CN108062087B

CN108062087B - 基于ttp/c总线的高安全性数字电子控制器架构

Info

Publication number: CN108062087B
Application number: CN201711375565.8A
Authority: CN
Inventors: 陈建; 孙林; 钱红余; 叶盛柏; 杨国均
Original assignee: AECC Aero Engine Control System Institute
Current assignee: AECC Aero Engine Control System Institute
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2020-06-09
Anticipated expiration: 2037-12-19
Also published as: CN108062087A

Abstract

本发明提供一种基于TTP/C总线的高安全性数字电子控制器架构，其主要改进之处在于，基于TTP/C总线将数字电子控制器内部划分为若干功能模块，功能模块之间任务独立，通过TTP/C总线网络进行数据交互，关键的功能模块为双余度。TTP/C总线按照TTP/C总线周期进行时间槽规划，各功能模块根据相应时间槽规划在设定时刻执行模块通讯任务，进行TTP/C总线数据传输；在功能模块内，对模块功能任务进行时间分区，每个模块功能任务均在确定的时刻进行；模块功能任务和模块通讯任务协同进行。本发明可保证数字电子控制器内部的所有任务有序执行，避免了模块之间的数据冲突；并可降低控制器功能降级速度。

Description

基于TTP/C总线的高安全性数字电子控制器架构

技术领域

本发明属于航空发动机控制及数据总线技术领域，尤其是一种高安全性数字电子控制器架构。

背景技术

航空发动机控制系统作为飞机动力系统的控制者，是整个飞行器的重要组成部分。而数字电子控制器则是航空发动机控制系统的“大脑”，其通过采集发动机各部件状态，结合飞机需求，计算并控制执行机构输出，同时监控发动机健康状态，保证发动机安全健康的运行。使数字电子控制器具备更的高安全性，是研发人员不断的追求。

TTP/C数据总线是针对运输工业领域安全关键嵌入式应用的高速、无主、双通道的现场总线通信总线，目前已经形成了SAE AS6003标准。该总线是一种基于TTA（时间触发架构）架构的无主机多点串行通信协议，采用Welch-Lynch算法实现分布式容错同步时钟，调度策略支持将多个基本TTA周期构成一个集群周期。TTP/C在通信协议层提供时间触发数据传输、分布式容错同步时钟、故障节点探测与隔离、成员关系一致性算法、CRC（循环冗余码）校验、隐式接收确认、冗余管理等服务，基于TTP/C协议可以为应用程序提供了一个确定、可靠、实时的一致性分布式计算平台。

TTP/C总线代表了符合DO-297/ED-124术语和指南的综合模块化航空电子（IMA）模块和资源。基于TTP/C的电子控制器结合了先进的容错分布式IMA概念，还为未来各种安全关键性的实时分布式应用提供了充分的支持。

发明内容

本发明的目的是针对航空发动机控制系统数字电子控制器对高安全性、高可靠性、强实时性、高维修性需求，提出一种基于TTP/C总线的高安全性数字电子控制器架构。本发明采用的技术方案是：

一种基于TTP/C总线的高安全性数字电子控制器架构，其主要改进之处在于，基于TTP/C总线将数字电子控制器内部划分为若干功能模块，功能模块之间任务独立，通过TTP/C总线网络进行数据交互，关键的功能模块为双余度。

进一步地，TTP/C总线按照TTP/C总线周期进行时间槽规划，各功能模块根据相应时间槽规划在设定时刻执行模块通讯任务，进行TTP/C总线数据传输；在功能模块内，对模块功能任务进行时间分区，每个模块功能任务均在确定的时刻进行；

模块功能任务和模块通讯任务协同进行。

更进一步地，模块功能任务由功能模块内的TTP/C总线控制器触发，TTP/C总线控制器按TTP/C总线周期产生定时中断，功能模块将产生的定时中断作为模块功能任务的起始时刻，各模块功能任务顺序执行。

