一种基于嵌入式CPU与FPGA的异构计算结构的飞机模拟电负
载控制系统
技术领域
本发明涉及飞机定型试飞科目模拟电负载技术领域,是一种基于嵌入式CPU与FPGA的异构计算结构的飞机模拟电负载控制系统。
背景技术
飞机定型试飞科目模拟电负载领域中,需要设计一套完整的系统用于将飞机电源系统发电机的输出功率达到特定状态,以满足部分试飞科目要求。而通过控制可变负载的阻值参数实现与发电机功率匹配,同时为了保证系统在发生紧急情况部分功能失效后,飞机可以中断发电机与负载的连接,还需设计应急卸载机制。一般民用飞机常使用工业控制计算机为核心的控制系统来实现自动控制测量,即可编程逻辑控制器(简称PLC),该系统中包括CPU模块、模拟量输入(AI)模块、开关量输入(DI)模块、模拟量输出(AO)模块、开关量输出(DO)模块及电源模块以及通讯模块通过“搭积木”的方式共存于专用的底板上,通过内部总线交换信息。工控机在飞机试飞科目中应用有较为明显的弊端,其抗干扰能力与电磁兼容的能力直接影响其工作的稳定性。
飞机试飞定型过程中,安全性是所有试飞科目中需要考虑的关键,控制器的可靠性、抗干扰能力与电磁兼容能力是设计控制器的前提条件,其次为了满足不同试飞科目的需求,满足基本功能需求外,还要有通用性强、易于扩展与维护简单等特点。控制飞机负载的系统需满足电负载试飞科目中所有的任务以及指标要求。指标要求主要包括模拟负载与飞机抽引口的功率匹配、模拟负载的加载梯度、卸载梯度以及卸载不平衡度、根据飞机发电机的输出功率可自动调控保持负载总加载值。需要实现较为精确的电压电流采集与功率因数的计算、稳定的闭环控制算法测试数据存储回放、与飞机通讯以及简单便捷的人机交互界面。
发明内容
本发明为实现负载系统的自动化调节程度不断提高,系统调节的高精度、可靠性,本发明提供了一种基于嵌入式CPU与FPGA的异构计算结构的飞机模拟电负载控制系统,本发明提供了以下技术方案:
一种基于嵌入式CPU与FPGA的异构计算结构的飞机模拟电负载控制系统,所述系统包括嵌入式CPU、FPGA、数字I/O模块、ARINC 429模块、RTD测温模块、接触器执行模块、指示灯、应急卸载模块、模拟电压和电流采集模块;
所述嵌入式CPU连接FPGA,所述FPGA连接数字I/O模块,所述数字I/O模块连接指示灯、应急卸载模块,所述FPGA连接ARINC 429模块、RTD测温模块,所述FPGA连接模拟电压和电流采集模块,所述FPGA连接接触器执行模块。
优选地,所述嵌入式CPU通过USB连接键盘、鼠标和U盘。
优选地,所述数字I/O模块直接采集负载箱出入水口的输出信号和接触器执行模块的反馈信号,传输至FPGA进行逻辑运算后转换为可供处理的数据,并将可供处理的数据发送至嵌入式CPU。
优选地,通过所述模拟电压和电流采集模块采集三相交流电抽引口的电压和电流数据,将所述电压和电流数据经缓冲和调理后通过FPGA进行逻辑运算处理之后传送给嵌入式CPU。
优选地,通过ARINC 429模块与飞机测试系统通讯,采集到总线数据并进行解码,将飞行状态信息转换为可供处理的数据。
优选地,所述RTD测温模块采集每个负载箱内的空气温度和飞机盘箱温度,当每个RTD通道经滤波、A/D转换采样后经FPGA逻辑运算处理之后传给嵌入式CPU。
优选地,所述嵌入式CPU内置硬件看门狗。
优选地,所述嵌入式CPU连接参数显示与人机交互GUI。
优选地,所述系统还包括DDR,所述嵌入式CPU连接DDR。
本发明具有以下有益效果:
本发明基于嵌入式CPU与可重构的FPGA架构的控制器,根据需求配置了不同I/O功能模块,搭建飞机负载功率计算与实时调控的系统平台,提升系统性能并简化了嵌入式控制和监测系统的设计,可保证系统实时准确高效安全地运行。
