CN105988385B

CN105988385B - 发动机电子控制器

Info

Publication number: CN105988385B
Application number: CN201510075151.8A
Authority: CN
Inventors: 张树彦; 吕晓武
Original assignee: AECC Commercial Aircraft Engine Co Ltd
Current assignee: AECC Commercial Aircraft Engine Co Ltd
Priority date: 2015-02-12
Filing date: 2015-02-12
Publication date: 2018-10-16
Anticipated expiration: 2035-02-12
Also published as: CN105988385A

Abstract

本发明提供了一种发动机电子控制器，包括多条控制通道，每条控制通道包括彼此通信地耦合的信号调理单元、主控单元、逻辑处理单元以及驱动单元，且各控制通道的主控单元之间以及逻辑处理单元之间通信地耦合，其中，每条控制通道还包括与该控制通道中的各单元通信地耦合的重构处理单元，该重构处理单元在所在控制通道的该主控单元发生故障时执行该主控单元的主控任务。

Description

发动机电子控制器

技术领域

本发明涉及发动机数字电子控制和嵌入式系统领域，尤其涉及一种多余度的发动机电子控制器。

背景技术

随着飞机性能的不断提高，对航空发动机的性能也提出了更高的要求，导致发动机控制系统的控制变量不断增多、控制功能不断增强，进而使控制系统越来越复杂，核心发动机电子控制器的集成度越来越高，如何保证发动机电子控制器的安全可靠运行，如何建立电子控制的高度容错与重构机制，是解决其安全可靠工作的一个重要措施。

目前发动机电子控制器中均采用双通道的构架，单个通道就可以完成整个发动机的控制任务，发动机数控系统正常工作时，一个通道作为主控通道，负责执行发动机的控制任务，另一个通道作为热备份通道，当主控通道发生故障时，进行通道切换，使热备份通道成为主控通道。这种构架存在以下问题：

(1)当主控通道内的主控单元发生故障时，本通道无法正常工作，只能切换到备份通道工作，会使整个控制器的安全可靠性降低；

(2)当主控通道内的逻辑处理单元发生故障时，本通道无法正常工作，只能切换到备份通道工作，会使整个控制器的安全可靠性降低；

(3)当一个通道内的某些电路发生故障时，导致整个通道的实效，对本通道内仍能正常工作的电路资源造成极大的浪费。

因此，本领域亟需一种改进的发动机电子控制器。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

根据本发明的一方面，提供了一种发动机电子控制器，包括多条控制通道，每条控制通道包括彼此通信地耦合的信号调理单元、主控单元、逻辑处理单元以及驱动单元，且各控制通道的主控单元之间以及逻辑处理单元之间通信地耦合，其中，每条控制通道还包括与该控制通道中的各单元通信地耦合的重构处理单元，该重构处理单元在所在控制通道的该主控单元发生故障时执行该主控单元的主控任务。

在一实例中，所该重构处理单元在所在控制通道的该逻辑处理单元发生故障时执行该逻辑处理单元的逻辑处理任务。

在一实例中，该重构处理单元基于复杂可编程逻辑器件来实现，该复杂可编程逻辑器件包括满足该主控单元的主控要求的CPU软核。

在一实例中，满足该主控单元的主控要求的该CPU软核是利用该逻辑处理单元的CPU软核来实现的。

在一实例中，该重构处理单元基于复杂可编程逻辑器件来实现，该复杂可编程逻辑器件包括满足该主控单元的主控要求的CPU硬核。

在一实例中，满足该主控单元的主控要求的该CPU硬核是利用该逻辑处理单元的CPU硬核来实现的。

在一实例中，该重构处理单元包括满足该主控单元的主控要求的CPU芯片。

在一实例中，该重构处理单元基于复杂可编程逻辑器件来实现，该复杂可编程逻辑器件包括实现该逻辑处理单元的逻辑处理功能的逻辑处理模块。

在一实例中，该逻辑处理单元具有通道切换控制逻辑，在该逻辑处理单元发生故障时，该复杂可编程逻辑器件的该逻辑处理模块在所在控制通道需要进行通道切换的情况下执行通道切换。

在一实例中，该复杂可编程逻辑器件为FPGA。

在一实例中，该多条控制通道为大于等于两条的控制通道。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1是示出了常规发动机电子控制器的架构的示意图；