更进一步地，模块功能任务和模块通讯任务的周期与TTP/C总线周期一致，或者是其整数倍。

进一步地，所述的基于TTP/C总线的高安全性数字电子控制器架构，包括主控通道、备份通道，以及健康管理模块；

主控通道包括信号采集模块、驱动输出模块、控制运算模块；备份通道包括备份模块；备份模块用于主控通道故障时，控制数字电子控制器所控制对象的安全运行；

信号采集模块、驱动输出模块、控制运算模块为双余度；健康管理模块、备份模块为单余度。

具体地，

信号采集模块通过TTP/C总线与其它功能模块通讯，与控制运算模块进行数据交互，将采集到的各部件工作状态信号发送给控制运算模块；接收控制运算模块的激励电源控制输出指令，为传感器提供激励电源；

驱动输出模块用于输出驱动信号以驱动各执行机构动作；通过TTP/C总线与其它功能模块通讯，与控制运算模块进行数据交互，接收控制运算模块输出的指令信息，控制相应的执行机构动作，并将执行机构的状态发送给控制运算模块。

更进一步地，驱动输出模块包括：

模拟量输出功能，用于将控制运算模块给定的模拟量的指令信息转换为电流信号，驱动相应执行机构动作，并采集相应执行机构的信息，进行闭环运算；

离散量输出功能，用于将离散的指令信息转换为电压信号，驱动相应执行机构动作，并采集相应执行机构的故障和BIT检测信息，发送给控制运算模块。

具体地，

控制运算模块用于控制规律计算、控制器BIT检测、与外部飞机设备通讯以及通过TTP/C总线与各个功能模块通讯；

控制规律计算功能利用发动机各类传感器信息以及飞机设备给出的指令信息进行计算，计算出各执行机构需要的动作位置；

控制器BIT检测功能利用从传感器或执行机构获取的信息与极大值、极小值、变化速率限制信息进行比较，判断传感器采集信息的合理性，分析传感器、执行机构是否故障；

与外部飞机设备通讯功能用于接收飞机的各种指令信息并将自身状态发送给飞机设备；

与各个功能模块通讯功能负责与各功能模块通讯，获取发动机各部件状态，输出各执行机构动作指令，并将采集的部件状态、输出的控制信息、数字电子控制器的BIT检测信息与其它控制运算模块、备份模块进行数据交互，将发动机状态与健康管理模块进行交互。

具体地，

备份模块内包含部分关系到数字电子控制器所控制对象安全的关键部件状态信号采集、执行机构驱动输出、控制规律计算、关键功能的BIT监测功能；正常状态下备份模块本身处于备份状态，与主控通道同时进行控制规律运算，但不执行执行机构的输出；当主控通道故障，不能执行完整的控制功能时切换到备份通道控制；

健康管理模块用于获取数字电子控制器所控制对象的状态信息，分析控制对象的故障状态，得到控制对象的健康状态，并通过TTP/C总线发送给控制运算模块。

具体地，各功能模块的模块通讯任务于TTP/C总线周期内占用互不冲突的时间槽；根据TTP/C总线周期时间槽划分对各功能模块中的模块功能任务进行时间规划。

本发明的优点在于：本发明对各功能模块的任务和时间进行划分，所有任务都在规定的时间分区内执行；功能模块之间利用TTP/C总线的全局时基进行时间同步，保证数字电子控制器内部的所有任务有序执行，避免了模块之间的数据冲突，减少中断任务的产生，提高控制器可靠性。数字电子控制器利用TTP/C总线网络将各功能模块连接，任意功能模块均可以接收到其他功能模块的数据。该架构能降低模块故障对数字电子控制器的影响，降低控制器功能降级速度，提高控制器安全性。