本发明对软、硬件分别实现的功能进行合理划分,充分利用了FPGA可完全重配置与提供硬件定时的快速性与稳定性,实现数据采集与控制逻辑;也充分利用了处理器能够完成复杂算法计算优势实现了差值匹配算法与良好的交互界面。
本发明基于嵌入式CPU和FPGA实现的飞机模拟电负载系统与传统的工控机实现方式相比,具有更好的抗干扰能力与电磁兼容性,尤其是嵌入式CPU内置的硬件看门狗,在软件出现卡死时能够自动将控制软件快速重启,实现了系统运行过程中安全性。
附图说明
图1为基于嵌入式CPU与FPGA的异构计算结构的飞机模拟电负载控制系统结构图。
具体实施方式
以下结合具体实施例,对本发明进行了详细说明。
具体实施例一:
根据图1所示,本发明提供一种基于嵌入式CPU与FPGA的异构计算结构的飞机模拟电负载控制系统,所述系统包括嵌入式CPU、FPGA、数字I/O模块、ARINC 429模块、RTD测温模块、接触器执行模块、指示灯、应急卸载模块、模拟电压和电流采集模块;
所述嵌入式CPU连接FPGA,所述FPGA连接数字I/O模块,所述数字I/O模块连接指示灯、应急卸载模块,所述FPGA连接ARINC 429模块、RTD测温模块,所述FPGA连接模拟电压和电流采集模块,所述FPGA连接接触器执行模块。所述嵌入式CPU通过USB连接键盘、鼠标和U盘。
所述数字I/O模块直接采集负载箱出入水口的输出信号和接触器执行模块的反馈信号,传输至FPGA进行逻辑运算后转换为可供处理的数据,并将可供处理的数据发送至嵌入式CPU。
通过所述模拟电压和电流采集模块采集三相交流电抽引口的电压和电流数据,将所述电压和电流数据经缓冲和调理后通过FPGA进行逻辑运算处理之后传送给嵌入式CPU。通过ARINC 429模块与飞机测试系统通讯,采集到总线数据并进行解码,将飞行状态信息转换为可供处理的数据。所述RTD测温模块采集每个负载箱内的空气温度和飞机盘箱温度,当每个RTD通道经滤波、A/D转换采样后经FPGA逻辑运算处理之后传给嵌入式CPU。所述嵌入式CPU内置硬件看门狗。所述嵌入式CPU连接参数显示与人机交互GUI。所述系统还包括DDR,所述嵌入式CPU连接DDR。
基于嵌入式CPU与可重构FPGA架构的飞机负载控制器工作原理,整体分为运行实时监控软件的嵌入式CPU与执行控制逻辑的可重构FPGA两个部分,两个部分既分别发挥各自的优势,又通过数据的传递有机的关联在一起,协同工作。
民用飞机发电机产生的功率通过抽引口引出供机内使用,在抽引口接入负载机箱时需要经过三相断路器,可以由人为手动通断,在接通时对电流过载具有保护功能,经过断路器后的电流经过电路板上的霍尔电压传感器,进行电压采集,采集得到的信号传送至CPU经过运算处理之后在上位机界面直观呈现给测试工程师,而温度传感器采集的负载箱进、出水口温度以及盘箱的温度信号经由FPGA通过逻辑运算以后发送至CPU处理后显示。同时FPGA部分的ARINC 429模块实时读取飞机姿态信息与燃油数据,实现与飞机测试系统通讯,并将通讯信息解码,将飞机姿态以及燃油信息转变为可供处理的数据,发送给嵌入式CPU;FPGA除去信息处理与逻辑运算功能外,还有控制负载切换的功能,FPGA产生控制信号经驱动电路放大提升带载能力之后控制板级继电器控制接触器的通断,从而控制阻性模拟电负载的加减载。而最核心的功能是当飞机或负载控制系统遇突发功能无法正常工作时,为保证试飞科目的安全需要切断发电机与模拟电负载系统的连接,此时FPGA可以提供应急卸载功能,并且按成逻辑设定,按照一定的卸载梯度,不超过规定卸载速率的方式自动有序把接入系统的负载完成卸载。对于CPU来说,核心部分为实现负载匹配算法,主要功能为计算挂接在电路中的负载功率值是否与发电机功率匹配,如若存在不匹配问题,会在嵌入式软件界面中显示差值,其匹配方式可由测试工程师手动调配也可由CPU根据差值匹配算法发送控制命令至FPGA进行加减载操作。正是软硬件协同操作,数据互相交互传递以及命令的通畅收发才能保障。
