CN103850802A - 基于时间触发协议ttp/c总线的电子控制器及fadec系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于时间触发协议TTP/C总线的电子控制器及FADEC系统，两组互为冗余的功能单元中的每组功能单元都包括多块功能子板和基于时间触发机制的板间TTP/C总线；在每块功能子板中都集成TTP/C总线控制器，TTP/C总线控制器与板间TTP/C总线连接，实现各个功能子板间的数据交互。本发明的基于时间触发协议TTP/C总线的电子控制器及FADEC系统，板级间采用总线进行数据交换，让布线变得简单，板级间干扰小，减轻了计算与控制板的处理负担，采用时间触发协议，可以对不同的任务进行带宽的实时分配，提高了整机的可靠性，并使设计更加灵活。
Description
技术领域
本发明涉及发动机控制和计算机总线技术领域，尤其涉及一种基于时间触发协议TTP/C总线的电子控制器及FADEC系统。
背景技术
当前主流的航空发动机FADEC（Full Authority Digital EngineControl：全权限数字电子控制）系统中的电子控制器普遍采用集中式双通道冗余架构，板级间通过控制总线、地址总线、数据总线直接参与板级的信息交互这种架构的计算资源高度集中在机箱内部的计算与控制模块上，会带来了以下问题：
（1）由于板级间需要各种总线共同参与数据的交换，让布线变得复杂，抗干扰性差；
（2）由于计算与控制模块有大量的触发事件需要处理，低优先级的事件不容易得到处理，并使数据采集预处理、控制及诊断等实时任务的开发、测试、验证难度很大；
（3）板级间通过并行总线进行数据交换，使故障检测的难度提高，给故障的隔离、重构等设计带来极大的挑战；
（4）模块可重用性差，在设计新的FADEC系统时大部分模块必须重新设计、验证，降低了开发效率，增加了开发成本。
因此，当代集中式电子控制器的软件和硬件的实施是针对特定发动机的定制过程，设计、测试、集成、制造、维护结构复杂的集中式电子控制器是非常高昂的。
随着航空发动机控制朝着进气道／发动机／尾喷管综合控制、飞行／推进系统综合控制等方向发展，并集成状态监视和健康管理功能，控制功能和控制变量的增加使电子控制器的研制难度、周期和费用不断增加。若仍采用传统的集中式结构，上述的4个问题将会更加突出。因此基于局部总线的软/硬件模块可重用、易升级的内部开放分布式多处理器结构将是下一代电子控制器的必然选择，容错数据总线是构建机内开放分布式电子控制器的首要选择。
目前在航空领域应用的数据总线有CAN、FlexRay、ARINC659、ARINC664、实时以太网络通讯协议EtherCAT，如果将其应用在机内开放分布式电子控制器的设计中主要存在以下问题：。
a)CAN总线传输模式为事件触发，不适用于时序要求严格的高可靠性控制，传输带宽低，最大带宽仅为1Mbps，不支持冗余管理，协议实现依赖物理层。
b)FlexRay总线传输模式为也是事件触发，不支持冗余管理，协议实现依赖物理层。
c)ARINC664总线需要交换机才能实现多节点互连，构型复杂，不适用于机内分布式构架。
d)EtherCAT总线为主从式构架，一旦总线主控单元故障，整个网络会不能正常工作，不支持冗余管理。
e)ARINC659总线支持时间触发，可靠性比较高，但是协议实现依赖物理层，不支持CRC校验。
为了解决集中式电子控制器重用性差、复杂性高、不利于维护的问题，因此需要设计一种新型的机内分布式电子控制器构架。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的一个技术问题是提供一种基于时间触发协议TTP/C总线的电子控制器，采用TTP/C总线进行数据交互。
一种基于时间触发协议TTP/C的电子控制器，包括：两组互为冗余的功能单元；每组功能单元都包括多块功能子板和基于时间触发机制的板间TTP/C总线；其中，在每块功能子板中都集成TTP/C总线控制器，所述TTP/C总线控制器与板间TTP/C总线连接，实现各个功能子板间的数据交互。
根据本发明的电子控制器的一个实施例，进一步的，在每组功能单元中设置互为冗余的两条板间TTP/C总线；每组功能单元中的每块功能子板的TTP/C总线控制器分别控制该组功能单元中的两条板间TTP/C总线数据通讯。