图2是示出了根据本发明的一方面的可重构多余度的发动机电子控制器的架构的高层示意图；

图3是示出了根据本发明的第一实施例的可重构多余度的发动机电子控制器的架构的示意图；

图4是示出了根据本发明的第二实施例的可重构多余度的发动机电子控制器的架构的示意图；

图5是示出了根据本发明的第三实施例的可重构多余度的发动机电子控制器的架构的示意图；

图6是示出了常规发动机电子控制器与本发明的发动机电子控制器的故障处理流程的对比图。

符号说明：

100、200、300、400、500：发动机电子控制器

110a、110b、210a、310a、410a、510a：信号调理单元

120a、120b、220a、320a、420a、520a：主控单元

130a、130b、230a、330a、430a、530a：逻辑处理单元

140a、140b、240a、340a、440a、540a：驱动处理单元

250a、350a、450a、550a：重构处理单元

351a、451a：CPU软核352a、452a、552a：逻辑处理模块

551a：CPU芯片

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

图1是示出了常规发动机电子控制器100的架构的示意图。该电子控制器100采用双通道架构，每条控制通道包括完全相同的功能单元。具体而言，控制通道A可包括信号调理单元110a、主控单元120a、逻辑处理单元130a、驱动处理单元140a。控制通道B可包括信号调理单元110b、主控单元120b、逻辑处理单元130b、驱动处理单元140b。

信号调理单元110a、110b可接收来自发动机传感器(温度、压力、转速、位移等)的输入信号并执行必要的信号调理功能，例如通过滤波、比较、放大、整形等电路，把传感器信号转换成一定范围内的电压信号，然后提交给A/D转换器进行信号转换。主控单元120a、120b可实现对发动机的主要控制功能，一般地可通过核心处理器(CPU)，利用其承载的软件实时读取采集到的发动机工作状态信号，基于控制规律和控制算法，输出控制指令。逻辑处理单元130a、130b可执行必要的逻辑处理功能，诸如负责A/D转换控制、D/A转换控制、通道切换控制、通信协议实现、译码转换、数据存储等逻辑处理。具体举例而言，主控单元120a所输出的控制指令通过逻辑处理单元130a经过D/A转换控制以转换成模拟量，进而通过下游的驱动处理单元140a转换成执行机构能够接受的控制信号。再例如，逻辑处理单元130a包括通道切换控制逻辑，以在需要通道切换的情况下执行通道切换。驱动处理单元140a将经逻辑处理单元130a处理的控制指令通过转换电路，变为执行机构可以接受的控制信号，如电流量、开关量等输出信号。另外，这两条控制通道A、B之间还存在通道间通信。例如，主控单元120a、120b之间、逻辑处理单元130a、130b之间存在信息交互以共享信息。逻辑处理单元130a、130b之间还进行用于通道管理目的的交互，例如以用于通道间的切换。

在电子控制器100工作时，两条控制通道中的一条控制通道例如控制通道A作为主控通道，负责执行发动机的控制任务。另一条控制通道B作为热备份通道，当主控通道A发生故障时，进行通道切换，使热备份通道B成为主控通道。此通道切换可由控制通道A中的逻辑处理单元130a中的通道切换逻辑帮助实现。

图6的左方示出了常规发动机电子控制器的故障处理流程。如图所示，如果主控单元发生故障，则无法保证实现通道间的信息交互和控制任务的完成，需切换到备份通道。如果逻辑处理电路发生故障，则在其通道切换逻辑尚能工作的情况下，需切换到备份通道。比较严重的问题是，如果逻辑处理单元中负责通道切换的逻辑部分发生故障，则无法完成通道内的逻辑转换，从而无法完成通道切换，即当主控通道实效，可能无法切换到备份通道，这会造成比较严重的不安全状态，即控制器整机失效。因此，目前的发动机电子控制器的可靠性仍有待提高。

鉴于以上问题，本发明提供了一种可重构多余度的发动机电子控制器架构。图2是示出了根据本发明的一方面的可重构多余度的发动机电子控制器的架构200的高层示意图。

如图2所示，电子控制器200包括3条控制通道A、B、C，但是本发明并不局限于3条控制通道，也可以采用常规的双通道，或者也可以采用更多数目的控制通道。随着电子技术的发展，CPU(中央处理单元)和FPGA(现场可编程门阵列)的集成度越来越高，整机功耗和体积的增加均在可控范围内，这为更多控制通道提供了实现基础，但是考虑到成本、重量、体积等因素，一般不高于5条控制通道。

