高可靠应用

高可靠应用（精选10篇）

高可靠应用 篇1

0引言

视频与宽带的结合是当今互联网领域的一大亮点，基于IP技术的交互式数字电视作为最为典型的宽带视频应用，其市场前景、增值潜力被全球电信以及广播电视运营商广泛看好。交互式数字电视业务的成功将加速电信网络、IP网络及广播电视网络的融合，因此交互式数字电视业务被既视为宽带领域的“杀手锏”，同时对于广电运营商而言也是突破传统业务模式的机会，在稳定现有业务的同时，可以拓展新的应用，希望盈利能由点转到面，典型的新增业务如视频点播(VOD)、游戏(GAME)、电视短信(TVSMS)、信息类应用、数字录像机(DVR)等。新业务将带来新的用户群体，因此交互式数字电视也被视为广电运营商的“二次创业”。

直播节目的稳定可靠运行是广电运营商的生命线，具有一定的政治任务色彩，必须保障，对直播系统的全面了解和掌握对广电运营商尤为重要。本文将对微软公司的Mediaroom平台直播子系统结合其在广州市广电网络中的应用进行剖析，希望能对IPTV直播系统有一些了解，使其更好地应用于广电、服务于广电。

1基于Mediaroom平台的直播前端及其在广电运营商中的部署

1.1广电运营商IPTV前端部署

IPTV系统功能一般主要由软件组成，微软Mediaroom平台即是一套完整的软件组件集合，这些软件组件运行在通用的PC服务器上，再通过运营商的IP网络分发媒体，以实现交互式数字电视服务。所以可以支持灵活的部署方式，面对小规模和大规模部署，交互式数字电视具有很好的伸缩性。系统部署小到可以完全安装在一台服务器上，系统部署也可大到支持成千上万台服务器，具体取决于用网络、分布、用户规模等因素。

广州珠江数码集团目前采用微软Mediaroom为广州市民提供交互式数字电视服务，目前已建设可服务于10万用户的互动前端系统，覆盖了广州市八个老城区以及番禺、增城两个子公司。根据功能需求及一期规模，采用的前端系统逻辑布局如图1所示。

整个系统分为编码网络、命令和控制网络、公共单播网络、公共组播网络和公共非视频网络。作为机顶盒，仅能访问公共单播网络和公共组播网络访问视频，增强系统安全性。整个系统构成如下(这里的服务器数量仅为2010年底已建设规划，具体数量根据实际发展，存在变化)：

1.编码器：29台，其中标清(同时支持4路全屏和画中画音视频输出)21台，高清(支持1路全屏和画中画音视频输出)8台，总共可提供标清节目84套、高清节目8套。

2.直播获取服务器：10台，其中9台提供服务，1台作为出现故障，自动切换。

3.直播分发服务器：6台，根据广州老城区、番禺、增城区别划分，各2台。

4.域控制器：6台，分别管理直播后端域、分支域、管理域。

5.运营管理服务器：16台。

6.VOD类服务器：42台。

7.分支服务器：32台。

8.交换器：2台核心交换机作为热备。

Mediaroom具有平滑的平台扩展和升级能力，以支持业务的规模应用。Mediaroom由多层应用构架而成，例如节目获取层、内容分发层、服务提供层、业务管理层等，每层应用执行特定的功能，且采用模块化设计。层与层之间的扩展性是独立的，通用模块可被多层应用调用。功能模块可选择，例如可以把直播和点播应用配置成单独的子系统，也可配置成整合系统。又例如节目获取能力、内容分发能力和流媒体服务能力可以根据业务的实际需要而单独扩展，以提高整合系统的利用率和投资有效性。目前广州珠江数码所搭建的整个系统一共包含服务器约110余台，具有Mediaroom所提供的直播 (含时移、回看) 、点播、数字视频录制、EPG、DRM、第三方应用集成、业务和运营体系等主要功能模块，当今后需要对系统进行功能扩充时，可以进一步对服务器角色进行划分和扩充，以支持更大用户规模的交互式数字电视系统。

系统网络逻辑布局如图2所示。

系统核心网络采用2台H3C S12518核心路由交换机，单台设备机可以提供576个万兆端口或864个千兆端口。当系统规模扩大时，可以在现有布局的基础上，添加相应的功能区域，即可满足新功能或原有功能扩容的需求。

1.2系统工作原理

直播电视服务是指类似有线电视所提供的传统电视服务，是由内容提供商与当地广电运营商传送的实时视频源输入，使用户能接收中央、各省市、本地区和允许的境外直播电视服务。交互式数字电视系统可以为用户提供高质量的电视广播业务，其直播电视子系统负责从各种输入源获取直播电视服务，处理服务内容并将直播电视服务播送到客户端。

基于IP技术的交互式数字电视一般通过组播的方式，实现直播电视的功能，借助IP网络来承载电视信号。IPTV直播类业务的特点是：频道固定、数据传输宽带要求较高、访问量大。由于收看直播节目的用户看到的相同的内容，因此，网络适合采用组播的方式向用户提供服务，从而减少直播对带宽资源的占用。使用组播的方式提高了网络传输的效率，极大地节省了网络带宽。

直播前端系统整体逻辑图见图3。

直播前端系统中最关键的两个服务器角色是：直播获取服务器(A-Server)和直播分发服务器(D-Server)，如图3所示。

其中A-Server的作用：首先A-Server获得来自编码器(或其他方式)媒体流，视频格式可以是MPEG-2/VC-1/H.264(不同厂商所支持的编码格式不完全相同)，随后A-Server对获取的直播流进行DRM保护、生成画中画(也可以直接来自编码器)，最终将视频数据通过组播的方式发送出去，STB接收经过DRM保护的视频流。在某些情况下，会对电视节目流进行解码，然后以更低的分辨率对视频重新编码以提供画中画服务(PIP)。获取服务器使用进程来提供对类似的全屏和PIP服务进行分组，进程是必须由单个服务器来执行的任务，如读取网络流、生成PIP以及发出这两个服务。IPTV可以有任意多个获取服务器，每个获取服务器进程都在一台单独的计算机上运行。

获取服务器和获取组控制器之间的通信遵循轮询模式。获取服务器会定期向获取组控制器进行轮询，以获得更新的电视节目服务信息。如果数据库中出现增减服务的情况，获取服务器会对其当前服务进行相应的更新。如果某个服务器

有一段时间没有轮询，将发出警报。

其中D-Server的作用：接收来自A-Server的组播视频流，为频道快速切换提供支持，其次，当网络出现丢包、抖动的情况，D-Server具有丢包重传的机制，确保直播服务的质量。

1.3频道快速切换机制以及直播节目丢包重传

直播节目以IP组播的形式传递给IPTV机顶盒，由于IP网络不可避免地存在丢包、抖动等情况，组播与真正的广播相比稳定性会差一些，直播分发服务器设计用来解决该类问题，如图4所示。

直播分发服务器接收直播获取服务器的组播数据并输出到客户端，它一般部署在网络边缘点，属于各个分支的组成部分，减少中间层网络设备的需求，为每一个直播节目缓存数据，实现可靠的UDP传输以及快速频道切换。

1.4直播电视管理工具

对于直播业务管理，系统本身提供了完备的Service Management Tool业务管理系统，另一方面提供了基于Web Service的OSS/BSS接口。利用这些接口，运营商可以将交互数字电视业务管理整合到现有BOSS系统中，并且可以灵活定制适合本地市场的运营策略。

直播电视子系统有独立的直播获取/直播分布模型，每个分支请求并分发直播获取子系统中可用的服务子集。系统提供了运营商可以通过基于WEB页面的电视服务管理工具集合控制直播电视节目的分发状态，能按托管形式来配置服务。

直播电视子系统与电子节目单子系统(EPG)协同合作将已部署的直播电视服务节目菜单实时显示在客户端的屏幕上，为用户提供包括传统的电视选台方法在内的灵活的选台服务。由于支持画中画 (PIP) 的功能, 用户可以在不影响当前频道的播放下，可以任意地对小屏幕内的节目调台，选择更吸引人的节目;运营商在发布新的直播频道时设置预览时间可以让用户选择预览，用户在直观的观赏情景下，促成其购买。同时直播系统支持用户控制频道收看的功能，通过频道加锁的功能，将一些不适宜儿童观看的节目/频道加锁，而不需时时在旁监控。

2打造广电级的IPTV直播高可靠性保障

2.1直播信号源的主备设计

IPTV直播获取服务器接收到直播节目信号前需要先对MPEG-2 TS流进行IP化，以及确认是否重编码。直播电视信号源采用主备两路信号，两路ASI信号通过冗余的ASI-IP网关转换为IP信号，由不同的交换机传输给编码器的不同输入口，保障信号源的主备信号供应。

图5为广州珠江数码根据82套标清、8套高清的需求搭建的信号获取示意图。

主ASI信号输入到IP网关1进行MPEG-2信号的IP化，然后将IP化之后的MPEG-2 OVERIP信息输送到编码器的A输入口，编码器A输出口将进行重新编码后的信号提供到直播获取服务器A输入口，同时，备ASI信号输入到IP网关2进行MPEG-2信号的IP化，然后将IP化之后的MPEG-2OVERIP信息输送到编码器的B输入口，编码器B输出口将进行重新编码后的信号提供到直播获取服务器B输入口，实现信号源的主备双路输入到直播服务器。

2.2 HFC基于CMTS的直播网络改进

广州交互式数字电视将采用CMTS的接入技术来进行承载，该技术遵循DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification)协议，是有线电视运营商广泛使用的一种IP接入技术，其用户端设备称为Cable Modem，通过HFC网络注册到其头端设备CMTS，进行IP数据包的传输。IP直播节目通过CMTS与CM之间的IP连接传递到机顶盒，但实际网络由于网络的状况等原因，会出现CM掉线的情况，掉线则收看不到包含直播在内的任何节目内容。为了增强IP直播节目的高可靠性要求，广州珠江数码采用DOCSIS3.0CM，并对其进行了技术改进。DOCSIS 3.0 CM具有两个Tuner, Tuner1用于与分前端CMTS注册及交互，接收VOD业务，Tuner2可根据CM软件进行调频操作，接收CMTS之外的组播组。

该项网络改进需使用两台CMTS，其中一台型号是CASA C3200，该CMTS位于总前端，负责全网的直播业务，另一台型号是CASA C10K，该CMTS位于各分前端机房，用于CM注册以及VOD点播业务，拓扑图见图6。