根据本发明的电子控制器的一个实施例，进一步的，所述多块功能子板包括：计算与控制板、输入信号处理板、输出信号处理板和外部通讯处理板。
根据本发明的电子控制器的一个实施例，进一步的，所述计算与控制板集成了TTP/C总线控制器，控制两条板间TTP/C总线连接的物理接口及TTP/C总线控制器。
根据本发明的电子控制器的一个实施例，进一步的，所述输入信号处理板、输出信号处理板和外部通讯处理板内都设置互为冗余的两条板内TTP/C总线；其中，所述两条板内TTP/C总线分别与所述两条板间TTP/C总线连接。
根据本发明的电子控制器的一个实施例，进一步的，所述输入信号处理板的功能模块包括：LVDT信号处理模块、开关量输入模块、频率量信号处理模块、压力信号处理模块和温度信号处理模块；其中，所述输入信号处理板中的每个功能模块都集成了分别与所述输入信号处理板内的两条板内TTP/C总线连接的物理接口及TTP/C总线控制器。
根据本发明的电子控制器的一个实施例，进一步的，所述信号输出处理板的功能模块包括：开关量输出模块和驱动信号输出模块；其中，所述信号输出处理板的每个功能模块都集成了分别与所述信号输出处理板内的两条板内TTP/C总线连接的物理接口及TTP/C总线控制器。
根据本发明的电子控制器的一个实施例，进一步的，所述外部通讯处理板的功能模块包括：ARINC664通讯模块、ARINC429通讯模块和RS422通讯模块；其中，所述外部通讯处理板的每个功能模块都集成了分别与所述外部通讯处理板内的两条板内TTP/C总线连接的物理接口及TTP/C总线控制器。
根据本发明的电子控制器的一个实施例，进一步的，每个功能单元都包括电源处理与转换板；每个功能单元都包括电源处理与转换板；所述电源处理与转换板包括：滤波与转换电路、保护模块和AC／DC转换电路；直流电源首先经过滤波与转换电路进入保护模块，输出2路28V电源；交流发电机电源需经过所述AC／DC转换电路输出2路28V电源。
根据本发明的电子控制器的一个实施例，进一步的，两组互为冗余的功能单元通过TTP/C总线进行数据交互。
一种航空发动机FADEC系统，包括如上所述的基于时间触发协议TTP/C总线的电子控制器。
本发明的基于时间触发协议TTP/C总线的电子控制器及FADEC系统，板级间采用总线进行数据交换，让布线变得简单，板级间干扰小，减轻了计算与控制板的处理负担，采用时间触发协议，可以对不同的任务进行带宽的实时分配，提高了整机的可靠性，并使设计更加灵活。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明的基于时间触发协议TTP/C总线的电子控制器的一个实施例的示意图；
图2为根据本发明的基于时间触发协议TTP/C总线的电子控制器的另一个实施例的示意图；
图3为根据本发明的基于时间触发协议TTP/C总线的电子控制器的电源处理与转换板的一个实施例的示意图；
图4为根据本发明的基于时间触发协议TTP/C总线的电子控制器的计算与控制板的一个实施例的示意图；
图5为根据本发明的基于时间触发协议TTP/C总线的电子控制器的输入处理板的一个实施例的示意图；
图6为根据本发明的基于时间触发协议TTP/C总线的电子控制器的输入处理板的另一个实施例的示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
时间触发协议TTP/C是一种基于时间触发、高可靠系统的物理实现机制。Vienna理工大学的H.Kopetz教授的研究小组开发了TTP/C协议，它的全称是C类时间触发协议(Time-Triggered Protocol ClassC)，“C”表示实时通信协议。TTP/C协议由SAE（The Society ofAutomotive Engineers汽车工程师协会）定义。它可以用于设计高可靠嵌入式应用系统。
一个TTP/C结点由主机（host）、通信网络接口（CNI）、TTP/C通信控制器（TTP CC）组成。TTP/C可以根据ISO-11898和TTCAN等来设计物理层，可以把TTP/C网络通过Web服务器接入Internet。TTP/C机群一般采用两条总线进行互联，其中一条是冗余通道，保证系统在一个通道失效的情况下仍能继续工作。