每条控制通道的内部设计都是相同的，因此，图2中仅示出了控制通道A的内部结构。控制通道A可包括彼此通信地耦合的信号调理单元210a、主控单元220a、逻辑处理单元230a以及驱动单元240a。可以理解，其他控制通道也包括相对应的功能单元。

根据本发明的设计，控制通道A还可包括重构处理单元250a，该重构处理单元250a与控制通道A中的各个功能单元通信地耦合。当然，该重构处理单元250a还可与其他控制通道中的重构处理单元通信地耦合。

重构处理单元250a的功能是在主控单元220a发生故障时执行主控单元220a的主控任务，以及在逻辑处理单元230a发生故障的时候执行逻辑处理单元230a的逻辑处理任务。由此，在控制通道A作为主控通道工作并且在主控单元220a或逻辑处理单元230a发生故障的时候，无需切换到备份通道，而是通过重构处理单元250a仍然保证控制通道A的正常工作。只有在重构处理单元250a也发生故障的时候，才需要切换到备份通道，使得发动机电子控制器的安全冗余度提高了一倍，增强了安全可靠性。

随着电子技术的不断发展，核心处理器的性能不断提高，功耗和体积不断减少，同时负责逻辑处理的复杂可编程逻辑器件，例如FPGA芯片逻辑资源越来越多，百万门以上的芯片开始大量使用，有些FPGA内不仅具有丰富的逻辑资源，还集成了核心处理器软核或硬核，这些技术发展给电子控制器的重构和容错提供了必要的条件。重构处理单元250a也可基于FPGA这类复杂可编程逻辑器件来实现。

图3是示出了根据本发明的第一实施例的可重构多余度的发动机电子控制器300的架构的示意图。在该实施例中，重构处理单元350a可基于复杂可编程逻辑器件来实现，例如基于FPGA来实现。在FPGA内部集成了满足主控单元320a的所有主控要求的CPU软核351a。IP(Intelligent Property)核是具有知识产权核的集成电路芯核总称，是经过反复验证过的、具有特定功能的宏模块，可作为系统设计的基本单元。IP核并不涉及用什么具体电路元件实现这些功能，由于不涉及物理实现，为后续设计留有很大的发挥空间，增大了IP的灵活性和适应性。IP核可包括软核和硬核。这里的CPU软核351a可采用软IP核来实现。另外，FPGA内部还包括实现逻辑处理单元330a的逻辑处理功能的逻辑处理模块352a，该逻辑处理模块352a可具有与逻辑处理单元330a相同或相对应的处理逻辑，特别地例如，通道切换控制逻辑。

由于CPU软核351a能够实现主控单元320a的所有主控需求，因此，在主控单元320a发生故障时，可以由重构处理单元350a完成切换，利用CPU软核351a来实现主控单元320a的所有功能。另外，当逻辑处理单元330a发生故障时，可以由重构处理单元350a完成切换，利用逻辑处理模块352a来实现逻辑处理单元330a的所有功能。只有在CPU软核351a或逻辑处理模块352a也发生故障的时候，才需要由逻辑处理模块352a利用其中的通道切换控制逻辑来切换到其他控制通道。

在其他实例中，逻辑处理单元330a可能本身就集成有闲置的CPU软核，在此情形中，该CPU软核351a也可利用逻辑处理单元330a中的该闲置的CPU软核来实现，以充分利用现有通道内的电路资源。

图4是示出了根据本发明的第二实施例的可重构多余度的发动机电子控制器400的架构的示意图。在该实施例中，重构处理单元450a可基于复杂可编程逻辑器件来实现，例如基于FPGA来实现。在FPGA内部集成了满足主控单元320a的所有主控要求的CPU硬核451a。这里的CPU硬核351a可采用硬IP核来实现。另外，FPGA内部还包括实现逻辑处理单元430a的逻辑处理功能的逻辑处理模块452a，该逻辑处理模块452a可具有与逻辑处理单元430a相同或相对应的处理逻辑，特别地例如，通道切换控制逻辑。

由于CPU硬核451a能够实现主控单元420a的所有主控需求，因此，在主控单元420a发生故障时，可以由重构处理单元450a完成切换，利用CPU硬核451a来实现主控单元420a的所有功能。另外，当逻辑处理单元430a发生故障时，可以由重构处理单元450a完成切换，利用逻辑处理模块452a来实现逻辑处理单元430a的所有功能。只有在CPU硬核451a或逻辑处理模块452a也发生故障的时候，才需要由逻辑处理模块452a利用其中的通道切换控制逻辑来切换到其他控制通道。

