therefore, SNSP possesses the characteristics of both time-triggered and event-triggered model. Also, the potential impact of global time, such as byzantine clock failure, on the protocol is eliminated. At the same time, the formal verification of SNSP is much easier in the absence of global time. Moreover, we model the protocol and use formal checker SPIN to validate the basic fault-tolerant requirement of SNSP. The simulation results show the protocol enables better resource utilization and is more effective.     

一种ARINC825总线通信接口可靠性设计方法研究

随着航空电子技术的进步,民航客机电子系统逐渐向着数字化、复杂化的方向发展,对设备间通信的可靠性有着更高要求。在分析ARINC825总线协议标准后,提出使用STM32F207单片机和商用CAN控制器,设计了一套低成本双链路冗余的ARINC825通信接口,使用“时间触发总线调度”技术对通信接口可靠性进行分析。实验表明,设计的ARINC825协议通信接口方案具有较高的可靠性,能够满足飞机驾驶舱控制通信要求。     

TTP/C协议的一致性机制研究

介绍了一种基于时间触发的面向容错分布式嵌入系统的通用构架TTA，以及目前TTA系统的主流协议TTP／C所提供的主要一致性机制，并提出了一种改进的状态确认算法。     

面向安全关键系统的CAN总线应用研究综述*

控制器局域网适合小型安全关键系统的现场总线控制要求,能够以最大1Mbps速率发送和接收实时短消息。分析了CAN总线的结构、特点、协议仲裁机制、接口设计方法、实时特性和错误处理机制。为了支持任务关键网络,比较了事件触发协议与时间触发协议的特性,讨论了时间触发CAN协议的研究进展。     

Schedulability-Driven Communication Synthesis for Time Triggered Embedded Systems

We present an approach to static priority preemptive process scheduling for the synthesis of hard real-time distributed embedded systems where communication plays an important role. The communication model is based on a time-triggered protocol. We have developed an analysis for the communication delays with four different message scheduling policies over a time-triggered communication channel. Optimization strategies for the synthesis of communication are developed, and the four approaches to message scheduling are compared using extensive experiments.     

On time-triggered and event-based control of integrator systems over a shared communication system

When analyzing networked control systems, where the control loop is closed over a communication system, it is crucial to take the communication system into account. Hence, time-triggered and event-based control of an integrator system with noise over a shared communication system is analyzed. Thereby, analytical models of different communication systems are used and the analysis is focused on the effect of the communication system on the performance, as well as the interaction between control and communication. For time-triggered control, where the event times are known in advance, a deterministic communication protocol can be used. Hence, time-triggered control with the two most well-known deterministic communication protocols, time division multiple access (TDMA) and frequency division multiple access (FDMA), is analyzed. For event-based control, where the events appear at random times, a contention-based communication protocol should be used. Hence, event-based control is analyzed with different contention-based communication protocols: pure ALOHA, slotted ALOHA, a queueing system, and Erlang’s loss model. It turns out that time-triggered control with either TDMA or FDMA outperforms event-based control with pure or slotted ALOHA. However, event-based control with a properly designed queueing system gives an even better performance. Thus, we conclude that it is crucial to take the details of the communication system into account.     

无人车载以太网技术研究

随着人工智能的高速发展,其相关技术已经运用到生产生活的很多领域,在无人平台上,人工智能已经不可或缺。无人车网络系统由于智能感知的并入,使得传统的总线通信技术难以满足发展要求。车载以太网的出现能为大量数据高集成的通信系统提供一种有效解决方案。无人车载网络系统采用时间触发以太网的架构来进行设计。首先考虑整个时间触发网络系统的通信节点,针对通信链路设计相应的通信板卡。在板卡方面,主要设计了TTE交换机、端节点子系统控制器,为了增加整个系统的可靠性,采用了三余度通信结构。根据控制器和交换机相应的功能进行软件开发,并通过系统测试验证,满足各个系统通信任务需求,验证了此无人车网络系统可行性和准确性。     

Flexray在汽车传感器总线上的研究与应用

以时间触发为基础的Flexray总线具有可靠性和实时性等特点,所以Flexray在高速且可靠性要求较高处可有广泛的应用。汽车传感器数据正需要符合这些要求的总线规范进行传输。本文中阐述了Flexray协议的一些基础内容,对Flexray能否作为传感器总线进行了初步研究,通过两块飞思卡尔开发板EVB9S12XF512E作为节点,使用Flexray总线传输传感器数据。     

基于Ethernet技术的安全关键实时网络

随着实时计算技术日益广泛应用于航空航天、国防及交通运输等安全关键领域,多类型的同步实时、异步实时和非实时网络传输需求给现场网络提出了新的目标和挑战,其中安全关键实时网络的实现方式与调度分析是需要解决的关键问题.在分析、总结现有COTS网络技术不足之处的基础上,基于事件触发与时间触发,提出了一种基于Ethernet技术的高可靠实时通信协议E&TTE(event- and time-triggered Ethernet),使实时网络不但具有较高的灵活性,而且具有较好的可预测性.为证明E&TTE协议的合理性与可行性,建立了网络调度模型,进行了全局调度分析,并通过具体实例进行了例证.E&TTE协议的提出,满足了安全关键实时网络的多种传输需求,同时也可广泛应用于工业现场控制网络.