先进飞机电气系统测控平台

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欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 现代微机测控技术已经深入到生产、生活的各个方面[1]。随着发展的需要，在实际应用中要求采集并处理的信息量越来越大，对信息的采集处理手段也提出了更高的要求。实现对信息量的实时、准确获取并进行合理的处理，使结果成为系统发送控制信号的真实依据是控制系统设计的一个重要方面。在飞机电气系统中，对信息获取的实时与可靠性要求尤为突出。随着航空技术的迅速发展，飞机性能有了大幅度提高，用电设备迅速增加，电源功率不断提高，原有配电方式正逐步被先进飞机配电系统所取代。 实现不中断供电和容错供电，提高供电系统的可靠性、维护性、灵活性，对于提高飞机的整体性能非常重要。因而，提高先进飞机电气系统可靠性研究也成为研究的重点之一。尤其对于发展中的多电飞机来说，其电气系统的质量和可靠性是决定飞机能否顺利完成飞行任务的基本条件之一。在此形势下，为飞机电气系统配备一个高度可靠的、容错的和自动控制的测控系统也显得十分重要。 设计思想 完成针对具体应用对象的相关系统设计，不但要求对具体的应用对象有详尽的了解，还要能够合理地将相关方面的先进技术和理论结合到一起，来满足系统设计的需要。 我们研究设计了专用于先进飞机电气系统的系列典型测控平台，用来监控整个电气系统的工作，保证在发生异常问题时能够将相关的信息及时地反馈给上位机，以便系统能够实时、准确地采取相应的措施，来保障基本的飞行安全。 在具体设计中，采用平台的理念，结合标准化、模块化的设计思想及网络化的管理思想，合理采用内存数据库，从软件和硬件等方面着手来使整个系统具有足够的实时性和可靠性。 1 先进飞机电气系统 现代的先进飞机电气系统主要是由3部分组成的，包括电源系统处理器（PSP）、电气负载管理中心(ELMC)和远置终端(RT)[2]。在现代先进飞机电气系统中，ELMC负责局部负载的管理和控制，监控该中心内的汇流条电压，统计SSPC的电流值，控制SSPC，并具有一定的自检测能力；PSP监控整个供电系统的布局，实现负载自动管理，从而提高战斗受损后的生存能力；远置终端RT则根据供电系统处理机的指令完成一定的负载管理功能。另外，图中GCU为发电机控制器，主要负责对发电机的控制。在改进研究的过程中，考虑到其功能的独特性和独有的针对性，对该控制部分的功能进行了保留设计。 这种方式把分散和集中控制结合起来，称为集散式控制，各个工作单元既可以独立完成任务，工作单元之间又可通过数据总线传递各种信息，从而协调工作，以完成系统的整体功能和优化处理。该系统通用性强，组态灵活，控制功能完善，数据处理方便，显示操作集中，安装简单规范，调试方便，运行安全可靠。电气数据总线采用MIL-STD-1553B总线。 2 平台的理念 平台的基本特点是简捷性、智能性和实用性，同时具有良好的通用性和可扩展性。作为本次的设计对象，对平台的基本要求是控制精度高，实时性好，结构灵活，可以随时增减被控对象，实时控制任务、通信、数据存储、传送控制参数、接收数据等。具体来说，就是在硬件连线上采用便于安装和易于扩展的结构，在软件上采用模块化结构，以便于程序的调试、优化，对于不同的被控对象，只需要对硬件和软件做少量的修改，而总体结构不变，就可以完成对不同设备的控制。 3 标准化、模块化设计 在现代飞机设计中，一般要求供电系统给负载供电的可靠性要比负载本身的可靠性高100倍。关键飞行负载的可靠性由飞行控制系统的要求来决定，飞行控制系统是关键飞行系统的最大组成部分。MIL-F-9490D指出飞行控制系统故障引起战斗机失事的概率是1×10-5。25%的飞行控制故障由液压动力引起，12.5%由机械作动系统引起，62.5%由电气控制部件引起。给关键任务负载供电的可靠性要求是：供电可靠性应比负载的可靠性高100倍。引起飞机电子系统故障的原因有：一是电子系统本身的故障，二是供电系统的故障。可见，在导致飞机故障的众多原因中，飞机供电系统的可靠性占了相当大一部分比例。 鉴于此，设计高性能的先进飞机电气系统测控平台对飞机电气系统中相关的信息进行检测和管理，最大限度地提高飞机电气系统的可靠性是提高整个飞机系统可靠性的一项核心工作。在具体的系统设计中采用标准化、模块化的设计思想，可以大大提高系统的可靠性。 4 网络化管理思想 网络化管理对于现代控制系统来说是可靠性管理的新模式。“网络化”管理的要点是：实施并行工程。尤其在产品研发过程中的可靠性判决点上，即网络结点上，进行严格评审；加强信息传递与管理。网络化管理能够有效运转的关键在于信息的沟通和快速传递；实施制度化和规范化管理。 在系统设计中采用网络化的管理思想，就能够在负载大量增加的地方根据具体需求直接在相邻的总线上挂接相应的功能单元，以完成对新增加负载的可靠规范的控制和管理。 