CN104608906B - 一种平流层飞艇艇务控制分系统 - Google Patents

Abstract

本发明针对平流层飞艇的特点，从系统可靠性、稳定性、实时性以及整体性能的优化等多方面出发,设计了一种基于RS422的系统总线的分布式控制系统，即平流层飞艇艇务控制分系统。该平流层飞艇艇务控制分系统包括艇务控制计算机和数据转换盒，数据转换盒主要负责艇务控制系统中各类传感器的参数采集及对各类执行机构的控制命令输出，艇务控制计算机通过RS422总线与数据转换盒进行数据、命令交互，以实现对各飞艇艇务分系统的统一控制和监控；艇务控制计算机具有两个并行的艇务控制计算机通道，其中A通道作为主控通道，B通道作为主控通道的热备份，这两个通道的控制器的输出接口通过通道故障逻辑控制使其输出使能。

Description

一种平流层飞艇艇务控制分系统

技术领域

本发明涉及一种平流层飞艇系统中的艇务控制分系统。

背景技术

平流层飞艇作为一种现代特种飞行器,具有空中滞留时间长、部署速度快、飞行高度高等突出优点，其在民用、军用领域的有着广泛的应用价值,美国、俄罗斯、日本等国都将平流层飞艇平台的研制作为占领平流层空间的战略目标予以高度重视并已相继开展了相关课题的可行性研究论证以及飞行验证试验。根据各国的发展现状,平流层飞艇的巨型化是目前各国实现飞艇在平流层环境长时间运行所采用的方法。这是由于飞艇工作的平流层高度大气密度远低于海平面,更低的密度意味着需要更大的体积。但更大的体积使得艇上各类传感器及阀门、灯光等将在艇上各个部位进行分布，因此要求其控制系统对飞艇的各状态参数进行就近采集、就近控制。

传统的小型飞艇由于任务简单，体积小，仅有为数不多的传感器和执行机构需要管理，通常这些功能与其它一些功能例如导航集成在一起，并不需要单独的艇务控制系统，因此艇务控制系统也是伴随着大型飞艇的出现而产生的一个新的飞艇分系统。

发明内容

本发明针对平流层飞艇的特点，从系统可靠性、稳定性、实时性以及整体性能的优化等多方面出发,设计了一种基于RS422的系统总线的分布式控制系统，即平流层飞艇艇务控制分系统。

本发明的技术方案如下：

平流层飞艇艇务控制分系统，采用基于RS422的系统总线的分布式结构，包括艇务控制计算机和数据转换盒，数据转换盒主要负责艇务控制系统中各类传感器的参数采集及对各类执行机构的控制命令输出，艇务控制计算机通过RS422总线与数据转换盒进行数据、命令交互，以实现对各飞艇艇务分系统的统一控制和监控；所述艇务控制计算机具有两个并行的艇务控制计算机通道，其中A通道作为主控通道，B通道作为主控通道的热备份，这两个通道的控制器的输出接口通过通道故障逻辑控制使其输出使能；数据转换盒主要由DSP控制电路、RS422通信电路、输出驱动电路以及模拟量信号调理采集电路组成，模拟量信号调理采集电路采集各类传感器获得的参数；输出驱动电路输出驱动控制信号至各类执行机构。