TTP/C协议是一种基于TDMA（Time Division Multiple Access）的协议，因而采用的也是基于时间的调度。不同结点的时间槽系列组成一个TDMA轮（round），不同轮的系列组成一个TDMA机群周期(cluster cycle)，这样，一个机群周期可能包括一个或多个TDMA轮。在设计时就给系统中的每个处理结点分配固定的周期性的时间槽。时间触发协议采用绝对时钟进行同步，由一个时间主站周期性地向每个结点广播时钟基准消息，它标志着一个消息交互系列的开始。当结点成功接收到一个消息后，立即初始化结点内部的计时器，此后在整个交互系列周期内，计时器指示相对于基准消息出现时刻的时间，各结点也将参照接收到的消息，对本结点时间进行设置或调整，以保持所要求的时间同步。计时器记录的一个全程时间即是一个周期时间。每个结点会根据消息发送的时间和自己MEDL中规定的消息到达时刻相对照，据此就可以调整时钟，始终与系统保持同步。
在某些实时高可靠、容错性和抗干扰要求高的场合，采用TTP/C协议可消除许多不确定性因素，从而提高了系统的可知性、可预测性。
图1为根据本发明的基于时间触发协议TTP/C总线的电子控制器的一个实施例的示意图。如图1所示，基于时间触发协议TTP/C的电子控制器包括：两组互为冗余的功能单元，也可以称为是两个冗余的通道。
每组功能单元都包括多块功能子板和基于时间触发机制的板间TTP/C总线；在每块功能子板中都集成TTP/C总线控制器，TTP/C总线控制器控制板间TTP/C总线数据通讯，实现各个功能子板间的数据交互。
电子控制器包括两个完全相同的通道A11和通道B12,即EEC-A1,发动机电子控制－A1(功能单元)。以一个通道为例，通道包括电源处理与转换板13、计算与控制板14、输入信号处理板15、输出信号处理板16、外部通讯处理板17，除电源处理与转换板外，其它各板内集成TTP/C总线控制器，每块板与母板相连固定。
板级间由TTP/C总线实现数据的交互，总线基于时间触发机制，采用双冗余结构，包括TTP/C总线A和TTP/C总线B。通道间的CCDL（Cross Channel Data Link）通讯根据需求可以采用但不限于TTP/C总线。
图2为根据本发明的基于时间触发协议TTP/C总线的电子控制器的另一个实施例的示意图。如图2所示，电子控制器包括两个完全相同的功能单元A21和功能单元B22。每个功能单元都包括电源处理与转换板26、计算与控制板27、输入信号处理板23、输出信号处理板24、外部通讯处理板25。
计算与控制板27集成了分别控制两条板间TTP/C总线数据通讯的TTP/C总线控制器。
输入信号处理板23、输出信号处理板24和外部通讯处理板25内都设置互为冗余的两条板内TTP/C总线；两条板内TTP/C总线分别控制两条板间TTP/C总线的数据通讯。
输入信号处理板23的功能模块包括：LVDT信号处理模块231、开关量输入模块232、频率量信号处理模块233、压力信号处理模块234和温度信号处理模块235；输入信号处理板23中的每个功能模块都集成了分别与输入信号处理板23内的两条板内TTP/C总线进行数据交换的TTP/C总线控制器。
信号输出处理板24的功能模块包括：开关量输出模块241和驱动信号输出模块241；信号输出处理板24的每个功能模块都集成了分别与信号输出处理板24内的两条板内TTP/C总线进行数据交换的TTP/C总线控制器。
外部通讯处理板25的功能模块包括：ARINC664通讯模块251、ARINC429通讯模块252和RS422通讯模块253；外部通讯处理板25的每个功能模块都集成了分别与外部通讯处理板25内的两条板内TTP/C总线进行数据交换的TTP/C总线控制器。
各处理模块间通过TTP/C总线与其它板或板内子模块进行数据交换，模块主板直接与母板相连。功能子板的构架不相同，但是每块功能板所实现的功能是相通的，并且TTP/C总线的接口设计实现是一致的。每个模块分别集成TTP/C总线控制器把相应传感器输入信号进行发送，同时接收其它板的数据输入，总线信号均与母板相连。
各模块分别设计成子板的结构，大小一致，安装在主板上，与主板采用插拔结构，这样的结构可以使个子模块设计重复使用，不必更改设计，同时实现了板内的分布式控制。
