引言

匯流條功率控制裝置是飛機供電控制管理系統(tǒng)的重要組成部分,主要用于實現(xiàn)對飛機交直流供電系統(tǒng)進行控制、管理和狀態(tài)監(jiān)測。為了提高匯流條功率控制裝置實時運行的可靠性,本文設(shè)計了一種雙雙余度的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),通過雙通道互為冗余及兩節(jié)點機互為冗余,使設(shè)備某部分資源出現(xiàn)故障時仍可以正常工作,從而降低系統(tǒng)崩潰的概率,有效提高飛機的作戰(zhàn)能力和安全性。

1供電控制管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

供電控制管理系統(tǒng)是由電源系統(tǒng)的各個控制裝置和配電系統(tǒng)的各個控制裝置組成的一個分布式計算機網(wǎng)絡(luò),這些數(shù)字式設(shè)備通過電氣總線實現(xiàn)信息交聯(lián),完成供電系統(tǒng)的信息綜合處理,并通過機電管理總線實現(xiàn)與機電綜合管理系統(tǒng)(機電綜合管理計算機、各個機電系統(tǒng)控制管理計算機)交聯(lián)。

供電控制管理系統(tǒng)中設(shè)置有2臺匯流條功率控制裝置(BPCU)、12臺電源系統(tǒng)控制裝置、7臺一次配電控制裝置(PPDU)。

兩臺匯流條功率控制裝置為主備工作方式,分別為BPCU1和BPCU2,其中BPCU1為主BPCU,位于飛機左側(cè),BPCU2為備份,位于飛機右側(cè)。BPCU通過CAN總線與機電綜合管理系統(tǒng)實現(xiàn)信息交聯(lián),通過CAN總線及HB6096總線與電源系統(tǒng)控制裝置、一次配電控制裝置實現(xiàn)信息交聯(lián)。BPCU系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系圖如圖1所示。

2匯流條功率控制裝置雙雙余度的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1雙雙余度的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

BPCU是供電系統(tǒng)的控制核心,為保證BPCU的任務(wù)可靠性,通過對供電控制管理系統(tǒng)的構(gòu)型分析,并結(jié)合以往任務(wù)中積累的雙余度的技術(shù)經(jīng)驗,采用分布式容錯技術(shù),設(shè)計了一種雙雙余度的BPCU系統(tǒng)結(jié)構(gòu),通過雙通道互為冗余及兩節(jié)點機互為冗余,使設(shè)備某部分資源出現(xiàn)故障時仍可以正常工作,從而降低系統(tǒng)崩潰的概率,有效提高飛機的作戰(zhàn)能力和安全性。

每套供電控制管理系統(tǒng)設(shè)置兩臺BPCU,分別為BPCU1、BPCU2,兩臺BPCU采用同構(gòu)型設(shè)計,每臺BPCU可獨立完成全部功能。

兩臺BPCU為主備工作模式,正常工作時由BPCU1控制輸出,BPCU3處于熱備份狀態(tài),當BPCU1的控制權(quán)失效后,由BPCU3控制輸出。

每臺BPCU內(nèi)部為雙余度配置,分為A、B兩個通道,兩通道為主備工作模式,正常工作時,由A通道控制輸出,B通道處于熱備份狀態(tài):當A通道故障時,在本機控制權(quán)有效的情況下,由B通道控制輸出。

2.2AB通道間的同步設(shè)計

為了保證兩通道在進行比較、表決時所使用的數(shù)據(jù)是同一時刻采到的數(shù)據(jù),必須采用同步設(shè)計。

BPCU雙通道間的同步,采用軟/硬結(jié)合的雙握手同步算法,每個通道設(shè)計一個硬件同步指示器。

硬件同步指示器示意圖如圖3所示。

BPCU采用雙握手同步方式,即A通道和B通道分別通過硬線1和硬線3向?qū)Ψ酵ǖ腊l(fā)送同步命令(TTL電平),再分別通過硬線3和硬線1接收規(guī)定的應(yīng)答信號,若發(fā)送與接收一致,則同步成功,該操作連續(xù)進行兩次(本通道寫1,讀另一個通道的1:本通道寫0,讀另一個通道的0)。采用兩次握手可以解決同步指示器的恒"0"和恒"1"故障。

