双口RAM在多CPU小卫星综合电子计算机中的应用

结合小卫星综合电子系统可靠性、实时性及数据共享的特点,分析双口RAM芯片的特性,提出了基于双口RAM的多CPU架构星载综合电子计算机应用设计方案;设计用双口RAM实现多CPU之间高速、可靠的并行数据通信和共享,使整个系统软硬件设计简单,数据充分共享,可靠性较高;给出基于双口RAM多CPU架构综合电子计算机的应用实例和实验分析,实验结果表明,该系统运行稳定可靠,具有很高的实时性和数据处理能力。     

基于国产网络设备的火箭地面测发控网络平台设计

高可靠的测试网络作为运载火箭远距离测发控的基础平台,是实现运载火箭地面远距离测试发控的重要技术保障。通过对运载火箭地面测发控网络架构深入研究,采用国产商用网络设备搭建原型平台、开展原理性验证试验,经过反复试验,不断改进技术方案,解决了冗余热备网络协议选用、冗余故障切换、故障切换实时性、网络可靠性等技术难题,提出了基于国产化设备的网络架构设计方案。对网络架构的工作原理、可靠性、实时性、安全性进行了详细分析。建立的国产化高可靠网络架构,不仅能够应对复杂的火箭测试现场,使网络平台具有更好的可靠性、实时性、扩展性和灵活性,更进一步提高了网络的安全性。设计的国产化网络平台架构可用于运载火箭地面测发控网络使用。     

三余度飞控系统余度管理算法设计与研究

为了提高无人机飞行控制系统的可靠性,针对样例飞行控制计算机分布式架构的特点设计了余度管理策略。针对多CPU同步困难及同步后的积累性时漂误差问题,通过任务同步算法和简化版的TPSN同步算法相结合实现了各CPU之间的时间同步,有效地降低了时漂带来的影响,同步精度可达到0.1毫秒以内。采用基于“距离”的封装表决算法完成三余度决策输出功能,降低了开发的难度,减少了传统方式的代码冗余。采用系统重构策略对故障CPU进行管理,通过系统降级与故障恢复提高系统可靠度。最后对关键环节进行了功能测试,测试结果表明各环节可达到功能和指标要求,验证了所提出的余度管理策略的合理性和有效性。     

基于拜占庭故障模式的空天飞行器GNC系统架构研究

针对空天飞行器对GNC系统的高可靠性需求,开展了基于拜占庭故障模式的GNC系统架构研究,采用四机三总线架构设计方案,通过系统内总线实现输入数据及输出数据多机冗余比对,防止拜占庭故障的发生,提升了系统可靠性,实现了系统自检测和故障的准确定位及隔离,并具有在线故障诊断、故障自修复功能,同时解决了高动态、强干扰环境下系统自主性较差的问题,提升了GNC系统可靠性和容错性;经分析,该系统架构能够满足空天飞行器在轨、再入复杂任务需求。     

提升R-OTDR系统实时性能方法研究

针对长距离分布式拉曼测温系统(R-OTDR)中数据量大影响系统实时性的问题,提出通过并行运算实现高次累加平均算法提高系统信噪比和系统实时性能的方法。采用中央处理器(CPU)与图形处理器(GPU)协同合作的方式来提高系统的数据处理速度。传感数据由CPU控制数据采集端读取,然后使用累加平均算法对传感数据进行去噪。在统一计算设备架构(CUDA)中,通过调用GPU上的kernel函数对累加平均算法次数进行多线程分配,以10线程的模式进行并行运算以提高数据处理速度。实验结果表明,在10km传感距离下,相比于原系统30000次累加平均算法,采用50000次累加平均算法使系统测量误差由±1.1℃降至±0.5℃,并且采用CPU和GPU协同合作的方式使50000次累加平均算法的运算时间由3890ms降至1.472ms,提升了系统实时性能。     

一种高可靠宇航控制器设计及可靠性评估

将8051、存储器等IP核集成在FPGA内部, 可实现宇航控制器高可靠、小型化的应用需求。但FPGA在空间环境中容易发生单粒子翻转事件（SEU）,影响系统正常功能,常采用在FPGA内部进行三模冗余（TMR）设计。针对三模冗余系统无法纠正配置区中发生的SEU故障,提出了一种采用三模冗余架构并对FPGA配置区域进行刷新重载的解决方案,同时采用马尔可夫模型对该设计方案进行了可靠性评估和仿真。结果表明,采用该设计架构的宇航控制器具有较高的可靠性与安全性,可实现飞行器的长期稳定运行。     

基于统一计算设备架构的干涉成像光谱快速反演技术研究

在基于干涉光谱成像的气体成分实时遥测应用中,为了对推扫获取的原始干涉数据进行快速、有效的反演处理,提出一种结合计算统一设备架构（CUDA）的并行时空混合调制型长波红外干涉光谱反演算法。通过分析自主研制的时空混合调制型干涉光谱仪的数据获取模式,结合CUDA平台实现了并行反演算法。实验结果表明,基于CUDA平台的并行计算技术比仅使用CPU进行计算在效率上提升了5至20倍,为后期进一步做光谱识别打下了基础。     