方案中，使用THOMSON TCM 470的Tuner1注册在CASA CMTS C10K上，CM通过TFTP服务器，下载Frequency_Table文件，该文件包含了组播的IP地址和下行频率。当CM接收到IPTV STB发出IGMP加入指令时，CM会自动寻找该请求的组播IP地址所对应的下行频率，并通过Tuner2锁定在这个下行频率上，同时将CM收到的组播流量桥接给IPTV STB。

通过以上该技术的应用，即使CM在双向网络出现故障也不影响直播业务的观看，将IPTV直播业务变为广播式播放，大大地保障了IPTV直播节目的不中断收视，增强了IPTV直播节目的高可靠性。

3结束语

本文通过描述基于微软Mediaroom平台的直播播出系统组成及其在广电运营商中的部署案例，针对有线的网络环境，给出了基于IPTV实现高可靠视频直播的改进方案，使HFC网络可以提供稳定可靠的IPTV直播。作者认为基于IP技术的交互式电视是三网融合的必由之路，IPTV可以提供一种全新的电视体验模式，它不仅可以应用于电信网络，其优异的用户体验及IP技术可以被广电网络运营商所吸收并应用，以提升广电网络运营的竞争力，在未来全业务运营中能占据一席之地。

摘要：本文通过基于IPTV架构的微软Mediaroom平台描述了IPTV直播播出系统组成、原理及其详细流程, 针对有线电视的网络环境, 给出了基于IPTV实现高可靠视频直播的改进方案, 使HFC网络可以提供稳定可靠的纯IP化电视直播。

关键词：交互式数字电视,直播前端,高可靠,有线电视网络

参考文献

[1]微软技术资料:Architecture of Microsoft Mediaroom.

[2]徐良基, 叶德建.流媒体直播 (时移) 系统的设计, 中国图象图形学报2006年11月.

[3]郑恭明, 陈金鹰等.基于IMS的IPTV架构及关键技术分析, 中国有线电视2008年6月.

[4]叶松, 于志强等.IPTV直播系统中DRM解决方案的研究与设计[J].现代电子技术2009年第3期.

[5]曾爱华, 刘捷等.IPTV系统架构及主要技术[J].通信技术, 2010年第3期.

高可靠应用 篇2

根据《国家发展改革委关于停止收取供配电贴费有关问题的补充通知》(发改价格

【2003】2279号)、《山东省物价局转发“国家发展改革委关于停止收取供配电贴费有关问

题的补充通知”的通知》(鲁价格发【2004】25号)文件规定，现将有关高可靠性供电费用

收取问题通知如下:

一、为了合理配置电力资源、提高用户供电可靠性，对申请新装及增加用电容量 的两路及以上多回路供电(含备用电源、保安电源)用电户，在国家没有统 一出台高可靠性电价政策前，除供电容量最大的供电回路外，对其余供电回 路可适当收取高可靠性供电费用。收取容量为其余供电回路容量的总和。

二、临时用电的电力用户应与供电企业以合同方式约定临时用电期限并预交相应

容量的临时接电费用。临时用电期限一般不超过3年。在合同约定期限内结 束临时用电的，预交的临时接电费用全部退还用户;确需超过合同约定期限 的，由双方另行约定。停止收取供(配)电贴费前申请临时用电的电力用户 已预交贴费的退还问题，仍按计投资【1993】116号文件第104款规定执行。

三、架空线路高可靠性供电费用和临时接电费用收取标准如下，地下电缆按架空

线路费用的1.5倍计收。

收费标准(元?千伏安)用户受电电压等级(千伏)外建用户 自建本级电压外部供电工程

高可靠高性能 篇3

华为赛门铁克（以下简称华赛）是国内专业的存储和安全厂商之一，旗下包括SAN,NAS,VIS，HDP，VTL及云存储等全系列存储产品线。在今年年初，华赛对其SAN系列产品进行了升级，其中包括了新一代的智能存储Oceanspace S5600T（以下简称S5600T）。S5600T属于华赛的T系列，其包括了S5500T、S5600T、S5800T和S6800T这四款型号。华赛T系列存储产品集成了一系列业界的先进技术，包括提升性能密度的TurboModule和提升性能和降低功耗的TurboBoost技术。

华赛S5600T在T系列当中属于为中端市场设计的型号，但是其功能和特性也能满足大型应用的需求。S5600T支持8Gb FC以及1/10Gb iSCSI前端，支持4Gb FC或24Gb SAS宽端口（4个6Gb/s端口捆绑）后端。S5600T最多支持576块盘，包括SAS、SATA和FC类型的磁盘，可以达到较大的容量和不错的性能。S5600T还提供了对SSD的支持。

华赛SmartCache技术

华赛的TurboBoost技术包括了一系列用来提升性能的技术。其中，华赛SmartCache技术通过建立由一块或多块SSD组成的资源池，根据统计算法将频繁访问的热点数据从磁盘中动态缓存到SmartCache中来达到提升热点数据存取性能的目的，这整个过程是全自动的。访问保存在磁盘上的热点数据不仅缓慢、需要耗费大量的电能，并且对硬盘的机械部件也是一个磨损，将热点数据缓存至SmartCache之后，不仅提升了性能，降低了能耗，同时也降低了磁盘组的损耗。

高可靠性

S5600T采用了多种措施来保障系统的可靠性，其采用的双Active-Active主控就具备高性能和高可靠的特点，而华赛T系列的TurboModule设计，让系统的所有I/O模块都支持在线热插拔而无需中断业务。对于SSD可靠性有疑虑的用户，华赛提供了写通的Cache运作方式，数据可以立即写入磁盘，避免系统宕机造成数据丢失。华赛还采用了磁盘预复制（预先检测失效磁盘并迁移数据）、HyperImage（提供最多2048个快照）、HyperCopy（支持异构LUN复制）和HyperMirror（同步和异步远程复制）等技术，还有一个值得一提的是S5600T的坏扇区修复技术，可以自动检测和修复磁盘坏区，从而降低故障率，延长硬盘的可使用周期。S5600T给出的可靠性指标非常高。

测试系统建立

华赛Oceanspace S5600T的最大配置是576块磁盘，建立这样一个庞大的系统有些困难，我们最后建立了一个比较小规模的系统，包含了24块SAS硬盘以及24块SATA硬盘。

5600T搭载了两个一样的Active-Active控制器，每个控制器支持双路Nehalem-EP/Westmere-EP至强。测试系统为每个控制器配置了一个主频为2.4GHz的四核心至强E5504处理器，内存为24GB。S5600T的控制器由华赛自制的Linux系统控制，基于Linux Kernel 2.6.32，64位SMP模式。这两个控制器共处一个控制器机框，由4个冗余电源单元供电。控制器在背板提供了10个TurboModule设计的IO模块位置，用户可以自由搭配。最后，每组还有一个管理模块，并通过以太网连接到远程控制台。

S5600T控制器（上）、S5600T存储框（下）

测试所用存储系统由三个存储机框组成：两个磁盘框和一个SmartCache SSD框，这些机框在架构上都是一样的，只是搭载的存储媒介不同。每个机框可以搭载24个磁盘，由4个冗余电源单元供电。测试系统搭载了24个SAS硬盘和24个SATA硬盘，分别为希捷的450GB Cheetah 15K.7（15000RPM）和1TB的Cheetah NS.2（7200RPM），各自占据了一个框，最后一个框则安装了4块华赛自家的SSD，每块容量为100GB，接口为SATA 3Gb/s。每个机框提供了两个SAS 6Gb端口和一个以太网管理端口。

根据测试项目的不同，测试的压力由二到六台不等的DELL PowerEdge R710服务器产生，它们通过8Gb FC连接到一台博科的32口FC交换机再连接到S5600T的两台控制器上，服务器还通过以太网连接到远程控制台接受管理，它们使用的操作系统是Windows Server 2003 R2 SP2，使用的光纤卡是QLE 2562（8Gb FC HBA）。

测试过程

我们先测试了其最大性能指标，使用运行Iometer 2006.06.27的六台R710服务器给控制器施加小容量、被100%缓存在控制器内存中的数据压力，最终得到的指标是1059057的IOps和8626的MBps。

接着测试的是Oracle Orion，这个软件模拟了Oracle数据库的磁盘负载，用来测试目标存储系统的在线事务处理性能。我们在S5600T上使用24块SAS硬盘创建了4个每个包含6个硬盘的RAID 5组，每个RAID组下组建一个100GB的逻辑磁盘LUN，并平均分配到两个控制器上，测试中我们关闭了S5600T SmartCache特性。测试搭载的LUN从1依次递增到4个，最后得出两个曲线：OLTP（IOps）和OLAP（MBps），如图所示。

测试结果表明，在使用所有24个磁盘的情况下，OLTP指标是7644 IOps，OLAP指标是3059 MBps。两条没有什么波折的直线表明系统的伸缩性不错，可以随着磁盘的增多而接近线性地提升性能。

接着是SmartCache特性测试，我们分别测试了SmartCache建立后和去除后的磁盘性能。我们在S5600T上使用12个SATA盘建立了2个LUN，并挂接到一台R710负载发生器上，使用标准的Iometer WebServer网站服务器配置文件进行性能测试。WebServer测试是一个包含了大小不等的数据块大小、100%随机读的测试。最终得到了两个曲线，如图所示。

在SmartCache缓存率99%的情况下，系统得到了32116的峰值WebServer IOps性能，这是一个很不错的成绩。而在去除SmartCache之后，系统表现的峰值性能是1556，SmartCache的峰值加速比达到了20.6，也就是使用SmartCache之后，在WebServer这样的100%随机应用可以提升到原来性能的约21倍。

总结

高可靠应用 篇4

1 消息的即时传输

良好的用户体验对即时通信系统的消息传输具有较高的要求,尤其是消息的即时性。但在某些情况下,服务器并不能即时地将信息推送给接收者,存在着两种主要情况[3]。

(1)客户端与服务器之间的通信长链接不稳定。服务器资源限制和网络问题的影响是客观存在的,从理论的角度没有办法避免。但可以从其他方面解决通信链接的稳定性对消息即时传输产生的影响。提出的高性能长链接、通信链接的检测和通信链接的恢复方法,有效地利用了服务器的资源,并保证链接断开后能够快速的恢复,从而保证消息的即时传输。

(2)同一时间服务器需要推送的消息量较多。服务器转发消息也需要消耗时间,当同一时间进行即时通信的用户较多时,服务器来不及转发新接收的消息,导致了消息的阻塞,从而影响了消息的即时性。因此采用消息的并发推送方法解决消息阻塞的问题[4]。

