一種雙雙余度的匯流條功率控制裝置的設(shè)計(jì)與研究

摘

要：匯流條功率控制裝置（BusPowerControlUnit，BPCU）是飛機(jī)供電系統(tǒng)的控制核心，它的可靠運(yùn)行直接影響整個系統(tǒng)。為保證匯流條功率控制裝置的任務(wù)可靠性，采用分布式容錯技術(shù)，結(jié)合以往任務(wù)中積累的雙余度的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種雙雙余度的匯流條功率控制裝置，并介紹了其軟、硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：匯流條功率控制裝置；供電系統(tǒng)；余度；通道控制邏輯；硬件同步0

引言匯流條功率控制裝置是飛機(jī)供電控制管理系統(tǒng)的重要組成部分[1]，主要用于實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)交直流供電系統(tǒng)進(jìn)行控制、管理和狀態(tài)監(jiān)測[2-3]。為了提高匯流條功率控制裝置實(shí)時運(yùn)行的可靠性[4]，本文設(shè)計(jì)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(diǎn)機(jī)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(jī)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，這些數(shù)字式設(shè)備通過電氣總線實(shí)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(jī)電管理總線實(shí)現(xiàn)與機(jī)電綜合管理系統(tǒng)（機(jī)電綜合管理計(jì)算機(jī)、各個機(jī)電系統(tǒng)控制管理計(jì)算機(jī)）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(jī)左側(cè)，BPCU2為備份，位于飛機(jī)右側(cè)。BPCU通過CAN總線與機(jī)電綜合管理系統(tǒng)實(shí)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(shí)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(jì)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(yàn)，采用分布式容錯技術(shù)，設(shè)計(jì)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(diǎn)機(jī)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(jī)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(jì)，每臺BPCU可獨(dú)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，BPCU2處于熱備份狀態(tài)，當(dāng)BPCU1的控制權(quán)失效后，由BPCU2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(dāng)A通道故障時，在本機(jī)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(jì)為了保證兩通道在進(jìn)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(jì)。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(jì)一個硬件同步指示器。硬件同步指示器示意圖如圖2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2向?qū)Ψ酵ǖ腊l(fā)送同步命令（TTL電平），再分別通過硬線2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(jìn)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)鬏旀溌罚–CDL），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(shí)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-422總線實(shí)現(xiàn)，A、B通道分別將各自的傳輸信息通過一路RS-422總線發(fā)送，并通過另一路RS-422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(diǎn)機(jī)、四個通道之間的實(shí)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(jìn)行互換。通道控制邏輯的設(shè)計(jì)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)；（2）上電后，默認(rèn)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(jī)A通道切換到左機(jī)B通道，由左機(jī)B通道切換到右機(jī)A通道，由右機(jī)A通道切換到右機(jī)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(jì)方法降低了切換邏輯的復(fù)雜性。JIDIANXINXI3

匯流條功率控制裝置的硬件實(shí)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(jìn)行信息交換完成解算、控制等任務(wù)，實(shí)現(xiàn)BPCU與上位機(jī)和下位機(jī)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PCI總線進(jìn)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）BIT檢測；（5）實(shí)現(xiàn)與機(jī)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(hù)接口；（8）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄和讀取功能?；宓闹饕δ埽海?）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(shí)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(jī)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(jìn)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、0～10kΩ電阻輸入采集電路、PWM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28V（18～32V）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(fù)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(hù)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+5V/4A、±15V/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(shí)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(hù)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(shí)時操作系統(tǒng)。實(shí)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(shí)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(jìn)制信號量、互斥信號量、消息隊(duì)列、系統(tǒng)時鐘、輔助時鐘支持能力及可剪裁能力。當(dāng)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)。4.1.2

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IO驅(qū)動程序、總線驅(qū)動程序、NVSRAM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(yùn)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?.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。4.1.6

BITBIT測試是對自身資源進(jìn)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(hù)性，減少維修時間和費(fèi)用[5]。BIT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。BIT有三種，包括周期BIT（PBIT）、加電BIT（PUBIT）、啟動BIT（IBIT）。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TornadoⅡ嵌入式集成開發(fā)平臺，高速PC機(jī)作為宿主機(jī)，通過串行通道對匯流條功率控制裝置進(jìn)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(biāo)機(jī)程序和宿主機(jī)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(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)上，提供友好的人機(jī)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(biāo)機(jī)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(biāo)機(jī)程序和宿主機(jī)程序構(gòu)成，用于在