附图说明

图1为本发明的结构组成示意图。

图2为本发明的信号采集模块功能结构框图。

图3为本发明的驱动输出模块功能结构框图。

图4为本发明的控制运算模块功能结构框图。

图5为本发明的控制运算模块数据交互框图。

图6为本发明的备份模块功能结构框图。

图7为本发明的健康管理模块功能结构框图。

图8为本发明的TTP/C总线周期时间槽规划示意图。

图9为本发明的信号采集模块任务时间规划示意图。

图10为本发明的驱动模块任务时间规划示意图。

图11为本发明的控制运算模块任务时间规划示意图。

图12为本发明的备份模块任务时间规划示意图。

图13为本发明的健康管理模块任务时间规划示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供一种基于TTP/C总线的高安全性数字电子控制器架构，如图1所示，基于TTP/C总线将数字电子控制器内部划分为若干功能模块，功能模块之间任务独立，通过TTP/C总线网络进行数据交互，模块接口之间耦合度低；可根据功能模块对航空发动机控制系统安全性的影响，进行不同的余度设计；

TTP/C总线按照TTP/C总线周期进行时间槽规划，各功能模块根据时间槽规划在设定时刻执行模块通讯任务，进行TTP/C总线数据传输；在功能模块内，对模块功能任务进行时间分区，每个模块功能任务均在确定的时刻进行；

模块功能任务由功能模块内的TTP/C总线控制器触发，模块功能任务和模块通讯任务协同进行；

TTP/C总线控制器按TTP/C总线周期产生定时中断，功能模块将产生的定时中断作为模块功能任务的起始时刻，各模块功能任务顺序执行，功能模块不再使用其他中断，任务执行过程中不会产生中断嵌套；

所述的数字电子控制器属于基于背板总线的组合余度架构，数字电子控制器故障降级慢，控制系统安全性高。功能模块一次故障及非相同功能模块的二次及三次故障时控制系统正常工作，控制系统任务执行不受影响，相同功能模块的二次故障或TTP/C总线背板故障时，保证控制系统安全工作，不发生灾难性后果；

该数字电子控制器根据外部信号特征及功能需求，进行控制器功能模块设计，包括：信号采集模块、驱动输出模块、控制运算模块、健康管理模块、备份模块；其中，信号采集模块、驱动输出模块、控制运算模块构成主控通道，正常情况下由主控通道执行发动机控制功能；备份模块独立构成备份通道，用于主控通道故障时，控制发动机安全运行；根据各个功能模块的功能对安全性的影响，对功能模块进行不同的余度设计；设计信号采集模块、驱动输出模块、控制运算模块为双余度，健康管理模块、备份模块为单余度。

信号采集模块用于采集航空发动机各部件工作状态信号，为传感器提供激励电源，同时通过TTP/C总线与控制运算模块等其它功能模块通讯，其功能结构框图如图2所示；部件工作状态信号主要包括涵道内各部位的气体温度及压力、转子的转速信号、燃油附件的温度及压力、发动机振动等信号以及各部件离散的微动开关等信号；信号采集模块根据控制运算模块的指令为需要激励的传感器提供激励电源；模块通讯功能主要包括与控制运算模块进行数据交互，将采集到的发动机各部件工作状态信号发送给控制运算模块，接收控制运算模块的激励电源控制输出指令信息；

驱动输出模块用于输出模拟量或者离散量信号驱动各执行机构动作，并通过TTP/C总线与控制运算模块等其它功能模块进行通讯，其功能结构框图如图3所示。模拟量输出功能主要负责将控制运算模块给定的燃油流量及导叶角度等模拟量的指令信息转换为电流信号，驱动电液伺服阀等执行机构动作，并采集电液伺服阀阀芯位移等信息，进行闭环运算，保证燃油流量或导叶角度动作到位。离散量输出功能主要负责将离散的指令信息转换为电压信号，驱动电磁阀等执行机构动作，并采集电磁阀是否有断线、过流故障等BIT（自建内测试）检测信息。模块通讯功能包括与控制运算模块进行数据交互，接收控制运算模块需要输出的指令信息，并将执行机构的状态发送给控制运算模块；