1.1 高性能通信长链接

用户量的不断增加,服务器需要存储的通信链接越来越多,但一些通信链接在某些时候并不会被使用。通过分析得出客户端与服务器之间建立的通信长链接并不会随时都被利用,某些时间会处于空闲状态,为此提出了高性能通信长链接,尽量地减少客户端空闲状态下的链接时间,提高服务器的资源利用率,保证用户量剧增时通信链接不会因为服务器的资源限制而断开,从而保证消息的即时传输[5]。为了建立高性能通信链接,使用时间片轮转的算法。把用户开始登陆客户端的时间或者用户发送消息的时间记为开始时间,从开始时间起,把时间分为等长的时间片段N,假设得到的时间片段如图1所示。其中黑色区间表示在这个时间片段内用户有消息需要接收。白色的区域表示用户处于空闲状态没有消息需要接收。时间片轮转算法的目的是保证用户使用即时通信需要接收消息时,客户端与服务器存在通信链接[6]。而用户没有使用即时通信时,客户端与服务器之间不存在通信链接,从而释放了服务器的资源。时间片轮转算法的规则如下:

(1)当客户端需要接收消息时,当前时间片为忙碌状态。相反如果没有消息需要接收,则当前时间片处于空闲状态。当用户登录软件后,默认第一个时间片为忙碌状态,并且客户端向服务器发送建立通信链接的请求。

(2)如果当前时间片客户端处于忙碌状态,那么接下来的m个时间片客户端都将主动向服务器端发送建立链接的请求。

(3)如果当前时间片的前m个时间片处于空闲状态,那么当前时间片的链接状态与前一个时间片的链接状态相反。例如前一个时间片客户端与服务器有通信链接,那么当前时间片客户端将向服务器发送断开链接的请求。

(4)如果当前时间片的前m个时间片中的任何一个时间片客户端处于忙碌状态,那么当前时间片客户端将向服务器发送建立链接的请求。

1.2 通信链接的检测和恢复

为了保证消息的即时传输,提高服务器长链接的效率,保证服务器与客户端链接稳定,避免意外中断情况的出现,采用有效的长链接检测方法和消息恢复方法[7]。理论上称客户端发送询问信息的过程为心跳过程,心跳时间指客户端向服务器发送询问信息的间隔时间。为了避免客户端频繁地发送心跳信息,消耗能量,或者避免心跳时间过长,导致消息传输的延迟。本文提出了心跳时间衰减函数如下:

式中:Ti表示第i时刻的心跳时间;Ti-1表示第i-1时刻的心跳时间;n1和n2表示时间衰减系数都是常量;T0表示最短的心跳时间间隔,同样也是一个常量;Tmax表示最长的心跳时间间隔,也是一个常量;new表示客户端发送了新的消息或者是服务器向客户端推送了新的消息。心跳机制和时间片轮转结合后,客户端只有处于忙碌状态时才会发送心跳信息。这样既保证了通信链接的稳定,又节约了服务器的资源。

1.3 客户端通信恢复机制

当客户端启动后,在客户端的后台会启动两个线程,在Android中使用Service服务,Service相当于Activity,只是没有界面而是运行在后台的服务。其中一个线程按照定时器的设定不停地向服务器发送心跳信息,确认客户端与服务器的通信链接是否正常[8]。另外一个线程用于监听服务器,接收服务器推送的消息。通过心跳机制,当客户端检测到与服务器的通信长链接断开时,需要向服务器请求再次建立链接以及获取离线数据。

为了进一步降低服务器的数据处理压力,提升用户体验。提出了一种获取离线消息的方法,通过短链接的方式获取离线消息[9]。短链接指的是客户端向服务器发送请求会携带必要的参数,而服务器做出响应时也会把客户端想获取的数据返回,当客户端得到数据后链接就断开,如图2所示。

基于这种方式,当客户端与服务器的链接再次建立后,由客户端主动发送获取离线消息的请求,获取离线消息可以使用HTTP协议。客户端不用发送确认信息,服务器在返回信息后可以直接清除数据库中暂存的数据,同时服务器也不用每次都对新建立的链接做查询操作,这样大大减少了服务器的压力,同时使获取离线消息的过程变得清晰,不会出现消息重复的情况。

1.4 消息并发推送

如果某一时刻发送消息的用户较多,而服务器来不及把消息推送给目标客户端,那么就会造成服务器需要推送的消息越来越多,最终导致服务器消息的阻塞。消息阻塞虽然不会导致消息的丢失,但是会严重影响消息的即时传输,会给用户带来特别不好的使用体验。

为了解决这个问题,在服务器端使用了消息的并发机制。当服务器从客户端接收到一条新的消息后,把消息存放在本地数据库的同时也会把消息存放进一个队列。而在服务器的后台,即时通信系统会根据服务器处理器的使用情况开启若干个线程,每一个线程所做的操作都相同,从队列中取出一个消息,然后根据消息中的目标地址,查询与其是否有通信链接,如果存在则把消息推送给客户端,如果不存在则不做任何处理。这样服务器可以在同一时间推送多条消息,有效地利用了服务器的资源,降低了消息阻塞的可能性。

2 消息的可靠传输

2.1 消息握手协议

为了确保消息在传输过程中不会出现丢失,提出了消息传输的握手协议。握手协议分为客户端给服务器发送消息的握手和服务器给客户端推送消息的握手。握手协议的本质是客户端与服务器端约定的消息传输规则,握手的主要目的就是为了确保消息不会丢失。

(1)正向握手协议

正向握手协议是指客户端向服务器端发送消息时消息的确认协议。客户端需要发送消息时,会先把消息存放在本地数据库中,然后再调用发送消息的接口,存入本地数据库中的消息标记为未发送。如果服务器成功接收到消息,会给客户端返回一个包含了消息ID的反馈信息,表示自己已经接收到消息,客户端接收到反馈信息后,根据ID把本地数据库中的消息标记为已经发送,这样就完成了一次客户端到服务器的握手。如果没有接收到服务器的反馈信息,那么客户端将继续向服务器发送这条消息。

(2)反向握手协议

反向握手协议指的是服务器端向客户端推送消息时消息的确认协议。当服务器接收到客户端的消息后,首先会把消息存在数据库中,然后从消息中解析出接收人的地址信息,然后根据地址信息查找目标客户端与自己是否有通信链接。

2.2 文件传输协议

为了避免使用通信长链接传输文件,提出了文件和文件地址相分离的传输方法,文件存储服务的提供商会提供文件上传的相应接口,客户端通过调用接口,上传文件后,会得到一个文件的网络地址,通过该网络地址用户就可以直接下载文件。

3 高复用架构

3.1 服务器

消息即时传输系统具有高复用性,就不能与应用软件的功能结合,本文提出了单系统双服务的系统架构。单系统指功能完全的应用软件系统,而双服务指为应用软件提供了后台服务的两套服务系统:消息的即时通信系统和数据功能处理系统。这样把消息和软件功能分离后,就可以使消息的即时传输服务在任何应用软件中使用,其功能模块如图3所示。

为了保证消息后台服务器的安全性,本节提出了双服务权限认证的方法。为了叙述简便,把消息后台服务器简称为消息系统,而应用软件的数据处理服务器简称为功能系统,如图4所示。通过这种方式,不仅增加了通信系统的安全性,同时也做到了功能的分离,使即时通信系统的后台通用性更高。

3.2 客户端

客户端和服务器的设计思想类似,单独把即时通信的功能打包封装,仅对外提供数据的操作接口,如图5所示。客户端的即时通信主要包含五个功能:发送建立链接的请求;发送消息;接收消息;发送心跳信息;断开通信链接,用户退出系统时会调用断开通信链接的功能,用于释放服务器的资源。应用程序的客户端添加即时通信的功能包后,只需要根据自己消息格式修改对本地数据库的操作,对外提供的接口不变[10]。

4 系统测试

4.1 测试系统介绍

测试系统的主要功能是用于学校老师、学生家长和学生之间的沟通,为学校管理学生带来便利。同时也包含了即时通信的功能模块,用于用户之间的交流沟通,发送团队公告信息和发送申请加入团队的申请信息。

应用系统在添加即时通信功能时,采用了本文设计的即时通信框架。后台使用了双服务器设计,提供了一个独立的消息系统和一个功能系统,两个系统之间使用同一个权限缓存。消息系统主要负责处理与客户端的消息通信,功能系统使用的是短链接,为客户端提供了获取数据的接口。客户端加入了即时通信包,并按照自己的需求对数据存储格式和数据读取格式做了修改。

服务器的配置是2 GB内存、双核、2.6 GB的主频,2 MB的网络带宽,客户端使用Android系统的手机。把一个客户端叫A,另一个客户端叫B。

4.2 实验结果

测试过程中通过改变客户端的工作状态来模拟用户的各种使用情况。

测试1:参数设置:客户端A、客户端B同时登陆系统,客户端A给客户端B发送消息。测试结果:客户端B能正常接收到客户端A发送的消息。

测试2:参数设置:客户端A、客户端B同时登陆系统,客户端A和客户端B同时给对方发送消息。测试结果:客户端A和客户端B都能正常接收到对方发送的消息。

测试3:参数设置:客户端A登陆系统,向客户端B发送消息。客户端B在客户端A发送消息后,登陆系统。测试结果:客户端A发送消息成功,客户端B正常接收到客户端A发送的消息。

通过用例测试,应用程序中的即时通信功能在很多情况下正常使用,满足了本文对即时通信框架功能的要求。

压力测试中,设置3个测试参数,并发人数、每个客户端共发送消息的条数、每两条消息发送的时间间隔(单位:ms)。对私人聊天、群聊天和发送通知进行了压力测试,消息发送和接收的成功率都在100%。但也有消息发送和接收不到100%,甚至有88%的成功率。通过分析可以发现,当消息发送成功率不高时,客户端的在线人数和发送消息的量普遍偏高,发送消息的频率也较快,而且发送成功率和这几个参数之间还有反比的关系。

因此可以得出结论,当消息发送成功率过低时,可能是受到了服务器硬件资源的限制。因为在线人数过多时,客户端需要和服务器建立的通信长链接较多,如果同时还有多人发送群信息或者公告,那么服务器的资源将被消耗殆尽。因而会有一些通信链接中断或者消息被阻塞。