在其他实例中，逻辑处理单元430a可能本身就集成有闲置的CPU硬核，在此情形中，该CPU硬核451a也可利用逻辑处理单元430a中的该闲置的CPU硬核来实现，以充分利用现有通道内的电路资源。

图5是示出了根据本发明的第三实施例的可重构多余度的发动机电子控制器500的架构的示意图。在该实施例中，重构处理单元550a可基于CPU芯片和复杂可编程逻辑器件来实现例如基于FPGA来实现。例如，重构处理单元550a可包括满足主控单元520a的主控要求的CPU芯片551a。另外，FPGA内部包括实现逻辑处理单元530a的逻辑处理功能的逻辑处理模块552a，该逻辑处理模块552a可具有与逻辑处理单元530a相同或相对应的处理逻辑，特别地例如，通道切换控制逻辑。

由于CPU芯片551a能够实现主控单元520a的所有主控需求，因此，在主控单元520a发生故障时，可以由重构处理单元550a完成切换，利用CPU芯片551a来实现主控单元520a的所有功能。另外，当逻辑处理单元530a发生故障时，可以由重构处理单元550a完成切换，利用逻辑处理模块552a来实现逻辑处理单元530a的所有功能。只有在CPU芯片551a或逻辑处理模块552a也发生故障的时候，才需要由逻辑处理模块552a利用其中的通道切换控制逻辑来切换到其他控制通道。

图6的右方示出了根据本发明的发动机电子控制器的故障处理流程。如图所示，即使主控通道中主控单元或逻辑处理单元失效，启用重构处理单元，仍可保证本通道正常工作，使得安全冗余度加倍。另外，通过采用大于双通道的多通道设计，同时即使双通道同时失效，仍可以正常工作。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims

1.一种发动机电子控制器，包括多条控制通道，每条控制通道包括彼此通信地耦合的信号调理单元、主控单元、逻辑处理单元以及驱动单元，且各控制通道的主控单元之间以及逻辑处理单元之间通信地耦合，其中，每条控制通道还包括与该控制通道中的各单元通信地耦合的重构处理单元，所述重构处理单元在所在控制通道的所述主控单元发生故障时执行所述主控单元的主控任务，所述重构处理单元在所在控制通道的所述逻辑处理单元发生故障时执行所述逻辑处理单元的逻辑处理任务。

2.如权利要求1所述的发动机电子控制器，其特征在于，所述重构处理单元基于复杂可编程逻辑器件来实现，所述复杂可编程逻辑器件包括满足所述主控单元的主控要求的CPU软核。

3.如权利要求2所述的发动机电子控制器，其特征在于，满足所述主控单元的主控要求的所述CPU软核是利用所述逻辑处理单元的CPU软核来实现的。

4.如权利要求1所述的发动机电子控制器，其特征在于，所述重构处理单元基于复杂可编程逻辑器件来实现，所述复杂可编程逻辑器件包括满足所述主控单元的主控要求的CPU硬核。

5.如权利要求4所述的发动机电子控制器，其特征在于，满足所述主控单元的主控要求的所述CPU硬核是利用所述逻辑处理单元的CPU硬核来实现的。

6.如权利要求1所述的发动机电子控制器，其特征在于，所述重构处理单元包括满足所述主控单元的主控要求的CPU芯片。

7.如权利要求1所述的发动机电子控制器，其特征在于，所述重构处理单元基于复杂可编程逻辑器件来实现，所述复杂可编程逻辑器件包括实现所述逻辑处理单元的逻辑处理功能的逻辑处理模块。

8.如权利要求7所述的发动机电子控制器，其特征在于，所述逻辑处理单元具有通道切换控制逻辑，在所述逻辑处理单元发生故障时，所述复杂可编程逻辑器件的所述逻辑处理模块在所在控制通道需要进行通道切换的情况下执行通道切换。

9.如权利要求2、4、7中任一项所述的发动机电子控制器，其特征在于，所述复杂可编程逻辑器件为FPGA。

10.如权利要求1所述的发动机电子控制器，其特征在于，所述多条控制通道为大于等于两条的控制通道。