TTP/C总线的接口电路设计中，协议处理芯片采用AS8202NF，并烧录软件实现协议层，物理层其实不受限制，现在比较常用的物理层协议实现基于RS485。
图3为根据本发明的基于时间触发协议TTP/C总线的电子控制器的电源处理与转换板的一个实施例的示意图；如图3所示，每个功能单元都包括电源处理与转换板；电源处理与转换板包括：滤波与转换电路31、保护模块32、DC／DC转换电路33和选择逻辑电路34。电源处理与转换板也采用冗余的设计，分别对通道A和通道B提供电源。
以通道A为例，为满足电磁兼容要求，飞机的电源首先经过滤波与转换电路31，允许正常电源信号进入电子控制器，防止高频干扰信号的辐射和传导，经滤波器后使提供给控制器的电源具有较小的纹波和尖脉冲。然后电源信号经过二极管网络无扰动平滑切换，进入保护模块32和DC／C转换电路33，输出经过限压的电源，可分别作为互为冗余的功能单元A输出的电源，包括数字、模拟和开关量电源。控制信号进入选择逻辑单元34，根据控制信号，选择逻辑单元34能够选择输出的电源。
A、B通道数字电源、模拟电源和开关量电源可经DC／C变换器转换后提供，DC／C变换器采用开关电源。为防止输入电源过高，在滤波与转换电路后增加保护电路。
根据本发明的一个实施例，交流发电机电源需经过AC／C转换电路转化成28V电源，28V后端的处理同飞机的28V电源。A、B通道数字电源、模拟电源和开关量电源可由28V电源经DC／C变换器转换后提供，DC／C变换器采用开关电源。为防止输入电源过高，增加过压保护电路。
图4为根据本发明的基于时间触发协议TTP/C总线的电子控制器的计算与控制板的一个实施例的示意图。如图4所示，主处理器43采用支持浮点运算的CPU，程序与数据存储器44可以采用ROM/FLASH、EEPROM或NAND-FLASH。
状态量的输入经过转换给逻辑处理单元45，在逻辑处理单元45内部经过转换，给主处理器43处理，同时产生状态量的输出信号和超转保护信号。
来自传感器的信号经过调理电路41传送到主处理器43，主处理器43对传感器信号进行处理。
主处理器43与TTP/C协议控制电路47连接，实现与其它功能板的数据通讯。
图5为根据本发明的基于时间触发协议TTP/C总线的电子控制器的输入处理板的一个实施例的示意图；如图所示：3种类型的传感器信号分别输入信号调理单元51、52和53，经过输入信号调理单元51、52和53的传感器信号经过A／D转换器54，输入子处理器55。子处理器55与TTP/C协议控制电路56连接，通过驱动单元57，58实现与通道A和B的数据通讯。
图6为根据本发明的基于时间触发协议TTP/C总线的电子控制器的输入处理板的另一个实施例的示意图；如图所示：3种类型的传感器信号分别输入，对于3种传感器信号分别设置各自的处理装置或处理单元，每种传感器信号都能够分别独立进行处理。每种传感器信号都分别经过输入信号调理电路单元和A／D转换器，输入子处理器，处理后的信号输入TTP/C协议控制电路，通过驱动单元实现与通道A和B的数据通讯。
每种传感器信号的处理装置都由信号调节电路、A／D转换电路、子处理器和TTP/C协议控制电路组成。子处理器与TTP/C协议控制电路连接，通过2个驱动单元实现与通道A和B的数据通讯。
根据本发明的一个实施例，如图5所示，传感器信号，例如：信号处理模块、开关量输入模块、频率量信号处理模块、压力信号处理模块、温度信号处理经过采集后，由一个TTP/C总线控制器把所有传感器输入信号进行发送，同时接收其它板的数据输入，总线信号与母版相连。
如图6所示，传感器信号，例如：信号处理模块、开关量输入模块、频率量信号处理模块、压力信号处理模块、温度信号处理经过采集后，每种传感器信号都能够分别独立进行处理，每种传感器信号处理模块分别集成TTP/C总线控制器，把相应传感器输入信号进行发送，同时接收其它板的数据输入，总线信号均与母版相连。其中各模块分别设计成子板的结构，大小一致，安装在主板上，与主板采用插拔结构，这样的结构可以使个子模块设计重复使用，不必更改设计，同时实现了板内的分布式控制。
根据本发明的一个实施例，一种航空发动机FADEC系统包括上述的基于时间触发协议TTP/C总线的电子控制器。