5 结论

即时通信是网络聊天的核心技术,本文从消息即时传输、消息可靠传输和高复用框架三个方面对现在的即时通信提出了改进方案。文中高性能通信长链接有效地解决了普通通信长链接消耗资源的问题,并且消息传输效果并不会比普通通信长链接差。同时,在通信链接的检测方法中提出了一个更加节约资源的心跳算法。加入了更高效的文件传输,利用第三方文件服务使文件传输更加可靠。然后,基于高复用框架设计了即时通信框架,减少了应用软件开发的周期。最后通过对即时通信系统的功能和性能的测试,充分证明了本文设计的即时通信系统可靠性较高,完成了对即时通信系统的研究。

参考文献

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P2P的活期高收益是否可靠？ 篇5

然而仍有一些新兴的互联网金融公司还在试图用短期高息吸引用户。一般而言，P2P平台的借款需求和出借需求都应该是一一对应背后真实的借款人和出借人，这样才是真正意义上的P2P网络贷款。从P2P的商业模式来看，投资周期短于1个月的项目，如果收益率超过10%，显然是不科学的，更多的是为了实现短期快速获取新用户这一目的的宣传噱头，类似电商的烧钱模式，甚至有一些是涉及自融和资金池的项目，实质上都是目前监管尚未正式出台阶段的一种过渡品。最回归金融本质的P2P商业模式，应该是做全流程线上的一对一的个人信用借款和理财咨询服务，做好资金与借款需求的一一匹配。

P2P活期收益虚高，背后实则风险

一般对理财知识稍微懂点行的人都知道，高收益背后往往关联着高风险，期限越短，往往收益也越低。银行活期存款利率不断下调，余额宝这样的货币基金产品目前7日年化收益率也跌破3%，而一些短期银行理财产品也跌至3%左右。也就是说，稳健保守的活期理财产品一般收益都在3%以下，为什么某些平台有收益高达10%左右的活期理财产品呢？

仔细分析，这样的短期高收益产品，其实并不是主流的各种金融资产能够对接的，无论是金融债、同业存款还是其他非标类产品，目前更多是通过货币基金这样的产品来表现，而随着央行降息降准力度的不断加大，活期收益不断下滑已成趋势。对于某些主打活期理财产品的P2P平台，动辄10%以上的收益，很有可能是背后通过资金补贴和垫付的形式来体现的，这样对平台的流动性管理压力是极大的。上海一家专门做活期理财的P2P平台因为垫资过多已出现流动性危机，高达1亿元的流动资金快要被抽干。

对于以P2P高收益活期产品为主打的平台而言，因为这种活期产品已经超越了期限配置和产品属性的风险控制空间，对垫付和流动性的要求极高，一旦平台出现兑付危机，就能抽干整个平台的资金。

P2P活期是怎样的“搞法”？

P2P活期产品的模式主要有两种：一种是不匹配具体的融资需求项目和客户的，后端对接的是货币基金（也就是后端和各种宝宝类产品是一致的），这样平台只要垫付货币基金收益以外的补贴就可以了，但是不一定能保证是T+0到账。例如年化10%，那么平台垫付7%，这样纯粹是通过烧钱式的补贴来留住用户;第二种是配置了具体的融资项目，但是因为这些项目的期限不同、产业不同、风险不同，在体制上也往往需要设置一定的垫付金，而且这笔垫付金还要保证能支持这个循环圈的流动。

另外，还有一些平台利用平台内部的债权转让来进行活期产品的销售，但是为了实现短期高收益的承诺，本质上也需要一定的垫付资金。这种方式，平台可以将这些转让债权以平台法人的名义收购，并把这些债权打包成一个大的资产包，然后向投资者放开申购。

无论采用上述哪一种方式，其实都是在透支平台的某种信誉，要么是花大钱补贴圈用户，要么是自己拿一笔垫付资金，同时力图做好各种期限与资产之间的匹配，但是流动性风险压力极大。如若没有风投资金继续进入，这种烧钱模式能持续多久？所以，当P2P平台只配置一少部分的短期高收益项目用来增加平台的用户活跃度，也许还不会有很大压力;一旦做大这种不科学的资产，将直接威胁整个平台的资金流和整体风险运营管理能力。

稳妥的P2P理财应该是怎样的？

真正意义上的P2P理财应该是投资人和融资人之间一一对应的，也就是每一笔用户的理财资金对接每一个或者是几个融资项目，这种项目和资金之间一一对应的关系才符合P2P的金融本质，也让风险更加可控。

比如宜人贷这样的平台，本身就是着力于这部分资金与债权一一对应的市场，通过互联网、移动互联网和大数据技术创新，为城市白领人群提供创新、安全、简单、快速的个人信用借款与理财咨询服务。这种真实的、服务于装修、旅游、电子用户消费和买车等实际融资需求的平台，通过业务上的定位将平台的融资需求和理财需求一一对应起来。应该说，根植于民生、大消费与日常生产生活的P2P服务平台，才应该是未来更为稳妥的P2P模式中的一种代表。

当然，在实际运作过程中，很多P2P平台也在操作方法上产生以诸如债权转让以及定期理财产品的形式，但是这种方式也是建立在债权和资金一一对应的基础上的。

无论是从产品属性还是从平台稳健发展的角度而言，当前某些平台盛行的P2P活期理财产品都不是一种具有长远发展潜力的产品，或许某些平台在这种产品规模较小时还可以承受垫付资金或者是流动性管理压力，但是这种活期理财隐藏着很大的操作和管理风险，一旦遇上经济危机或者是兑付压力，都将直接将平台置于死地。

高可靠应用 篇6

随着模拟系统不断向数字集群系统转变, 作为数据传输网络的IP承载网的作用显得越来越重要, 无论是DMR系统、PDT系统还是TETRA系统, 都已经离不开IP承载网络对其业务的支撑。伴随数字集群系统的功能和业务网元的增加, 在IP承载网上传递的数据流也变的丰富多变, IP网络已经从单一数据网络向集成数据、语音、视频、图像的多业务网络转变;另外, 集群主要应用于军队、公安等行业, 集群系统业务数据的安全性备受关注。集群系统要求语音调度等业务的实时性、稳定性、安全性, 对于Qo S及数据加密在集群系统IP承载网中的实施应用变的尤为迫切。本文主要探讨如何使用Qo S技术及加密技术在集群专网系统中实现集群通讯数据安全可靠传输。

2 集群通信系统承载网链路

集群通信系统链路主要分为两大类, 即有线与无线链路。有线链路主要指SDH、以太网、PTN等链路;无线链路主要指4G、微波、3G、网桥、Wi-Fi等。

集群通信系统项目建网时, 使用的IP承载网一般会采用新建专网、利用用户现有网络, 或者两者结合的方式进行组网。从目前集群系统项目建设情况来分析, 新建专网链路主要是MSTP专线链路 (E1专线) , 微波链路、无线网桥链路等;用户现有网络主要是以太网 (局域网或城域网) , 另外可能借助于运营商网络 (3G/4G网络) 。

MSTP (Multi-Ser vice Transfer Platfor m, 基于SDH的多业务传送平台) 是指基于SDH平台同时实现TDM、以太网、ATM等业务的接入、处理和传送, 提供统一网管的多业务节点。MSTP组网结构示意图见图1。

微波技术已有几十年的发展历史, 现已成为一门比较成熟的学科。在雷达、通信、导航、遥感、电子对抗以及工农业和科学研究等方面, 微波技术都得到了广泛的应用。微波是一种电磁波, 从广义上讲, 频率范围为300MHz-300GHz, 微波通信使用的频率范围通常是3GHz-30GHz。实际微波设计中的设备是从7GHz-38GHz, 频率越高, 传输距离越短。微波组网结构示意图见图2。

3 链路质量管理及数据安全技术

Qo S (Quality of Service, 服务质量) 指一个网络能够利用各种基础技术, 为指定的网络通信提供更好的服务能力, 是网络的一种安全可靠机制, 是用来解决网络延迟和阻塞等问题的技术。在正常情况下, 如果网络只用于特定的无时间限制的应用系统, 并不需要Qo S, 比如Web应用, 或E-mail设置等, 但是对关键应用和多媒体应用就十分必要。当网络过载或拥塞时, Qo S能确保重要业务量不受延迟或丢弃, 同时保证网络的高效运行。而当网络发生拥塞的时候, 所有的数据流都有可能被丢弃;为满足用户对不同应用不同服务质量的要求, 就需要网络能根据用户的要求分配和调度资源, 对不同的数据流提供不同的服务质量:对实时性强且重要的数据报文优先处理;对于实时性不强的普通数据报文, 提供较低的处理优先级, 网络拥塞时甚至丢弃。

支持Qo S功能的设备, 能够提供传输品质服务;针对某种类别的数据流, 可以为它赋予某个级别的传输优先级, 来标识它的相对重要性, 并使用设备所提供的各种优先级转发策略、拥塞避免等机制, 为这些数据流提供特殊的传输服务。网络的缺省服务模型为Best-Effort, 通过FIFO (first in f i r st out, 先入先出) 队列来实现, 它适用于绝大多数网络应用, 但对延时、可靠性等性能不提供任何保证。在集群通信系统IP承载网采用了Diff Serv服务模型, 能够有效地保证集群系统业务的实时性、稳定性。

D i f f Se r v是一个多服务模型, 它可以满足不同的Qo S需求。对于Diff Serv服务模型, 网络不需要为每个流维护状态, 它根据每个报文指定的Qo S来提供特定的服务, 可以用不同的方法来指定报文的Qo S, 如IP报文的优先级位 (IP Precedence) , 报文的源地址和目的地址等, 网络通过这些信息来进行报文的分类、流量整形、流量监管和队列调度。

数据加密的基本过程就是对原来为明文的文件或数据按某种算法进行处理, 使其成为不可读的一段代码, 通常称为“密文”, 使其只能在输入相应的密钥之后才能显示出本来内容, 通过这样的途径来达到保护数据不被非法人窃取、阅读的目的。该过程的逆过程为解密, 即将该编码信息转化为其原来数据的过程。常见加密算法有如下几种:

⊙DES (Data Encryption Standard) :对称算法, 数据加密标准, 速度较快, 适用于加密大量数据的场合。

⊙3DES (Triple DES) :是基于DES的对称算法, 对一块数据用三个不同的密钥进行三次加密, 强度更高。

⊙RC2和RC4:对称算法, 用变长密钥对大量数据进行加密, 比DES快。

⊙IDEA (International Data Encryption Algor ith m) 国际数据加密算法, 使用128位密钥提供非常强的安全性。

⊙RSA:由RSA公司发明, 是一个支持变长密钥的公共密钥算法, 需要加密的文件块的长度也是可变的, 非对称算法。

4 集群通信系统链路质量及数据安全性应用

4.1 基站E1链路接入的Qo S及数据安全设计

4.1.1 E1链路接入模型

集群系统中E1接入是一种比较常见的基站接入核心网的方式, E1链路本身所能提供的最大带宽为1.984b/s, 链路延时、抖动较固定。但因带宽较低容易出现各网元流量突发大于E1链路最大带宽, 从而出现链路的拥塞而影响基站与核心网各网元的交互。典型E1链路接入拓扑图见图3。

4.1.2 E1接入Qo S及数据安全设计

(1) 在基站交换机上为不同的接入网元划分VLAN, 并为不同业务分配优先级:

⊙集群基站业务划分VLAN 10, 802.1p优先级配置为6。

⊙视频业务划分vlan20, 802.1p优先级配置为5。

⊙其他监控设备划分vlan30, 802.1p优先级配置为4。

⊙所有未明确的数据802.1p优先级使用默认优先级0。

(2) E1设备通过E1时隙划分为特定业务保证链路带宽, 另外通过加密技术实现数据安全。

⊙E1设备上通过时隙划分功能, 为特定的业务指定所用时隙, 基站控制器与核心网的交互使用1~10时隙, 视频业务使用11~20时隙, 其他监控设备使用21~25时隙, 其他数据使用剩余时隙。

⊙E1两端设备启用本身自带加密, 对链路中传输的数据进行加密。

4.2 基站IP链路接入的Qo S及数据安全设计

4.2.1 IP接入模型

基站IP链路接入方式是指基于用户IP网络并通过VPN的方式实现基站与核心网互通, 同时达到集群系统业务数据与用户网络隔离的效果, 并且通过数据加密技术达到数据的安全传输。IP链路接入的方式, 链路带宽、时延、抖动、丢包率主要受用户网络的Q o S限制。典型IP链路接入拓扑图见图4。

4.2.2 IP接入Qo S及数据安全设计

通过基站路由器与核心路由器之间建立IPSEC V PN隧道实现基站与集群系统核心网互联, I PSEC VPN采用IKE的方式来动态的协商与核心网建立安全连接的密钥, 同时采用AES或者3DES对原始数据和IP包头进行加密以保证在传输网上数据的安全性。

(1) 在基站交换机上为不同的接入网元划分VLAN, 并为不同业务分配优先级。

⊙基站控制器划分VLAN 10, 802.1p优先级配置为6。

⊙视频设备划分vlan20, 802.1p优先级配置为5。

⊙其他监控设备划分vlan30, 802.1p优先级配置为4。

⊙所有未明确的数据802.1p优先级使用默认优先级0。

(2) 基站路由器上面配置限速与流量整形并启用Cos信任, 在路由器上配置以IP数据流的五元组定义的ACL来区分数据流, 对不同的业务数据流分配不同的带宽。

⊙启用CAR和GTS技术保证基站业务数据流的最小带宽, 在路由器出口处进行流量整形保证不丢包。

⊙启用CAR和GTS技术保证视频数据流所需最小带宽, 在路由器出口对流量进行整治对超出的流量进行整治。

⊙启用CAR技术保证监控数据流所需最小带宽, 在路由器出口出进行流量限制, 对超出流量的数据做丢弃处理。

⊙对于其他未做归类的流量不做带宽保证, 限制其所使用的带宽, 对超出的流量做丢弃处理。

⊙在与交换机互联的接口上打开Cos信任, 并配置802.1p的优先级到本地优先级的映射, 路由器内部自动获取接入交换机上配置的数据流的优先级转变为三层ip数据包的DSCP的优先级并携带此优先级向下转发与前端交换机保持一致的优先级。

(3) 在用户网络层面, 需要用户为集群业务在用户网里提供端到端的链路质量保证。其实现方试, 主要是针对基站路由器与核心路由器两点之间的数据流, 为其设定对应的Qo S策略, 保证链路的带宽、时延、抖动、丢包率。

4.3 基站无线链路接入Qo S及数据安全设计

4.3.1 无线链路接入模型

在不便于铺设有线网络的环境中, 通过微波设备或者无线网桥将基站接入集群系统核心网是比较常用的方案, 对于某些用户也会考虑使用卫星链路作为接入链路。典型的无线接入拓扑图见图5。

4.3.2 无线链路接入Qo S及数据安全设计

通过微波、无线网桥或者卫星链路作为接入核心网的方式, 由于无线链路本身的特性决定了链路质量会受到更多的外界因素干扰。无线设备传输质量比较容易受到天气因素的影响, 例如在阴雨天、狂风、或者沙尘天气的影响下, 无线链路的可用性和链路质量将大大下降。在以无线链路作为接入方式的网络中对于Qo S和安全的设计可从一下两个方面考虑:

(1) 在接入层交换机上的Qo S设置与E1和IP接入保持一致, 为不同的数据流在二层数据里面设置优先级, 同时微波设备, 无线网桥等无线链路设备本身也具备vlan划分和Qo S优先级设置的功能。在无线设备上对不同数据流配置Qo S优先级时需要和交换机上的配置保持一致。

(2) 数据安全方面, 无线设备可通过自身携带的不同加密算法对通过无线链路传输的数据进行安全加密, 通常使用的加密算法包括DES或者AES算法, 依据设备性能以及链路的需求使用合适的算法来对无线链路传输数据进行加密, 确保空中传递数据的安全性。

4.4 基站3G/4G链路接入Qo S及数据安全设计

4.4.1 3G/4G链路接入模型

在不便于铺设有线网络的环境中, 如果有公网运营商的无线链路 (3G/4G) , 可以借助于3G/4G链路将基站接入集群系统核心网是比较快捷的方案。典型的3G/4G链路接入拓扑图见图6。

4.4.2 3G/4G链路接入Qo S及数据安全设计

3G/4 G链路是由公网运营商运营维护, 链路的全安性和链路质量不可控, 在3G/4G链路作为接入方式的网络中, 对于Qo S和数据安全性的设计需要非常慎重。

在接入层交换机上的Qo S设置与E1和IP接入保持一致, 为不同的数据流在二层数据里面设置优先级, 同时在基站的3G/4G路由器上进行Qo S优先级设置, 基站3G/4G路由器和交换机上的策略配置保持一致。

数据安全方面, 3 G/4 G路由器通过与核心路由器之间做I P S E C V P N来保证数据传输的安全性及完整性;通常I PSEC V P N使用的加密算法包括DES, 3DES, A E S等算法, 依据设备性能以及链路的需求选用合适的算法来对传输的数据进行加密, 确保数据在公网上传输的安全性及完整性。

4.5 基站接入的安全性设计

为了确保基站侧接入的设备 (基站等其它数据采集设备) 是经过许可接入的, 需要对接入的设备进行安全认证, 以保证整个集群系统网络的安全可靠性。采用MAC地址绑定及802.1X技术来对基站侧接入的设备进行安全认证, Radius认证服务器部署在集群系统交换中心。典型基站安全接入的拓扑图见图7。

5 结束语

高可靠应用 篇7

关键词：stratus,容错,连续处理技术,锁步技术,可用性,维护性,经济效益

0 引言

多年来国内冶金行业控制系统一直采用服务器冷切换方式、热切换方式或集群方式作为数据库、I/O服务器的控制方式。传统采用的是双机热备方案,该方法不仅不能节省投资成本,而且系统的可靠性得不到保证。

随着经济的迅速发展和计算机、网络等技术的不断进步,冶金企业在加快建设步伐的同时,也面临着控制系统的要求越来越高这样一个局面。因此,建立高精度、高可靠性的冶金控制系统,已经是当务之急。

随着运行时间的增加,整个监控系统的安全性越来越受重视。各种升级后的计算机设备、路由设备、交换设备、操作系统、数据库系统等都会有不同程度的故障风险,再加上使用环境、资源共享、数据通信、计算机病毒以及网络管理等方面的不安全因素,使得控制系统数据的安全性和有效性变得更加重要。以往,为提高控制系统数据信息的可靠性,通常在控制系统中采用双机热备方案。尽管采用该方案对系统的可靠性有所提高,但却增加了系统整体的软硬件投资费用,同时增加了系统的管理和维护工作,更重要的是,系统的可靠性并不一定能得到足够的保障。

因此,寻找并采用一种具备高可用性、低成本、易维护的服务器应用方案,是众多冶金企业一直在研究的课题。笔者根据多年的冶金行业服务器应用经验,结合目前国内外在高可用性服务器领域的成熟技术方案和有效应用成果,发现使用可用性高于99.999%以上的Stratus容错服务器代替传统的双机热备方案是一种有效的途径。

1 容错设计思想

宁波钢铁五丰塘焦化厂为了能更好的提供控制系统核心服务器的连续可用性,采用了世界上最先进的容错服务器作为控制系统核心服务器。这种方案不但可避免双机热备方案中单硬件系统故障所造成的系统停机以及系统切换带来的的经济损失,同时还可减少焦化控制系统的后续维护量及维护费用。由于容错服务器采用了硬件冗余设计,整个硬件系统从主板、CPU、内存到I/O模块都采用双份冗余模式,并且基于先进的锁步(LockStep)技术,各冗余模块在同一时钟周期执行相同的指令,使得整个系统能够消除单点故障、无故障切换时间,连续可用性高于99.999%。

容错服务器(如图1所示)与传统服务器(如图2所示)在物理结构上最重要的区别有两点:1)容错服务器采用了双份冗余容错硬件,包括CPU、内存、主板、硬盘、I/O系统等等;2)容错服务器在物理构成上将CPU-内存单元与I/O单元分离,中间增加了容错公司定制的故障侦测与隔离逻辑芯片组进行PCI桥接,该芯片组是容错服务器实现时钟同步操作、容错、纠错等功能的基础。

2 关键技术

Stratus容错的核心技术——连续处理技术是三十年来为全球最苛刻的应用确保连续运行时间之经验的结晶。连续处理技术主要由三个核心要素构成,分别是:时钟同步技术、故障安全软件和主动服务体系。

2.1 锁步技术

锁步技术(Lockstep Technology),也称时钟同步技术,采用双份的容错硬件,由同一时钟源进行控制,两套硬件在同一时刻执行相同的指令。在一个部件出现故障的情况下,其冗余部件就像已激活了的备件一样继续正常的操作,预防了停机现象。锁步技术使系统还能消除可引起软件故障的瞬间硬件错误。