控制运算模块是数字电子控制器的核心，主要用于控制规律计算、控制器BIT检测、与外部飞机设备通讯以及通过TTP/C总线与各个功能模块通讯，其功能结构框图如图4所示。控制规律计算功能利用发动机各类传感器信息以及飞机设备给出的指令信息进行计算，计算出各执行机构需要的动作位置等信息；控制器BIT检测功能利用从传感器或执行机构获取的信息与极大值、极小值、变化速率限制等信息进行比较，判断传感器采集信息的合理性，分析传感器、执行机构是否故障等信息，对是否继续使用该传感器作出判断；与外部飞机设备通讯功能用于接收飞机的各种指令信息并将自身状态发送给飞机设备。模块通讯功能负责与各功能模块通讯，获取发动机系统各部件状态，输出各执行机构动作指令，并将采集的部件状态、输出的控制信息、数字电子控制器的BIT检测信息与其它控制运算模块、备份模块进行数据交互，将发动机状态与健康管理模块进行交互，其与各模块数据交互框图如图5所示。

备份模块为独立模块，其功能结构框图如图6所示。备份模块内包含部分关系到发动机安全的关键部件状态信号采集、执行机构驱动输出、控制规律计算、关键功能的BIT监测等功能。备份模块具备独立控制发动机的安全运行的能力。正常状态下备份模块本身处于备份状态，与主控通道同时进行控制规律运算，但不执行执行机构的输出；当主控通道故障，不能执行完整的发动机控制功能时切换到备份通道控制，保证发动机安全运行。备份模块与控制运算模块进行通讯，进行数据互校验，保证数字电子控制器控制运算功能正常。

健康管理模块用于监控发动机健康状态，其功能结构框图如图7所示，其采集发动机的振动等信息，同时根据TTP/C总线获取到发动机的状态信息，分析发动机的故障状态，得到发动机的健康状态，并通过TTP/C总线发送给控制运算模块。

基于TTP/C总线的高安全性数字电子控制器依据TTP/C总线的时间确定性，对各功能模块的模块功能任务、模块通讯任务、TTP/C总线周期时间槽进行严格的时间划分；各功能模块的模块通讯任务是由功能模块内的TTP/C总线控制器执行；

根据控制运算模块与其他功能模块的数据依赖关系，为使功能模块之间数据延时达到最小，设计了TTP/C总线周期时间槽的规划，如图8所示；TTP/C总线周期为5ms，将该5ms划分为若干时间槽，确定各功能模块的模块通讯任务占用的TTP/C总线周期时间槽，避免数据冲突；

信号采集模块包含FPGA及TTP/C总线控制器；由此，信号采集模块的模块功能任务仅包括FPGA任务；根据TTP/C总线周期时间槽划分对FPGA任务进行时间规划；设计信号采集模块的FPGA任务时间规划如图9所示，0.9ms～1ms为FPGA读取TTP/C总线数据接收控制运算模块指令，1ms～1.1ms为FPGA根据接收到的指令信息进行动作，3ms～3.6ms为FPGA进行信号采集任务，完成各部件工作状态信息，3.6ms～3.7ms为FPGA将采集到的状态信息写入TTP/C总线控制器接口；

驱动输出模块包含CPU、FPGA及TTP/C总线控制器，由此，驱动输出模块的模块功能任务包括CPU任务、FPGA任务；根据TTP/C总线周期时间槽划分对CPU任务、FPGA任务进行时间规划；CPU负责数据的收发以及闭环运算任务，FPGA负责管理外部执行机构，进行电流的输出及阀芯位移的采集等。设计CPU任务、FPGA任务时间规划如图10所示；设计CPU任务时间规划为1ms～1.8ms读取TTP/C总线数据，进行控制指令的闭环运算，计算需要输出的电流信号，4.3ms～4.5ms读取FPGA采集的阀芯位移信息并写入到TTP/C总线控制器接口；设计FPGA任务时间规划为1.8ms～1.9ms执行电流输出，4.1ms～4.3ms进行阀芯位移信号采集。