本发明的基于时间触发协议TTP/C总线的电子控制器具有以下优点：
（1）板级间采用总线进行数据交换，让布线变得简单，板级间干扰小
（2）减轻了计算与控制板的处理负担，其它板可以把各种信号进过调理、采集、处理后再通过总线传给计算与控制板
（3）采用时间触发协议，可以对不同的任务进行带宽的实时分配，并严格按照时间触发机制进行控制，保证的所有任务能够及时得到相应
（4）由于TTP/C总线支持余度管理，板级间的数据交换采用双冗余的接口，某一通讯通道的失效不会导致板级的功能丧失，提高了整机的可靠性
（5）模块可重用性强，由于母板信号量少，只要布局好总线通讯信号、电源信号，功能板做成统一尺寸，每个通道内板的安装位置可以互换，不同通道间的相同功能板也可以互换；
（6）由于采用了TTP/C总线，板间通讯协议的处理不依赖于物理层，设计更加灵活；
（7）随着器件工艺和制造技术的进步，只要把板内各子模块的处理电路集成到相应传感器和执行机构中，即可以实现分布式的FADEC系统。
可能以许多方式来实现本发明的方法和系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和系统。用于方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (11)
1.一种基于时间触发协议TTP/C总线的电子控制器，其特征在于，包括：
两组互为冗余的功能单元；每组功能单元都包括多块功能子板和基于时间触发机制的板间TTP/C总线；
其中，在每块功能子板中都集成TTP/C总线控制器，所述TTP/C总线控制器控制板间TTP/C总线的数据通讯，实现各个功能子板间的数据交互。
2.如权利要求1所述的电子控制器，其特征在于：
在每组功能单元中设置互为冗余的两条板间TTP/C总线；
每组功能单元中的每块功能子板的TTP/C总线控制器都分别控制该组功能单元中的两条板间TTP/C总线的数据通讯。
3.如权利要求2所述的电子控制器，其特征在于：
所述多块功能子板包括：计算与控制板、输入信号处理板、输出信号处理板和外部通讯处理板。
4.如权利要求3所述的电子控制器，其特征在于：
所述计算与控制板集成了分别与两条板间TTP/C总线进行数据通讯的TTP/C总线控制器。
5.如权利要求4所述的电子控制器，其特征在于：
所述输入信号处理板、输出信号处理板和外部通讯处理板内都设置互为冗余的两条板内TTP/C总线；
其中，所述两条板内TTP/C总线分别与所述两条板间TTP/C总线连接。
6.如权利要求4所述的电子控制器，其特征在于：
所述输入信号处理板的功能模块包括：LVDT信号处理模块、开关量输入模块、频率量信号处理模块、压力信号处理模块和温度信号处理模块；
其中，所述输入信号处理板中的每个功能模块都集成了分别与所述输入信号处理板内的两条板内TTP/C总线进行数据通讯的TTP/C总线控制器。
7.如权利要求4所述的电子控制器，其特征在于：
所述信号输出处理板的功能模块包括：开关量输出模块和驱动信号输出模块；
其中，所述信号输出处理板的每个功能模块都集成了分别与所述信号输出处理板内的两条板内TTP/C总线进行数据通讯的TTP/C总线控制器。
8.如权利要求4所述的电子控制器，其特征在于：
所述外部通讯处理板的功能模块包括：ARINC664通讯模块、ARINC429通讯模块和RS422通讯模块；
其中，所述外部通讯处理板的每个功能模块都集成了分别与所述外部通讯处理板内的两条板内TTP/C总线进行数据通讯的TTP/C总线控制器。
9.如权利要求1所述的电子控制器，其特征在于：
每个功能单元都包括电源处理与转换板；
所述电源处理与转换板包括：滤波与转换电路、保护模块和AC／DC转换电路；
直流电源首先经过滤波与转换电路进入保护模块，输出2路28V电源；交流发电机电源需经过所述AC／DC转换电路输出2路28V电源。
10.如权利要求1所述的电子控制器，其特征在于：
两组互为冗余的功能单元通过TTP/C总线进行数据交互。
11.一种航空发动机FADEC系统，其特征在于：
包括如权利要求1至10任意一项所述的基于时间触发协议TTP/C的电子控制器。
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