5 系统研究、设计目标 本设计要完成的任务是结合测控技术的发展、平台的特点、电气系统的特点以及国内外发展现状和趋势，根据各类具体的任务以及任务在整个电气系统中的分布情况，实现对系统结构的重新划分与规整，本设计应用于先进飞机电气系统的几类测控平台，作为改进系统中的通用终端模块，通过这些测控平台的相互协作来完成先进飞机电气系统的所有功能。要求设计的测控平台一方面能够实现系统的检测和控制功能，另一方面在性能上要有很大的提高，以保证系统的高可靠性、实时性以及可扩展性，满足飞机电气系统当前的需求及先进飞机电气系统不断发展的需要。 典型的测控平台 1 测控平台的结构 测控平台对具体对象的操作分别是通过不同的功能单元模块来直接完成的。具体工作过程中，采集到的各类信息须通过一定的渠道上传给上位机知道，而上位机所给出的对应的控制信息也必须通过相应的渠道下传至平台中具体的功能单元。保证这两种信息的及时、可靠传递是整个系统实时、可靠地工作的前提，所以系统的通信任务的设计是系统功能的重要组成部分。在具体的实现过程中，所有信息的上传和下达是通过一个专门的通信管理模块来完成的。 测控平台与上级处理机之间的信息传递是通过专用的飞机系统总线1553B来实现的，而平台的内部则根据具体的需要，采用了具有突出的可靠性、实时性和灵活性的CAN总线来实现。 2 测控平台的类型 测控平台的类型划分是依据系统的具体功能要求来进行的。在先进飞机电气系统中，主要完成的工作包括对大量的模拟量和开关量进行检测和控制。模拟量信号的类型相对较多，而开关量的数量则非常大。所以，在实际设计中，应包括专门用于开关量采集和控制的测控平台、不同类型的模拟量检测和控制平台以及一些综合性的测控平台。 3 测控平台的软硬件设计理念 在完成测控平台的整体设计布局及具体分类之后，可针对不同类型的平台选择合适的软硬件资源进行具体设计。对于完成大量的模拟量和开关量检测和控制的平台，根据其特点可选择性价比高且性能先进的DSP（数字信号处理器）[3]；而对应的软件系统在研究阶段，可采用实时操作系统μC/OS-II，该嵌入式系统具有免费公开源代码、结构小巧、有可剥夺实时内核等诸多优点，在嵌入式系统研究和开发的过程中应用广泛[4]。而对于专门用于海量开关量采集和控制的测控平台，则采用I/O口资源非常丰富，且开发极为灵活的FPGA（现场可编程门阵列）[5]来进行开发，可大大提高开发的效率。另外，其他类别的测控平台，也可根据各自具体的特点来选择适合的软硬件资源。 测控平台的内存数据库设计具体设计过程中，系统中各通用终端模块要实时完成大量信息的采集，这些信息要能够被上位机实时获取，以便根据具体情况做出相应的控制。为了达到这个目标，可以将各终端所采集的信息全部都上传给上位机，上位机接受所有信息并按设定的格式合理存放到内存数据库中对应的位置，以方便在需要时可以根据某些条件进行快速的查找。基于这样的要求，要在上位机上建立一个实时内存数据库来存放采集到的大量不同的信息。但是，这样的话就存在另外的问题，若是每个终端都将自己所采集的大量数据信息通过通信端口上传至上位机的话，一方面会占用大量的通信资源，严重影响其他重要信息的交换速度，导致系统工作的实时性和可靠性降低，另一方面，所有采集信息存放在上位机中，将会占用上位机大量的存储空间，大大加大了上位机的负担，影响了上位机的工作速度，进而影响整个系统的功能实现。实际系统中存在多个终端，每个终端都在对信息进行实时采集，采集的信息量就会非常大。为了优化设计，可在各个通用终端模块上分别立一个实时内存数据库，负责存放该通用终端模块部分的所有相关信息,具体的内存库建立在终端平台的通信管理模块中。这样的话，一方面信息量大大减小，对内存空间的需求大大降低，方便了数据库的建立，另一方面大大减轻了上位机的负担，它只要在需要时对某个具体终端实时内存数据库中的某些信息进行查询即可，减轻各终端与上位机之间的通信工作量，有利于系统的快速处理，提高了工作实时性。 要具体设计这样的数据库是一个相当重要且艰巨的任务，工作量非常大。所以在实际的设计中，可以考虑使用已经设计成熟的产品，以缩短开发周期，提高系统的可靠性。 结束语 在整个设计过程中，合理划分平台模块，甚至于合理划分各个平台内部的功能模块，在软件实现中充分利用实时多任务系统对多任务调度、管理及任务间通信的作用，可大大提高系统的可靠性；同时通过合理利用处理器功能及系统的中断处理功能，能够极大地提高系统的实时性。 参考文献 [1] 吕辉. 现代测控技术. 西安：西安电子科技大学出版社，2006. [2] 沈颂华. 航空航天器供电系统. 北京：北京航空航天大学出版社，2005. [3] 张卫宁. T M S320F28X 系列DSP 的CPU 与外设（上、下）. 北京：清华大学出版社，2004，2005. [4] 任哲. 嵌入式实时操作系统μC/OS-II 原理及应用. 北京：北京航空航天大学出版社，2005. [5] 冯建平.CP LD/ F PGA 应用系统设计与产品开发. 北京：人民邮电出版社，2005.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/8/2010)