基于上述基本方案，本发明还做如下优化限定和改进：

上述数据转换盒共有三个，分别安装于飞艇前腹部、顶部、后腹部，三个数据转换盒采用相同的软硬件配置和结构设计。

上述飞艇艇务分系统还包括动力分系统、灯光分系统、压力调节分系统、导航分系统、遥感遥测与数据通信分系统以及飞艇应急电源系统。

上述导航分系统、遥感遥测与数据通信分系统以及飞艇应急电源系统直接通过RS422总线连接至艇务控制计算机。

上述各类传感器主要包括空气囊压力传感器、氦气囊压力传感器；各类执行机构主要包括航行灯控制信号、空气阀、氦气阀。

上述艇务控制计算机中的处理器芯片采用MPC8245，DSP控制电路的主处理器芯片采用SMJ320F240。

本发明具有以下优点：

该艇务控制分系统调试方便，很好地实现了对飞艇状态参数的采集以及控制输出,保证了飞艇艇务控制系统的稳定性和实时性。

附图说明

图1为本发明的艇务控制分系统的原理框图。

图2为艇务控制计算机组成结构图。

图3为艇务控制计算机通道故障逻辑示意图。

图4为数据转换盒组成结构图。

具体实施方式

在平流层飞艇系统设计中，本发明旨在完成飞艇艇务控制信息的采集、处理、存储和传送等一系列工作；实施飞艇指令控制、程序控制、状态监控和遥控操作等一系列动作,实现艇上资源、运行状态、数据和信息等统一协调控制和调度。

a、对分布于飞艇上的各类传感器信号采集及执行机构的控制采用数据转换盒来实现，顶、前腹、后腹数据转换盒采用相同的软硬件配置和结构设计，简化设计和节约成本且缩短了研制周期。

b、艇务控制计算机完成整个分系统中的数据收集、解算、数据通讯调度、传输和控制指令的输出功能，艇务控制计算机采用双通道主备架构，大大提高了系统的可靠性。

本发明的艇务控制分系统涉及压调系统、电源系统、灯光系统等执行飞艇保障功能的分系统的监控和统一控制。网络拓扑设计为分布式集中网络结构，相对于传统的集中式的控制系统,分布式控制系统具有高可靠性,易于维护,开放性和灵活性等特点,更能满足飞艇艇务系统的采集控制要求。

艇务控制系统以艇务控制计算机为核心，通过RS422总线与3个数据转换盒进行数据命令交互，统一控制和监控各艇务子系统，保证飞艇安全飞行。

在系统功能上，数据转换盒主要负责调度艇务系统的数据采集和控制命令输出，并进行系统高度综合控制及艇务数据融合，实时向飞艇航电系统报告各艇务分系统的运行状态。各艇务子系统则称为子节点，各子节点周期接收控制器的数据请求指令，实时进行艇务数据的采集，实时响应艇务控制的输出控制命令。

1.1艇务控制计算机

艇务控制计算机是艇务控制分系统的信息处理和系统控制中心，在传统的集中式系统构架中，当控制器出现故障时，整个系统通讯和艇务数据综合中断，系统出现瘫痪现象。由于艇务控制系统出现硬件故障的可能性较高，因此需要采取硬件容错技术以确保其稳定性。硬件容错最有效的途径就是增加系统的硬件资源，

因此艇务控制计算机采用通过冗余结构设计保证整个系统在出现故障的情况的下仍能坚持工作。艇务控制计算机采用双CPU模块(A、B通道控制器)的结构配置，系统工作采用并行方式。两通道的控制器器同时处于工作状态，输出接口通过通道故障逻辑控制使其输出使能，同一时刻，只有一个通道对外输出。

1.1.1单通道控制器电路结构

控制器的处理器芯片采用MPC8245，该芯片集成存储器控制器和PCI桥接器，芯片的最高工作主频为300MHz，在实际使用中运行主频降额为266MHz，MPC8245是一款低功耗、集成多种外设接口的PowerPC处理器。

CPU模块上设计有8位程序FLASH存储器、64位SDRAM存储器、FLASH电子盘、8位NVSRAM和16位的DPRAM。MPC8245内部实现存储器控制器，提供地址译码、数据处理周期访问时序、SDRAM时钟等来访问存储器。通过控制MPC8245内部的相应寄存器来完成这些功能。

同时该模块支持VxWorks操作系统，提供VxWorks操作系统的板级支持包，提供所有硬件的驱动程序，提供Flash设备的Tffs驱动，能够以文件系统访问Tffs设备，具有自检能力，提供完备的调试手段。

1.1.2通道故障逻辑

故障逻辑电路用于模块故障时的控制，故障逻辑包括故障输出和故障控制输入。当CPU模块检测到以下条件：看门狗报警、电源掉电或软件配置时，将产生互锁信号通知外部设备该CPU模块有故障。故障控制输入信号通过离散量输入到FPGA中采集，当逻辑电路判断到该信号处于关断状态时，将由硬件关断本CPU模块的LBE总线输出、RS422输入输出等外部输出信号，否则将不关断以上信号。