冗余技术提高PLC控制系统可靠性的研究

针对工业现场对PLC控制系统可靠性提出更高的要求,提出利用冗余技术提高其可靠性。分析了硬件冗余和软件冗余在PLC控制系统中的应用,详细阐述了PLC控制器、输入输出口、通讯网络和电源各自的冗余方法,并着重以西门子300/400系列PLC为例进行了软硬件冗余的架构和原理分析。最后对冗余控制系统的可靠性进行分析,结果表明,使用冗余技术可使PLC控制系统的可靠性得到明显提高。     

船载测控雷达测角计算机双机自动切换技术研究

测角计算机虽然采用了冗余设计,但是主备机切换需要通过人工手动实现,难以满足系统实时性要求。针对这种情况,分析了主备机切换的工作任务,确定了主备机自动切换的时机为系统故障和通信中断,利用测角计算机双网通信的特点,在发送的网络数据包中添加故障状态字,并修改网络发数时序,完成主备机故障状态上报从而实现双机自动切换。该方法无需硬件改动,实现过程简单,切换过程仅丢失1帧数据,极大提高了系统可靠性。     

基于ATCA架构的加固服务器主模块设计技术

为了解决传统加固服务器主模块可靠性差和稳定性差的问题,提出了一种基于ATCA架构的加固主模块设计方法;该方法包括了基于冗余-48V的高性能服务器处理器供电电路设计技术、基于ECC校验的DDR2高带宽数据存储电路设计技术、基于SATA的高速存储技术等关键技术;经过了大量的测试和试验验证,该种新型的加固服务器主模块能够在恶劣环境下稳定运行,可靠性和稳定性都有了很大的提升。     

基于布尔偏振编码逻辑代数的高效冗余二进制加法的光学实现

冗余二进制法适合数字光学混合计算机.利用该法可以在常数时间内实现无进位的并行算数和,并建立内在的并行算数单元.本文在分析该方法的基础上,利用布尔偏振编码逻辑代数设计了高效光学冗余二进制加法操作系统.     

双模冗余器载计算机设计与实现

器载计算机是航天器电气系统的重要组成部分,其可靠性对航天器能否完成任务至关重要。为了保证航天器上计算机在出现故障时仍能正常工作,对双机冗余器载计算机的体系结构、切换策略、判别准则等内容进行了研究,在保留主份机与双机切换电路、备份机与双机切换电路之间的状态工作信号的基础上,通过在主份机、备份机之间新增加一个状态工作信号,提出了一种改进的自主切换策略。实践表明,运用改进的自主切换策略,在双机切换电路中的自主切换模块出现故障时仍能实现自主切换,同时将比较器设计为软件,采用软件表决、软件选通的思路,消除了硬件比较器的关键单点故障,这些容错设计改进能有效地提高器载计算机系统的可靠性,对高可靠器载计算机设计与实现具有较好的工程参考意义。     

网络计算机模型下海量大数据存储系统设计

对网络计算机模型下海量大数据进行安全稳定的存储,可以提高网络计算机的使用价值,增加其使用周期。但目前的海量大数据存储方法在存储过程中,无法做到对其进行灵活高效的存储,存在大数据存储分布密度较低,存储开销较大等问题。为此,以网络计算机模型体系结构为基础,提出了一种基于ARM的海量大数据存储系统设计方法。该设计方法先利用ARM芯片对网络计算机模型下海量大数据存储系统进行硬件构造,将网络海量大数据中的可利用与不可利用数据进行分类处理,采用VISA结构根据数据分类结果对大数据存储系统软件部分进行设计,依据大数据调度模型和存储相似度特征对大数据存储的时间,质量等方面进行计算,利用计算结果对大数据传输的阈值以及分布密度进行记录,最后根据循环分段的计算方式进行冗余大数据特性压缩,并对海量大数据的常规数据和冗余数据进行存储。实验仿真证明,所提方法提高了海量大数据存储的兼容性,增强了大数据存储的精确性和灵活性。     

多模冗余可重构计算机可靠性研究

为了以最小代价提高多模可重构计算机的可靠性,需要结合系统体积功耗等因素,对不同计算机体系结构的可靠性进行评估。首先,针对三模冗余、三热一冷以及四模热备这几种不同冗余可重构计算机体系结构,给出了他们的故障状态转移图。其次,运用马尔可夫模型理论,对这些计算机结构进行可靠性建模。第三,根据上述三种系统的可靠性模型,在考虑失效率和维修率两个参数对系统可靠性影响的情况下,对各结构的可靠性指标进行了评价。结果表明,三热一冷的可靠性大于三模冗余,而小于四模热备。但综合考虑系统的可靠度、体积、功耗等因素后,在这几种形式的表决系统中,三热一冷是最优的。同时,设计完善的三模可重构系统可靠度会比一个设计不合理的四模可重构系统要高。     