控制运算模块包含CPU、FPGA及TTP/C总线控制器，由此，控制运算模块的模块功能任务包括CPU任务、FPGA任务；CPU负责数据的收发以及控制规律计算、控制器BIT检测，FPGA负责管理与飞机设备通讯；根据TTP/C总线周期时间槽划分对CPU任务、FPGA任务进行时间规划；设计CPU任务、FPGA任务时间规划如图11所示；设计CPU任务时间规划为0～0.1ms将闭环运算输出指令信息写入到TTP/C总线接口，0.1～0.3ms从TTP/C总线读取其他功能模块发送的信息，0.3ms～0.4ms向FPGA写入与飞机通讯数据；0.4ms～5ms执行控制规律运算及控制器BIT监测；设计FPGA任务时间规划为0.4～3ms执行与飞机设备通讯任务；

备份模块作为独立模块，包含CPU、FPGA及TTP/C总线控制器，由此，备份模块的模块功能任务包括CPU任务、FPGA任务；CPU负责数据的收发以及控制规律计算、控制器BIT检测，FPGA负责信号采集、电流输出以及与飞机设备通讯。根据TTP/C总线周期时间槽划分对CPU任务、FPGA任务进行时间规划；设计CPU任务、FPGA任务时间规划如图12所示。设计CPU任务时间规划为0～0.2ms将闭环运算输出指令信息写入到TTP/C总线接口，0.2ms～0.3ms向FPGA写入需要输出的电流信息以及与飞机通讯数据，0.3ms～0.4ms读取FPGA采集的数据，1～1.1ms从TTP/C总线读取控制运算模块发送的信息，1.2ms～5ms执行控制规律运算及控制器BIT监测；设计FPGA任务为0.3～0.4ms执行电流输出任务，0.3～3ms执行与飞机设备通讯任务，4.5～5ms执行信号采集任务，采集发动机部件运行状态信息；

健康管理模块包含CPU、FPGA及TTP/C总线控制器，由此，健康管理模块的模块功能任务包括CPU任务、FPGA任务；根据TTP/C总线周期时间槽划分对CPU任务、FPGA任务进行时间规划；CPU负责数据的收发以及健康管理算法运算，FPGA负责信号采集。设计CPU任务、FPGA任务时间规划如图13所示；设计CPU任务时间规划为0～0.1ms将数字电子控制器健康状态信息写入到TTP/C总线接口，0.1～0.2ms读取FPGA采集的振动等信息，1ms～1.1ms读取TTP/C总线数据，接收控制运算模块消息，1.1ms～5ms进行健康管理算法处理运算；设计FPGA任务时间规划为4.7ms～5ms采集振动等信息。

至此，利用本发明提出的基于TTP/C总线的高安全性数字电子控制器所有任务模块功能设计及任务的时间规划设计均已完成，控制器所有任务均能够按照时间规划设计周期性工作，完成航空发动机闭环设计任务。

Claims

1.一种基于TTP/C总线的高安全性数字电子控制器架构，其特征在于，基于TTP/C总线将数字电子控制器内部划分为若干功能模块，功能模块之间任务独立，通过TTP/C总线网络进行数据交互，关键的功能模块为双余度；

TTP/C总线按照TTP/C总线周期进行时间槽规划，各功能模块根据相应时间槽规划在设定时刻执行模块通讯任务，进行TTP/C总线数据传输；在功能模块内，对模块功能任务进行时间分区，每个模块功能任务均在确定的时刻进行；

模块功能任务和模块通讯任务协同进行；

模块功能任务由功能模块内的TTP/C总线控制器触发，TTP/C总线控制器按TTP/C总线周期产生定时中断，功能模块将产生的定时中断作为模块功能任务的起始时刻，各模块功能任务顺序执行；

所述的基于TTP/C总线的高安全性数字电子控制器架构，包括主控通道、备份通道，以及健康管理模块；

信号采集模块、驱动输出模块、控制运算模块为双余度；健康管理模块、备份模块为单余度；

驱动输出模块用于输出驱动信号以驱动各执行机构动作；通过TTP/C总线与其它功能模块通讯，与控制运算模块进行数据交互，接收控制运算模块输出的指令信息，控制相应的执行机构动作，并将执行机构的状态发送给控制运算模块；