2.2 故障安全软件

Stratus故障安全软件(Failsafe Software)与锁步技术协同工作,能够预防许多会升级到停机的软件故障。与通常的服务器或集群系统不同,ftServer的硬件和软件以透明的方式处理这类错误,而对操作系统、中间件、应用软件进行屏蔽,同时驻留内存数据也得到很好的保护及维护。

此外,其管理和诊断特性还对其他软件问题进行跟踪、分析,以及向Stratus通报这些软件问题,使支持人员在软件问题发生之前超前纠正问题。强化的设备驱动程序也显著增加了ft Server系统内Windows环境的稳定性。

2.3 主动服务体系

Stratus独到的主动服务体系(Active Service)能提供冠绝群伦的服务能力。Stratus ftServer系统能够持续监视自身的操作,发现故障后,服务器会即时隔离故障,并且自动呼叫Stratus支持中心,准确告知其应采取何种解决措施。

ft Server通过访问适配器及Stratus全球主动服务网络(Active Service Network)为客户提供远程支持服务,服务工程师据此实现在线故障诊断、排障,在线解决率达95%以上。必要时,系统还能自动订购其热插拔替换部件,确保相应的部件能在24小时内运到全球主要地点客户手中。客户更可以在ft Server无中断的情况下,轻易安装需更换的备件。同时,Stratus和客户授权的经销商还可透过互联网的主动服务管理器(ActiveService Manager)互相协作,快速解决问题。

3 应用分析

3.1 项目背景

宁波钢铁五丰塘焦化厂为了能更好的提高控制系统的连续可用性,采用了世界上最先进的容错服务器作为控制系统核心服务器及HMI服务器。五丰塘焦化厂是一个新建项目,有JN60-6型焦炉两座,以及与之配套的管带机、圆形料场、备煤、焦炉除尘、干熄焦、筛贮焦、煤气回收、污水处理等生产系统,各生产车间工段均设置相应的PLC控制系统,并设置了中控室,各个控制系统均通过网络将生产实时数据引入中控室,以实现生产的集中监控、集中管理和统一调度功能。系统通讯采用C/S模式,在中控室设置了备煤、焦炉、煤气净化、筛焦等生产系统的Data Server和HMI Server;另外还设置了超级服务器,采集和存储全厂生产实时数据,并用于对过程机和EMS能源中心进行生产管控和能源计量数据的实时发布和上传。其中煤气净化系统为化工性质、连续生产,对服务器提出了高可靠性、连续可用性要求;超级服务器作为全厂生产管控系统的核心,其重要性更是不言而喻。焦化厂控制系统结构图如图3所示。

3.2 方案比较

按照传统,为提高控制系统的可靠性,通常采用双机热备方案,由两台独立服务器构成,再通过集群软件完成故障切换。但是,这种方案的可靠性是建立在集群软件的基础上。随着数据库越来越大,应用越来越复杂,一旦系统中某一环节出现故障,其切换时间需要几分钟到几十分钟,同时,切换时间内的动态实时数据将随之丢失。更重要的是,切换工作并不一定每次都能成功。

相比之下,Stratus容错服务器所采用的冗余硬件同步技术(Lockstep),能保持多CPU/内存单元在精确的同步状态——同一时钟周期执行相同的指令,即能够确保包括瞬时错误在内的任何故障都不会影响到系统运行,系统可以在任何CPU/内存单元,或I/O单元发生错误的情况下不丢失动态数据,也不需产生中断进行错误处理,避免了双机热备方案所产生的故障切换和恢复时间,以及该过程中数据的丢失。

在焦化厂控制系统中采用容错服务器,能确保系统在可用性、维护性、总体成本三方面具备无与伦比的优势。

3.3 实施效果

宁波钢铁五丰塘焦化厂控制系统煤气净化服务器和超级服务器采纳了容错技术方案,根据系统规模及数据库的大小,考虑到系统的可用性,煤气净化服务器采用了Stratus ftServer 2510配置,超级服务器采用了Stratus ftServer 4410配置。自2009年11月份投产以来,容错服务器一直运行稳定可靠,管理维护简单方便,为确保生产的安全稳定顺行发挥了至关重要的作用。

4 结论

通过分析Stratus容错服务器的设计思想、关键技术以及与双机热备方案的比较,我们可以看出,在焦化控制系统中,采用高可靠性的容错服务器,不仅能满足系统7×24小时连续运行的需要,还能为用户节省总投资成本,减少后期维护工作及维护费用。

参考文献

高可靠应用 篇8

在电网建设过程中,金属铠装移开式中置开关柜得到了广泛的应用。活门作为10 k V金属铠装移开式中置开关柜的一个特殊部件,与柜体、手车开关存在着联动关系,活门与断路器手车位置之间的配合决定着开关柜的安全性。断路器手车与活门机构之间存在配合关系,当手车从工作位置拉到试验位置或隔离位置时,活门自动关闭,以防操作维修人员误入带电间隔,造成人身安全事故。当手车从试验位置或隔离位置推到工作位置时,活门自动打开,且确保活门对手车触臂满足标准要求的间隙,防止触臂对活门放电,造成设备安全事故。

目前,我国生产断路器手车的厂家众多,虽然为用户提供了较多的选择,但由于他们生产的断路器在许多关键部位的尺寸并不一样,开关柜的制造厂家需对活门机构进行重新设计,以适应各个型号的断路器手车,不同开关柜厂家的活门机构可靠性也有所差异。因此,为了确保设备和人身安全,在中置开关柜的运行维护工作中,必须确保对活门机构的可靠性予以足够重视。

1 现有活门机构存在的问题

1.1 故障现象

故障一:某变电站在将某馈线小车开关从试验位置摇至工作位置时,由于出现机械故障,停止操作。经检查发现,开关柜内的活门支撑塑料板遭到了物理破坏,导致操作出现卡涩。

故障二:运行人员在操作过程中发现异响,停电检查发现,某开关柜内的活门右侧导向杆发生断裂,下活门有三相放电痕迹。

1.2 存在的问题

现有的活门机构是双臂双向式或单臂双向式,靠手车两侧的卡槽使活门打开,靠复位弹簧把活门关闭。活门机构在开关柜内的布置以及活门机构简图如图1、图2所示。

现有中置开关柜的活门机构存在如下问题:第一,结构比较复杂,零部件多,极易发生机构卡滞或调整不到位现象,这种机构很难调整平衡,会造成活门打开距离不够或不能完全打开,引起绝缘事故。近几年,广东电网也发生过多起因活门问题而造成的设备、人身安全事故。第二,活门机构采用弹簧复位,由于弹簧复位存在弹簧塑性变形的风险,变形后活门将无法自动关闭,存在人身安全风险。

1—柜体2—可移开部件3—摇杆4—上活门5—上下触头盒6—静触头7—下活门8—活门导杆9—摇杆10—连杆11—拐臂12—可移开部件推活门部件13—活门机构驱动轴14—复位弹簧15—动触头16—连杆

1—左开启机构2—上活门板3—下活门板4—右开启机构

2 新活门机构系统

2.1 新活门机构的设计要求

活门应当具有工作位置和试验位置,两个位置可以互相转换。在工作位置时活门打开,允许小车开关动触头与开关柜的静触头结合;在试验位置时,活门应将静触头可靠遮住。活门属于隔板的一部分,活门材质要使用具有接地连续性的金属隔板。活门在工作位置或试验位置时,其与电力设备带电导体部分的绝缘距离应当大于300 mm,绝缘防护等级应当大于IP2X。在小车开关推进或拉出的过程中,活门机构应当确保活门能够顺畅打开或关闭,不能有互相干涉的情况。活门机构应当有独立的闭锁装置,当小车开关从柜体中拿出到试验位置或检修位置后,活门机构不能再动作,以防止工作人员误碰而使得活门打开。

2.2 新活门机构的设计内容

本文设计了一款双臂单向式活门机构系统,当手车从试验位置推到工作位置时,手车两侧的推板推动活门两侧的拐臂,活门机构沿导杆向上打开,若万一在打开过程中发生卡滞或非平衡打开手车,将受到阻力而摇不动,从而防止了事故发生。活门两侧拐臂的轨迹与活门开启速度有关,所以应当将其设计为折线形状,使得活门在手车开关行进的初步阶段就迅速打开80%以上,方便手车开关顺利进入柜体内部。而在手车开关剩下的行程,活门则缓慢地全开,以免活门动作幅度过大。当手车从工作位置拉到试验位置时,活门靠自身的重力自动下落关闭,由于结构简单,机构无需调整。

2.3 新活门机构系统的注意点以及优势

进行现场改造需根据不同类型断电器和柜型实地测量配合尺寸,同时现场改造时需母线停电;需提高传动机构零件强度,使其在对手车开关柜多次操作后仍然保持不变形;在加工过程中要提高传动机构零件的精确度,使得活门机构的动作既可靠又准确,降低活门出现卡涩的故障率;需要控制好活门打开速度以及活门与小车开关动触头的安全距离,使得手车开关在从试验位置推向工作位置的过程中,活门打开的程度能够让手车开关顺利进入柜体内部,防止手车开关的动触头在运动过程中碰触或损毁活门;需要注意活门与开关柜静触头之间的距离应大于规范所规定的安全范围;活门的动作应左右平衡,避免出现一侧偏斜的情况。

该双臂单向式活门机构系统的优点如下:简化了活门机构零部件的数量,取消了弹簧,把原双臂双向式改为双臂单向式。这种结构简单可靠,零部件比原有机构系统少一半,同时也取消了原有复位弹簧,完全杜绝了原有活门机构的缺点,从而保障了电网设备的安全运行。

3 结语

该活门可应用于本部门所管辖各个变电站所有手车开关柜的改造中,安装简单,实用性强。在制造和安装中置式高压开关柜的活门机构时,应根据实际运行需求,进行精确设计和施工。安装完成后,要进行细致认真的调试,以确保活门机构动作灵活可靠,能够完全实现其优异的性能。按照本文对中置开关柜活门机构的设计思路,通过实践检验,并在申请专利后授权相关企业进行生产,可在全国电力行业加以推广,市场前景非常广阔。

参考文献

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[4]刘海波.分析10 kV中置式铠装开关柜检修中存在的危险点[J].电子测试,2016(1):99-100.