2.3AB通道間數(shù)據(jù)傳輸

在A、B通道之間建立數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏旀溌?CCDL),用于A、B通道之間傳輸信息(包括輸入/輸出信息、狀態(tài)信息等),實現(xiàn)兩通道之間的信息共享。A、B通道間的交叉?zhèn)鬏旀溌肥褂脙陕稲s-433總線實現(xiàn),A、B通道分別將各自的傳輸信息通過一路Rs-433總線發(fā)送,并通過另一路Rs-433總線接收對方的傳輸信息。

2.4通道控制邏輯

通道控制邏輯用于兩臺節(jié)點機、四個通道之間的實時切換,切換的依據(jù)來自于軟硬件自監(jiān)控的結(jié)果。每個模塊的通道控制邏輯具有一致性,保證了各通道相同功能的模塊可進行互換。通道控制邏輯的設(shè)計應(yīng)滿足如下要求:

(1)任何時刻,只有一個通道控制輸出,其余通道處于熱備份狀態(tài):

(3)上電后,默認由BPCU1的A通道控制輸出,通道控制權(quán)的轉(zhuǎn)換順序如圖3所示,由左機A通道切換到左機B通道,由左機B通道切換到右機A通道,由右機A通道切換到右機B通道:

(3)工作過程中,某通道故障后自鎖,不再獲得控制權(quán),由其他通道接管控制權(quán),通道的切換是單向性的,這樣的設(shè)計方法降低了切換邏輯的復(fù)雜性。

3匯流條功率控制裝置的硬件實現(xiàn)

3.1處理器模塊

處理器模塊采用微處理器PowerPC8245完成對BPCU的控制與管理,并與其他模塊進行信息交換完成解算、控制等任務(wù),實現(xiàn)BPCU與上位機和下位機的通信功能,以及完成BPCU的數(shù)據(jù)記錄功能。

處理器模塊由基板、PPC8245子卡及CAN子卡組成,基板部分、PPC8245子卡、CAN子卡之間通過PC1總線進行信息交聯(lián)。

PPC8245子卡的主要功能:(1)提供匯流條功率控制裝置工作的系統(tǒng)時鐘:(2)提供中斷處理、存儲器的讀寫、定時器控制:(3)系統(tǒng)和看門狗復(fù)位:(4)B1T檢測:(5)實現(xiàn)與機電綜合管理系統(tǒng)的通信功能:(6)提供與其他模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸通路:(7)提供地面維護接口:(8)實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄和讀取功能。

基板的主要功能:(1)離散量輸入的采集:(2)離散量輸出的控制:(3)通道控制邏輯的實現(xiàn):(4)雙通道間的數(shù)據(jù)傳輸:(5)提供HB6096總線通信接口:(6)具備BIT功能電路。

CAN子卡的主要功能:提供BPCU與機電綜合管理系統(tǒng)的信息交互能力。

處理器模塊的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

3.2通用接口輸入/輸出模塊

通用接口輸入/輸出模塊主要用于BPCU外部連接各電氣接口進行調(diào)理和匹配。

通用接口輸入/輸出模塊功能組成主要包括PT1000模擬量輸入采集電路、0~10kQ電阻輸入采集電路、Pkw輸出驅(qū)動電路、BIT支持電路等。通用接口輸入/輸出模塊的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

3.3電源模塊

電源模塊由兩個完全相同的電源通道組成,每個通道由正常直流匯流條和應(yīng)急直流匯流條供電,通過二極管在每個通道內(nèi)部匯流。這兩種電源任一路輸入BPCU時,BPCU應(yīng)能正常工作。電源模塊根據(jù)直流52v(12~35v)輸入電壓變換系統(tǒng)所需的直流輸出電壓,同時要保證電源的電壓穩(wěn)定度、負載穩(wěn)定度、紋波電壓Vp-p的范圍和效率,還要具有過壓、過流和瞬間短路保護的功能,故障排除后輸出自動恢復(fù)正常工作。電源模塊直流輸出+Mv/4A、士1Mv/1A。電源模塊的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

4匯流條功率控制裝置的軟件實現(xiàn)

BPCU軟件由系統(tǒng)軟件和地面支持軟件組成。系統(tǒng)軟件是核心程序,由操作系統(tǒng)軟件、周期任務(wù)管理軟件、設(shè)備驅(qū)動軟件、余度管理軟件、數(shù)據(jù)接口管理軟件和BIT軟件等組成。地面支持軟件為軟件開發(fā)系統(tǒng)維護提供平臺。