艇务控制计算机中根据预先设置确定A通道作为分系统的主控通道，B通道作为主控通道的热备份。艇务控制计算机通道故障逻辑示意图如图2所示。艇务控制计算机上电后，程序初始化时读取通道号，软件使能A通道使能，B通道自锁，当A通道BIT位、GO/NOGO位发出故障信号时，A通道将进行自锁(本通道所有RS422输出禁止)，同时时A通道向B通道发出的互锁信号，B通道响应A通道发来的自锁信号对自身进行解锁使能(本通道所有RS422输出使能)同时锁定A通道。

1.2数据转换盒

数据转换盒主要负责艇务控制系统中各类传感器的参数采集及对各类执行机构的控制命令输出，三个数据转换盒是完全独立的，每个数据转换盒软硬件结构均相同，一方面，对各类传感器的电信号进行采集，将采集的电信号通过RS422A总线上报艇务控制计算机，由艇务控制计算机对各类电信号进行物理解析。另一方面，数据转换盒接收艇务控制计算机发来的控制命令，对艇上灯光、各类阀门等执行机构进行实时控制。

数据转换盒选用T I公司的数字信号处理器SMJ320F240作为主处理器,该芯片自带544个字的RAM,16K字的片内FLASH ROM,3个16位通用计时器,28个可编程I/O,2个带采样保持器的10位A/D转换器,2个8选一多路转换器,2个串行通讯接口,只需要在外围增加少量电路即可完成系统的控制控制功能。SMJ320F240可访问64K字的程序存储器空间,64K字的数据存储器空间,64K字的I/O存储器空间；Flash存储器设计为16位数据宽度,分配在程序存储空间,用于用户程序的储存,包括监控程序、系统程序和在线数据记录。DSP芯片内有两路串行接口,增加收发器后即可用于RS-232串行通讯,其中一路用于调试程序,另一路用于固化程序。

本发明的艇务控制分系统在平流层飞艇平台上进行了实验,结果表明,该艇务控制分系统调试方便，很好地实现了对飞艇状态参数的采集以及控制输出,保证了飞艇艇务控制系统的稳定性和实时性。

Claims (5)

1.一种平流层飞艇艇务控制分系统，其特征在于：采用基于RS422的系统总线的分布式结构，包括艇务控制计算机和数据转换盒，数据转换盒主要负责艇务控制系统中各类传感器的参数采集及对各类执行机构的控制命令输出，艇务控制计算机通过RS422总线与数据转换盒进行数据、命令交互，以实现对各飞艇艇务分系统的统一控制和监控；所述艇务控制计算机具有两个并行的艇务控制计算机通道，其中A通道作为主控通道，B通道作为主控通道的热备份，这两个通道的控制器的输出接口通过通道故障逻辑控制使其输出使能；数据转换盒主要由DSP控制电路、RS422通信电路、输出驱动电路以及模拟量信号调理采集电路组成，模拟量信号调理采集电路采集各类传感器获得的参数；输出驱动电路输出驱动控制信号至各类执行机构；

所述数据转换盒共有三个，分别安装于飞艇前腹部、顶部、后腹部，三个数据转换盒采用相同的软硬件配置和结构设计。

2.根据权利要求1所述的平流层飞艇艇务控制分系统，其特征在于：所述飞艇艇务分系统还包括动力分系统、灯光分系统、压力调节分系统、导航分系统、遥感遥测与数据通信分系统以及飞艇应急电源系统。

3.根据权利要求2所述的平流层飞艇艇务控制分系统，其特征在于：所述导航分系统、遥感遥测与数据通信分系统以及飞艇应急电源系统直接通过RS422总线连接至艇务控制计算机。

4.根据权利要求3所述的平流层飞艇艇务控制分系统，其特征在于：所述各类传感器主要包括空气囊压力传感器、氦气囊压力传感器；各类执行机构主要包括航行灯控制信号、空气阀、氦气阀。

5.根据权利要求4所述的平流层飞艇艇务控制分系统，其特征在于：上述艇务控制计算机中的处理器芯片采用MPC8245，DSP控制电路的主处理器芯片采用SMJ320F240。