高可靠平台计算机设计 篇9

随着航天技术的不断发展, 对控制的要求也越来越高, 需要具备更高的反应速度和更强的数据处理能力。在航天领域, 一旦控制发生错误, 将会造成难以估计的损失。因此, 如何提高控制的可靠性是长期以来的一个重要问题。本文介绍了SOC应用方式的一种实际开发方案, 重点讨论了平台计算机的高可靠性的设计和实现方法。

高可靠平台计算机主要任务

本高可靠平台计算机主要完成以下主要任务:实时录取惯性测量仪表输出的转动角增量和视速度增量;接收机载导航系统给出的初始位置、速度以及姿态数据;实时接收定位卫星测量数据;实时完成制导、姿控方程的运算, 按照控制律及制导律要求, 对采集的信息进行变换、综合, 形成控制/制导指令, 控制舵机;集成1553B总线通信功能, 进行总线通信与控制;4路D/A输出姿态控制指令;具有8级可屏蔽中断;通过1553B接口与地面计算机通信, 进行信息交换;提供三个带光电隔离的RS422接口。

平台计算机采用FPGA+S698 IP核的方案 (简称SOC) , 以欧比特公司的S698 IP核做为主CPU, 另外再把1553B总线控制器、VME总线控制器、3个带F I F O的U A R T整合在一起。体现了欧比特公司S698 IP核灵活、优越性能。并且支持多操作系统。采用SOC设计节省昂贵的流片费用、增加系统设计的灵活性、方便修改、大大缩短设计开发的周期。

高可靠平台计算机

高可靠平台计算机功能框图示于图1。

高可靠平台计算机采用F P G A+S 6 9 8IP核的SOC形式实现, FPGA采用ALTERA公司Cyclone系列EP1C20。

高性能的S698 IP核作为内核, 集成了大量的外围设备, 并将这些所有的模块全部集成到一个FPGA器件当中, 降低了整个板级系统的成本, 缩小了板级系统的体积, 器件等级选用工业级以上器件, 大大提高了系统的可靠性。

S698 IP核的功能框图示于图2。

S698 IP核特点如下:内部使用了5级流水线, SPARC V8指令集;硬件乘法器和除法器;支持2条DSP指令 (MAC&UMAC) ;浮点运算:双精度 (64位) ;具有分开的指令和数据cache结构 (哈佛结构) , 可以根据需求灵活的配置c a c h e的容量, 大小范围是1～64kbyte;片上总线规范使用了AMBA2.0规范, 支持APB和AHB标准;外设可裁减, 包括U A R T, 定时器, 中断控制器, 存储器管理单元, I/O端口, 看门狗等;采用AMBA AHB/APB总线结构的用户设计新模块, 可以很容易加入到S698 IP核中, 完成用户的定制应用;集成调试支持单元 (DSU) , 支持硬件调试功能。

高可靠平台计算机系统板具有如下硬件资源:FPGA (集成S698、1553B、VME IP核) ;1553B部分;VME部分;4MB FLASH;4MB SRAM;4路+10V～-10V, 12位DA输出;3路光电隔离RS422, 其中2路具有16字节FIFO, 1路1K字节FIFO;频标频率可配置;定时器;8级中断;FPGA提供JTAG、AS接口;1路U A R T;D S U (硬件调试单元) 。

S698 IP核高可靠设计

为了适用于航空航天的高可靠性应用, S698 IP核采用多层次的容错策略;奇偶校验、T M R (三模冗余) 寄存器、片上E D A C (检错和纠错) 、流水线重启、强迫Cache不命中等。尽管现在几乎所有CPU都有一些常规的容错措施, 如奇偶校验、流水线重启等, 像I B M S/390 G5还采用了写阶段以前的全部流水线复制技术。IntelItanium采用的混合ECC和校验编码等技术;但远没有S698 IP核那样, 采用如此全面的容错措施。

S698 IP核将时序 (存储) 单元的状态翻转作为数字容错的主要内容, 根据时序逻辑的不同特点和性质, 采用了不同的容错技术和手段。

·Cache的容错。大的Cache对高性能CPU来说是至关重要的, 而且位于处理器的关键 (时间) 通路上。为了减少复杂性和时间开销, 错误检测的方法采用2位的奇偶校验位, l位用作奇校验, l位偶校验, 因此可以检查所有的错误情况, 在读Cache的同时进行校验。当校验出错误, 强制Cache丢失, 并从外部存储去获取数据。

·处理器寄存器文件的错误保护。寄存器文件是处理器内部的寄存器堆, 内部的寄存器对于指令的运行速度和用户程序设计的灵活程度都是很重要的。内部寄存器的使用频率很大, 其状态的正确性也是很关键。S698 IP核采用1、2奇偶校验位和 (32.7) BCH校验和进行容错。

·触发器的错误保护。处理器的2500个触发器均采用三模冗余的方式进行容错, 通过表决器来决出正确的输出。

硬件高可靠设计

3个RS422接口和1553B接口是系统对外接口, RS422采用光电隔离, 工作时以光作为媒介来传递信息, 无触点, 寿命长, 响应速度快, 输入和输出在电气上是完全隔离的, 采用了高等级隔离电源, 给光耦单独供电, 抗干扰能力强。

1553B是一种具有可确定性的、传输可靠的数据总线, 为双冗余设计, 广泛地应用于不同的军事平台 (航空系统、地面车辆系统、舰艇系统) 系统, 已经发展成国际公认的数据总线标准。

底板数据总线为VME (Versa Module Eurocard) , VME总线是一种通用的计算机总线, 它定义了一个在紧密耦合 (closely coupled) 硬件构架中可进行互连数据处理、数据存储和连接外围控制器件的系统。经过多年的改造升级, VME系统已经发展的非常完善, 围绕其开发的产品遍及了工业控制、军用系统、航空航天、交通运输和医疗等领域。

整体的可靠性设计

SPARC微处理器最突出的特点就是它的可扩展性, 这是业界出现的第一款有可扩展性功能的微处理器, 它的无穷扩展能力能够应付各种变化的数据处理要求。具有高结构化设计, 容错及程序保护等设计。由于其独到的性能, 在航天领域得到了青睐。由于采用SOC方式, 内部集成度高, 外部扩展工作少, 此本身具有较强的抗干扰能力;同时通过外部硬件电路以及软件的抗干扰设计, 平台计算机可以实现非常高的可靠性。

RS422

3个UART控制器在SOC中实现, 通过RS422收发芯片将LVTTL电平转换为RS422电平, 其中1路RS422带接收/发送中断。

UART1具有16 byte的FIFO, 可产生中断, 取数后, 清中断, 并同时清空F I F O。UART2具有1K byte的FIFO, 数据发送时由独立管理器管理, 不占用C P U时间。UART3具有16 byte的FIFO, 可产生中断。

采用RS422总线接口, 最大传输距离:1000m。为了提高抗干扰能力和较高的EMI防护性能, 采用了光电隔离方式, 提高了节点的稳定性和安全性。

频标和5 m s中断

频标和5ms中断功能在SOC中实现。频标默认频率1ms, 兼容TTL电平, 50%占空比。在SOC中可通过配置不同的值输出不同频率的频标, 其启动和关闭均可由软件操作相应寄存器来控制。

5ms定时器模块用于产生周期性的中断请求, 默认周期为5ms, 其启动和关闭均可由软件操作相应寄存器来控制。

1553B部分

1553B总线与S698 IP核集成在一起, 在S O C中实现。传输速度为每秒1M比特, 字的长度为20个比特, 数据有效长度为16个比特, 信息量最大长度为32个字, 传输方式为半双工方式, 传输协议为命令/响应方式, 故障容错有典型的双冗余方式, 第二条总线处于热备份状态;可通过软件配置实现3个不同的终端, 有总线控制器 (BC) 、远置终端 (RT) 和总线监听器 (BM) ;信息格式有BC到RT、RT到BC、RT到RT、广播方式和系统控制方式;能挂31个远置终端, 传输媒介为屏蔽双绞线, 总线耦合方式采用直接耦合方式。平台计算机实现了完整的1553B总线的通讯, 其包括BC、RT、BM, 其功能、通信以及操作方式同BU-6158X芯片基本一致。一片能实现1 5 5 3 B功能的专用芯片DDC61580价格不菲, 而且全面依赖进口。全面依赖进口的产品用在特殊领域也不适合, 而我们在一款性价比很高的F P G A里就实现了DDC61580同样的功能。

1553B总线控制器的主机接口有两种:A P B和A H B。主机 (即S P A R C V 8处理器) 通过APB接口 (包括输入总线A P B I和输出总线A P B O) 访问寄存器, 通过A H B接口 (包括输入总线A H B I和输出总线A H B O) 访问存储器。M a n c h e s t e r CODEC的输出/输入为互补曼彻斯特码, 码速率为1 M b p s。信号R X A、R X A N、T X A、T X A N、T X A E N、R X B、R X B N、T X B、T X B N和T X B E N为1 5 5 3 B总线控制器同外置收发器芯片的接口信号。

本计算机平台可以通过对1553B控制器寄存器进行配置, 可以分别实现BC、RT、BM的功能。可以灵活应用在不同的场合。

V M E部分

V M E总线是一种应用较为普遍的计算机接口总线, 技术成熟。目前国内外很大一部分的星载计算机并行总线都采用V M E总线结构。VME总线是一种高速、异步并行数据传输总线, 可在非多路、32位数据和地址通路上支持八位、十六位和三十二位的传输, 通讯协议是异步和全挂钩方式的。它包括的功能模块有:主模块、从模块、中断模块和中断管理模块, 另外还有两个模块:总线定时模块和IACK菊花链驱动模块辅助上述各个功能模块。

本平台计算机V M E总线控制器在S O C中实现标准V M E总线, V M E总线信号从SOC出来后, 经总线驱动电路, 输出到背板连接器。总线芯片采用74ALVC164245, 实现3.3V～5V电平转换。VME接口与底板连接器有96个引脚, 排列成三排, 每排32引脚。VME控制器挂接在处理器外部存储控制器总线上, 映射的区域为I/O区, 为其分配的地址区域为:0x24000000～0x24FFFFFF, 共1 6 M空间。

D/A转换模块

D/A转换模块由三部分组成:D/A转换芯片、基准、运放。12位D/A转换精度, 可输出4路+10V～-10V电压。

软件编程

S698 IP核可以支持ucLinux, RTEMS, Vxworks等多种操作系统;也可不使用操作系统, 支持标准C编程。而且开发了Linux和W i n d o w s下图形化集成开发环境, 支持流行的调试方法;开发环境支持离线仿真调试和目标板在线调试。