一种光电混合SIMD型计算机(OEHSC)系统结构及其算法的设计

本文基于光计算机结构和算法必须以“门”一级并行为基础的观点，提出了可实现性能较好的光电混合ＳＩＭＤ型计算机的结构和以位平面数据表示为基础的并行算法。通过性能分析，证明了光计算机计算能力的潜力及光电混合系统的有效性     

Parallel-vector algorithms for particle simulations on shared-memory multiprocessors

Over the last few decades, the computational demands of massive particle-based simulations for both scientific and industrial purposes have been continuously increasing. Hence, considerable efforts are being made to develop parallel computing techniques on various platforms. In such simulations, particles freely move within a given space, and so on a distributed-memory system, load balancing, i.e., assigning an equal number of particles to each processor, is not guaranteed. However, shared-memory systems achieve better load balancing for particle models, but suffer from the intrinsic drawback of memory access competition, particularly during (1) paring of contact candidates from among neighboring particles and (2) force summation for each particle. Here, novel algorithms are proposed to overcome these two problems. For the first problem, the key is a pre-conditioning process during which particle labels are sorted by a cell label in the domain to which the particles belong. Then, a list of contact candidates is constructed by pairing the sorted particle labels. For the latter problem, a table comprising the list indexes of the contact candidate pairs is created and used to sum the contact forces acting on each particle for all contacts according to Newton’s third law. With just these methods, memory access competition is avoided without additional redundant procedures. The parallel efficiency and compatibility of these two algorithms were evaluated in discrete element method (DEM) simulations on four types of shared-memory parallel computers: a multicore multiprocessor computer, scalar supercomputer, vector supercomputer, and graphics processing unit. The computational efficiency of a DEM code was found to be drastically improved with our algorithms on all but the scalar supercomputer. Thus, the developed parallel algorithms are useful on shared-memory parallel computers with sufficient memory bandwidth.     

An improved algorithm and its parallel implementation for solving a general blood-tissue transport and metabolism model

Fast algorithms for simulating mathematical models of coupled blood-tissue transport and metabolism are critical for the analysis of data on transport and reaction in tissues. Here, by combining the method of characteristics with the standard grid discretization technique, a novel algorithm is introduced for solving a general blood-tissue transport and metabolism model governed by a large system of one-dimensional semilinear first order partial differential equations. The key part of the algorithm is to approximate the model as a group of independent ordinary differential equation (ODE) systems such that each ODE system has the same size as the model and can be integrated independently. Thus the method can be easily implemented in parallel on a large-scale multiprocessor computer. The accuracy of the algorithm is demonstrated for solving a simple blood-tissue exchange model introduced by Sangren and Sheppard [W.C. Sangren, C.W. Sheppard, A mathematical derivation of the exchange of a labeled substance between a liquid flowing in a vessel and an external compartment, Bull. Math. Biophys. 15 (1953) 387–394], which has an analytical solution. Numerical experiments made on a distributed-memory parallel computer (an HP Linux cluster) and a shared-memory parallel computer (a SGI Origin 2000) demonstrate the parallel efficiency of the algorithm.     

基于FPGA的红外焦平面信息获取系统设计

基于红外焦平面探测器的红外遥感技术是实现多通道和高空间分辨率的重要手段,而随着焦平面探测器中探测单元的增加探测数据也急剧增加,研究基于FPGA的高速并行处理技术对解决红外探测领域多通道高速信息获取有重要意义。以FPGA作为控制器件,设计了16通道,数字分辨率为16bit的ADC采集方案,实现对32×32元的红外焦平面探测器数据并行获取,并设计了数据宽度为16bit的数据输出接口,用来完成采样数据的上传功能。实验结果表明该方案设计简洁,数据上传速度控制灵活,可以满足焦平面探测器的信号获取与传输。     

基于RFM的机载余度计算机软件快速测试平台

现代飞机普遍采用电传飞行控制系统,飞行控制计算机是该系统的核心。为了提升飞控计算机的可靠性,普遍采用余度技术构建余度飞控计算机,该计算机由多个通道构成,每个通道有一个CPU,互相构成备份。但是,这给飞控计算机的软件调试和测试带来的巨大的困难,因为各个通道的机载软件之间相互同步、通信和交叉监控,必须并行调试和测试,这就造成了机载软件调试和测试的滞后,必须等待真实的飞控计算机开发出来之后才能开展工作。本文提出了一种基于RFM(反射内存)的余度计算机快速原型测试平台设计方法。该平台使用商用货架产品构成余度计算机的多个冗余通道,使用RFM模拟多通道间的通信、同步过程,通过对底层驱动封装实现硬件故障模拟和余度功能模拟,方便实现软件调试和从性能、功能测试,大大提高了开发效率,减少了研制周期。     

并行多处理机系统中的光纤互连网络的设计与实现

在并行多处理机系统中应用光纤互连网络完成处理单元之间的数据交换,可以极大地提高系统中数据通信的速率、带宽、抗干扰性和准确可靠性.本文详细阐述了并行多处理机系统的体系结构、实现方法、性能分析和实验结果.