驱动输出模块包括：

离散量输出功能，用于将离散的指令信息转换为电压信号，驱动相应执行机构动作，并采集相应执行机构的故障和BIT检测信息，发送给控制运算模块；

与各个功能模块通讯功能负责与各功能模块通讯，获取发动机各部件状态，输出各执行机构动作指令，并将采集的部件状态、输出的控制信息、数字电子控制器的BIT检测信息与其它控制运算模块、备份模块进行数据交互，将发动机状态与健康管理模块进行交互；

2.如权利要求1所述的基于TTP/C总线的高安全性数字电子控制器架构，其特征在于，

模块功能任务和模块通讯任务的周期与TTP/C总线周期一致，或者是其整数倍。

3.如权利要求1所述的基于TTP/C总线的高安全性数字电子控制器架构，

各功能模块的模块通讯任务于TTP/C总线周期内占用互不冲突的时间槽；根据TTP/C总线周期时间槽划分对各功能模块中的模块功能任务进行时间规划。

4.如权利要求3所述的基于TTP/C总线的高安全性数字电子控制器架构，

TTP/C总线周期为5ms；

信号采集模块的模块功能任务包括FPGA任务；信号采集模块的FPGA任务时间规划为：0.9ms～1ms为FPGA读取TTP/C总线数据接收控制运算模块指令，1ms～1.1ms为FPGA根据接收到的指令信息进行动作，3ms～3.6ms为FPGA进行信号采集任务，完成各部件工作状态信息，3.6ms～3.7ms为FPGA将采集到的状态信息写入TTP/C总线控制器接口；

驱动输出模块的模块功能任务包括CPU任务、FPGA任务；驱动输出模块的CPU任务、FPGA任务时间规划为：CPU任务时间规划为1ms～1.8ms读取TTP/C总线数据，进行控制指令的闭环运算，计算需要输出的驱动信号，4.3ms～4.5ms读取FPGA采集的信息并写入到TTP/C总线控制器接口；FPGA任务时间规划为1.8ms～1.9ms执行驱动输出，4.1ms～4.3ms进行执行机构信号采集；

控制运算模块的模块功能任务包括CPU任务、FPGA任务；控制运算模块的CPU任务、FPGA任务时间规划为：CPU任务时间规划为0～0.1ms将闭环运算输出指令信息写入到TTP/C总线接口，0.1～0.3ms从TTP/C总线读取其他功能模块发送的信息，0.3ms～0.4ms向FPGA写入与飞机通讯数据；0.4ms～5ms执行控制规律运算及控制器BIT监测；FPGA任务时间规划为0.4～3ms执行与飞机设备通讯任务；

备份模块的模块功能任务包括CPU任务、FPGA任务；备份模块的CPU任务、FPGA任务时间规划为：设计CPU任务时间规划为0～0.2ms将闭环运算输出指令信息写入到TTP/C总线接口，0.2ms～0.3ms向FPGA写入需要输出的驱动信息以及与飞机通讯数据，0.3ms～0.4ms读取FPGA采集的数据，1～1.1ms从TTP/C总线读取控制运算模块发送的信息，1.2ms～5ms执行控制规律运算及控制器BIT监测；设计FPGA任务为0.3～0.4ms执行驱动信号输出任务，0.3～3ms执行与飞机设备通讯任务，4.5～5ms执行信号采集任务，采集发动机部件运行状态信息；

健康管理模块的模块功能任务包括CPU任务、FPGA任务；健康管理模块的CPU任务、FPGA任务时间规划为：CPU任务时间规划为0～0.1ms将数字电子控制器健康状态信息写入到TTP/C总线接口，0.1～0.2ms读取FPGA采集的振动信息，1ms～1.1ms读取TTP/C总线数据，接收控制运算模块消息，1.1ms～5ms进行健康管理算法处理运算；FPGA任务时间规划为4.7ms～5ms采集振动信息。