结语

这种高可靠平台计算机, 不再采用体积大、笨重而又功耗巨大的处理器芯片 (如DSP) , 而是直接将S698 IP核放进FPGA。同时在硬件、软件以及制板布线等方面采用多种提高系统可靠性的设计措施。系统将大部分的处理功能硬件化, 利用F P A G的丰富资源, 将整个系统放入一片F P G A芯片内。其中的S698 IP核进行控制管理和一些必须的计算处理。这样的一款国产的高性能的处理器, 具有自主的知识产权, 应用在一些特殊的领域, 对于国家安全来说尤为重要。S698I P核在性能上也绝不逊色于其他同类处理器, 丰富的外设, 为用户搭建了一个芯片级的高可靠计算机平台, 使用起来极为方便。

参考文献

[1].　金永德等, 导弹与航天技术概论, 哈尔滨工业大学出版社, 2002

[2].　华容茂, 数字电子技术及逻辑设计, 中国电力出版社, 2003

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[5].　周明光、马海潮, 计算机测试系统原理与应用, 电子工业出版社, 2005

[6].　沈颂华, 航空航天器供电系统, 电子工业出版社, 2005

[7].　1553　User’s　Guide.　DDC公司, 2003

[8].　MIL-STD-1553　DESIGNED’S　guide, DDC公司, 　2003

[9].　OBT-1553B　User’s　Guide, 欧比特公司, 2004

高可靠性矿用分站的设计 篇10

矿用分站是煤矿安全监控系统中的一个重要部分,它的性能好坏将极大地影响整个系统的稳定性和可靠性。《AQ 6201—2006煤矿安全监控系统通用技术条件》中规定[1]:分站接收来自传感器的信号,并按预先约定的复用方式远距离传送给传输接口,同时,接收来自传输接口的多路复用信号;分站还具有线性校正、超时判别、逻辑运算等简单的数据处理能力,并能处理传感器输入信号和传输接口传输来的信号,控制执行器工作。另外,对于分站采集传感器输入信号部分,在《MT/T 1005—2006矿用分站》中规定[2]:分站应具有模拟量采集功能,模拟量输入信号优选数字信号和频率型模拟信号。目前,现场使用的矿用分站大多只可采集频率型模拟量输入信号,而不能采集数字信号的模拟量输入信号。在煤矿井下的使用过程中发现,频率型模拟量输入信号抗干扰能力较数字信号的模拟量输入信号差。笔者设计的一种高可靠性矿用分站可以解决该问题。

1 矿用分站硬件系统设计

高可靠性矿用分站的工作原理如图1所示,以LPC1754微处理器为核心,由看门狗电路、红外遥控电路、键盘与显示电路、串口扩展电路和RS485数据收发电路等组成。

1.1 LPC1754微处理器

LPC1754是一款Cortex-M3微处理器[3],适用于处理要求高度集成和低功耗的应用领域。ARM Cortex-M3是处理器下一代新生内核,它可提供系统增强型特性,例如现代化调试特性和支持更高级的块集成;其核心是基于哈佛架构的3级流水线内核,该内核集成了分支预测、单周期乘法、硬件除法等众多功能强大的特性;与执行ARM指令的ARM7TDMI-S处理器相比,其效率提高了35%;具有在系统编程(ISP)和在应用编程(IAP)功能的片上FLASH程序存储器,片内集成了128 KB的FLASH ROM、32 KB的SRAM,3个SPI控制器,具有同步、串行、全双工通信和可编程的数据长度,4个UART,带小数波特率发生功能、内部FIFO、DMA支持和RS485支持,4个32位通用定时/计数器,片内看门狗和上电复位电路,4 MHz的内部RC振荡器可在±1%的精度内调整,70个通用I/O(GPIO)管脚,带可配置的上拉/下拉电阻。基于其优越的性能和丰富的配置,本设计采用LPC1754微处理器。

1.2 看门狗电路

煤矿井下环境中的干扰大多是以窄脉冲的形式出现,造成分站出现的故障大多是“死机”、程序“跑飞”或进入“死循环”。为使程序能自动恢复,重新正常工作,一种有效的办法是采用硬件看门狗技术,即不断监视程序循环运行时间,若发现时间超过已知的循环设定时间,则认为系统进入了死循环,然后强迫程序返回到0000H入口,在0000H处安排一段出错处理程序,使系统纳入正轨。本设计中采用的看门狗芯片是美信公司生产的MAX813L,其特点是具有独立的看门狗输出功能[4]:如果看门狗输入在1.6 s内未被触发,其输出将变为高电平;低电平有效的手动复位输入;加电、掉电以及供电电压下降情况下的复位输出。这些功能可以提高分站的抗干扰性能。

1.3 红外遥控电路

常用的红外遥控接收电路多存在电路复杂、易受到干扰而误动作、较大的静态功耗等问题。本设计采用一体化红外接收头HS38B3V,它只需要少量的外围电路即可正常工作[5],可靠性高、抗干扰能力强,非常适合在煤矿井下使用。

1.4 键盘与显示电路

键盘与显示是人机交互的一个窗口,键盘输入部分直接通过按钮与微处理器的I/O相连,按钮共有4个,分别是“上页”、“下页”、“取消”和“确认”。显示部分采用12864的液晶显示屏,循环显示分站所挂接的数字传感器的实时数据和各个开关量的状态。

1.5 单路RS485数据收发电路

常用的RS485数据收发电路由3只隔离光耦、RS485收发器件和隔离电源模块组成,元器件数量较多,占用的PCB面积大,电磁兼容EMC性能差。本设计采用的是ADI公司生产的ADM2582E芯片,它是集成电源隔离、电气隔离、RS485接口芯片和总线保护器件于一体的芯片[6],具有电磁辐射EME极低和电磁抗干扰EMI极高的优点;另外,它具有过热关断特性,能够防止输出短路,并可防止温度过高时因电源的过度损耗而毁坏芯片:当芯片温度高于150℃时,它独有的热关断电路会关断驱动器输出,而当温度回到140℃时,它会自动使能驱动器输出,满足了《GB 3836.1—2000爆炸性气体环境用电气设备第1部分:通用要求》中对于I类电气设备(煤矿用电气设备)的温度要求[7];其隔离电压为2 500 V,输入/输出引脚上提供±15 kV ESD(Electro-static Discharge)保护功能,真正防故障装置的接收输入端,以及大于25 kV/μs的高共模瞬态抑制能力,非常适合在煤矿井下电磁干扰复杂环境中的产品使用。由ADM2582E组成的RS485数据收发电路如图2所示,其中TX1、RX1、RTS1引脚与LPC1754或VK3234的UART相关引脚相连。

1.6 串口扩展电路

目前市场上使用较多的串口扩展芯片是通过微处理器的串行口来扩展串口的,这样就占用了一个微处理器固有的串口。本设计采用的串口扩展芯片是摩托罗拉公司生产的VK3234芯片,它是SPI总线接口的四通道通用异步收发器[8],可独立设置每个子通道串口的波特率、字长、校验格式;采用绿色环保的无铅封装,2.5～5.5 V的宽工作电压范围,具备可配置自动休眠/唤醒功能;只需与微处理器的SPI接口桥接,节省了微处理器固有的串口。LPC1754有3个SPI接口,这样就可以扩展12个串口,再加上LPC1754固有的4个串口,本矿用分站共有16个独立的串行接口,其中,一个串口用于与上位机通信,其余的串口用于连接数字传感器,每个串口可连接的数字传感器的数量最大为64个,这样可以挂接的数字传感器的数量已经远远超出了煤矿现场使用的数字传感器的数量,完全可以满足现场需求。由VK3234组成的串口扩展电路如图3所示,SCS0为SPI片选信号,SCLK0为SPI串行时钟信号,SDIN0为SPI数据输入信号,SDOUT0为SPI数据输出信号,它们与LPC1754的SPI接口相连;TX1～TX4、RX1～RX4、RTS1～RTS4与ADM2582E相连,这样就实现了1个SPI接口扩展4个串口的目的。

1.7 I/O接口电路

在煤矿井下,矿用分站不仅要接收模拟量数字传感器的信号,同时,还要接收开关量传感器的信号和对远动开关等设备发送控制信号,当然,开关量传感器也可通过RS485总线与矿用分站通信。矿用分站与其它开关量设备通信同样采用光耦隔离方式,用于消除两者之间的干扰。

2 矿用分站软件设计

矿用分站软件设计采用C语言模块化设计,各模块之间既相互关联又相互独立,其主要功能是实现对模拟量数字传感器数据和开关量传感器数据的采集、处理、显示及发出控制命令,同时,担负着与上位机通信的任务。矿用分站与传感器通信和矿用分站与上位机通信采用高效、严密的通信协议;在数据采集部分采用了多种滤波方法相互结合的滤波手段;在使用硬件看门狗的同时,使用了微处理器自身带的软件看门狗,增强了程序的健壮性和抗干扰能力。矿用分站软件程序流程如图4所示。

3 结语

针对目前矿用分站在煤矿使用中存在的问题,设计的高可靠性矿用分站采用高集成度和低功耗的LPC1754微处理器、具有SPI接口的串口扩展芯片VK3234将微处理器和RS485接口芯片ADM2582E完美地结合起来。测试结果表明,该分站界面清晰、简洁;参数设置简单、快捷;采用数字传输的方式提高了数据采集的可靠性;通过了《AQ 6201—2006煤矿安全监控系统通用技术条件》中第4.11条规定的抗干扰性能试验,稳定性得到了很大的完善。

参考文献

[1]国家安全生产监督管理总局.AQ 6201—2006煤矿安全监控系统通用技术条件[S].北京:煤炭工业出版社,2006.

[2]中华人民共和国国家发展和改革委员会.MT/T1005—2006矿用分站[S].北京:煤炭工业出版社,2006.

[3]周立功,张华.深入浅出ARM7[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

[4]张元良,吕艳,王建军.智能仪表设计应用技术及实例[M].北京:机械工业出版社,2008.

[5]唐黎明.高级遥控电风扇的修复[J].电子制作,2008(12):9-10.

[6]何希才.常用集成电路应用实例[M].北京:电子工业出版社,2007.

[7]国家质量技术监督局.GB 3836.1—2000爆炸性环境用电气设备第1部分:通用要求[S].北京:国家标准出版社,2000.