4.1系統(tǒng)軟件

4.1.1操作系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)需要,BPCU操作系統(tǒng)選用嵌入式實時操作系統(tǒng)。實時操作系統(tǒng)是BPCU的基本執(zhí)行軟件,管理著系統(tǒng)中應(yīng)用軟件的工作過程和任務(wù)的執(zhí)行順序,具有快速實時響應(yīng)、異常/看門狗處理、多任務(wù)調(diào)度、動態(tài)存儲器管理、二進制信號量、互斥信號量、消息隊列、系統(tǒng)時鐘、輔助時鐘支持能力及可剪裁能力。當BPCU硬件發(fā)生變化,系統(tǒng)可通過板級支持包BsP或增、減、修改相應(yīng)的驅(qū)動程序,即可生成新的操作系統(tǒng)。

4.1.5周期任務(wù)管理

周期任務(wù)調(diào)度支持多個周期任務(wù)的調(diào)度,應(yīng)用必須保證周期小的任務(wù),在創(chuàng)建時賦予較高的優(yōu)先級。周期任務(wù)調(diào)度提供周期任務(wù)初始化、周期任務(wù)創(chuàng)建、周期任務(wù)結(jié)束、周期任務(wù)停止、周期任務(wù)重新啟動、周期任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行、周期任務(wù)的刪除等功能。

4.1.3設(shè)備驅(qū)動

設(shè)備驅(qū)動程序包含I0驅(qū)動程序、總線驅(qū)動程序、NvsRAw驅(qū)動程序、看門狗驅(qū)動程序。

4.1.4余度管理

BPCU余度管理軟件向應(yīng)用軟件提供的運行支持模塊包括同步、數(shù)據(jù)比較監(jiān)控、數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏敗?

4.1.5數(shù)據(jù)接口管理

數(shù)據(jù)接口管理是底層驅(qū)動和應(yīng)用程序之間的接口管理,主要完成的功能是在一個周期任務(wù)中調(diào)用離散量輸入驅(qū)動、模擬量輸入驅(qū)動,將離散量輸入和模擬量輸入采集值輸入到數(shù)據(jù)接口表中,并提供應(yīng)用程序調(diào)用該采集值:同時數(shù)據(jù)接口表接收來自應(yīng)用程序的離散量輸出值,并通過調(diào)用離散量輸出驅(qū)動將離散量輸出到外部子系統(tǒng)中。

4.1.6B1T

B1T測試是對自身資源進行檢測,它可極大地提高系統(tǒng)的可測試性、可靠性和可維護性,減少維修時間和費用[5]。B1T測試的內(nèi)容包括:CPU測試、存儲器測試(RAM、NVRAM、FLAsH)、中斷測試、看門狗測試、定時器測試、串口測試、總線測試及離散量和狀態(tài)量輸入激勵測試等。B1T有三種,包括周期B1T(PB1T)、加電B1T(PUB1T)、啟動B1T(1B1T)。

4.2地面支持軟件

4.2.1軟件開發(fā)環(huán)境

軟件開發(fā)環(huán)境的選擇對軟件的調(diào)試及開發(fā)效率具有重要作用。BPCU系統(tǒng)軟件開發(fā)采用Toornaod嵌入式集成開發(fā)平臺,高速PC機作為宿主機,通過串行通道對匯流條功率控制裝置進行軟件加載和硬件調(diào)試。

4.2.2程序在板編程

BPCU的在板編程由目標機程序和宿主機程序構(gòu)成,用于在地面狀態(tài)下完成BPCU的軟件升級。在線編程工具需提供通過串口向DsP模塊的FLAsH存儲器編程的功能。在線編程工具運行在wiraows操作系統(tǒng)上,提供友好的人機界面,供用戶選擇需要編程的文件和要編程的FLAsH存儲器的起始地址,然后通過串口向目標機發(fā)送數(shù)據(jù)。

4.2.3數(shù)據(jù)下載

數(shù)據(jù)下載由目標機程序和宿主機程序構(gòu)成,用于在地面開發(fā)狀態(tài)將在NVsRAM中的數(shù)據(jù)記錄讀出,并記錄到文件中,供地面維護人員使用。

5結(jié)語

本文介紹了一種雙雙余度的匯流條功率控制裝置的設(shè)計與實現(xiàn),通過雙通道互為冗余及兩節(jié)點機互為冗余,使設(shè)備某部分資源出現(xiàn)故障時仍可以正常工作,從而降低系統(tǒng)崩潰的概率,有效提高飛機的作戰(zhàn)能力和安全性。目前,該型匯流條功率控制裝置已通過了多項試驗驗證,在試驗過程中,匯流條功率控制裝置工作穩(wěn)定、可靠,其功能和性能均達到了預(yù)期的設(shè)計要求。