根据图1所示,系统整体分为运行实时监控软件的嵌入式CPU与执行控制逻辑的可重构FPGA两个部分,两个部分协同工作既分别发挥各自的优势,又通过数据的传递有机的关联在一起。
FPGA为Intel公司CycloneⅣ系列EP4CE15E22I7N型号产品。该型号FPGA逻辑单元数为15408,嵌入式内存为1134kbits,内部嵌入式乘法器数量为116,同时共有144个外部管脚,满足系统应急卸载功能的需求。
嵌入式CPU采用cRIO-9038,cRIO-9038的核心技术参数如下:
1)具有双CPU的Intel Atom E3825处理器、1MB共享缓存、8GB固态硬盘、2GB DDR3L存储空间,同时支持最大32GB的可拆卸SD卡,可以实现模拟电负载系统实时参数的存储;
2)采用Xilinx Kintex-7 7K160T可重配置FPGA,具有600片DSP、11700kb块RAM,搭配多功能C模块可以实现参数采集、控制命令输出、数据处理和ARINC429通讯等功能;预装NI实时操作系统,可用于开发嵌入式用户界面,同时具备Mini DP接口,方便与外部显示器连接,实现操作人员对人机交互界面的操作;具备RJ45网口、USB接口以及串口,能够实现与机载测试系统的通讯应急卸载模块死机条件下,按照卸载梯度断开负载。逻辑中为保证卸载梯度不大于70kVA/s,采用FPGA内部计数器进行延时卸载的策略,其中延时时间的计算方式为依据阻性负载分档方案,按照70kVA/s的梯度对从大到小的各阻性负载等比例缩小卸载时间,并固化到FPGA内部将ARINC429接收模块的数据传输频率设置为100kbps,与发送端保持一致。当接收到数据后,将其转换为32bits的2进制数,便于后续的截取与判断。随后统计数据内部“1”的个数,如果个数为偶数,则说明数据传输中出现了错误,在人机交互界面中给出相应告警信息,反之则认为数据传输无误,可以执行后续操作。之后按照各部分的数据长度对数据进行截取,并依次判断,其中标号位为低8位,用以表征数据对应的信号名称;第9和10位为源/目的识别码位;第11到第28位为数据位,从高到低分别代表该信号最大值的1/2、1/4、1/8…,用以计算当前传输信号的大小;29位为数据的符号位,当该位为0时,说明该数据为正值,反之为负值;31和30两位为状态位,共有四种状态,按照31位和30位的顺序,00为故障状态、01为为无效状态、10为测试状态、11为正常状态;最高位也就是第32位,是数据的校验位[46]。当完成对数据的解析并确认数据处于正常值范围内后,则将数据用于其余程序的计算或者显示中。
以上所述仅是一种基于嵌入式CPU与FPGA的异构计算结构的飞机模拟电负载控制系统的优选实施方式,一种基于嵌入式CPU与FPGA的异构计算结构的飞机模拟电负载控制系统的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本领域的技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化,这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。