CN114661027A - 航空发动机分布式控制系统通信数据帧设计及交互方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航空发动机分布式控制系统通信数据帧设计及交互方法，步骤如下：上位机对TTP总线节点的指令进行指令帧封装；中央控制器节点对接收到的上位机指令帧进行解析和分包转发；智能节点对接收到的中央控制器节点数据进行解包处理；智能节点反馈数据帧封装；中央控制器对智能节点数据帧的解析、封装及发送；中央控制器将所有节点数据帧打包成一个监视数据帧并通过以太网发送到上位机；上位机按照数据帧协议对总线数据的解析及监视。本发明在不增加TTP硬件监视节点的前提下，设计了一种分布式总线通信数据帧及交互方式，实现了TTP总线带宽下发动机控制、指令和监视数据的交互，节省了设备成本和设备安装空间，可以大大减少后期维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及航空总线通信技术，特别是航空发动机分布式控制系统通信数据帧设计及交互方法。
背景技术
近年来，航空发动机分布式数控系统逐步从研究阶段转入实际应用阶段，伴随着分布式智能计算节点的使用，随即产生了大量的控制、监视和维护类通信数据，特别是对于预研阶段的发动机来说，发动机及控制系统本身产生的数据也需要进行收集和监视，集中式架构下的将每个计算CPU连接一个监视上位机进行控制、监视和维护数据交互的方式已不适应于分布式控制系统，因此必须将这些数据通过总线进行交互。
TTP/C总线作为一种时间触发协议总线，由于高效、通道冗余、同步及硬实时特性，其在发动机分布式控制系统中的应用已成为一个重要的研究方向。TTP/C总线和上位机进行交互的常用方式是在总线上挂接一个专用监视节点，该监视节点通过串口或以太网和上位机进行交互，该种方式一方面由于监视节点的引入增加了成本，另一方面需要发动机试验现场具备安装空间，且后期拆装维护也不方便。因此有必要研究将总线上主控智能节点作为桥梁实现上位机和总线上智能节点的数据交互，通过一种复用规格通信数据帧的交互方法实现在总线带宽约束下的大容量控制、维护和监视数据的传输。
发明内容
技术方案：本发明所述的航空发动机分布式控制系统通信数据帧设计及交互方法，包括以下步骤：
(1)上位机中对TTP总线智能节点的指令信息进行指令帧封装；指令帧中用节点ID区别表示不同的智能节点，用指令字区别表示指令类型。
(2)中央控制器节点对接收到的上位机指令帧进行解析和分包转发；若中央控制器未接收到上位机指令帧，则进行正常控制帧数据的发送；若中央控制器接收到上位机指令帧且指令帧中的指令类型为“程序下载”，则将指令帧中的ID和指令类型更新到中央控制器发送帧的总线状态字中，用以通知总线各节点进入下载准备状态；若指令类型不为“程序下载”类型，且指令帧中的ID与中央控制器ID一致，则中央控制器对指令帧进行解析和使用，否则中央控制器将指令数据填充到指令帧中指定节点ID的数据发送缓冲区进行指令发送；当某个节点的指令帧长度超出了该节点在帧中所分配的发送数据长度时需要对指令帧进行分包处理，每个分包帧中添加总分包数、当前分包数信息；
其中，中央控制器发送帧的总线状态字由节点ID和指令类型构成，用于区分中央控制器节点发送TTP数据帧的正常控制状态和上位机的指令帧控制状态，若未收到上位机指令帧时，中央控制器按照正常控制帧进行数据的发送，总线状态字设为0xffff。
中央控制器节点与总线各节点的通信帧采用广播发送方式，同时为了对不同节点数据进行区分以方便后期维护，对通信帧进行了节点数据分区设置，即通过帧中偏移及帧中长度控制节点数据在帧中发送的起始位置和结束位置。
(3)智能节点对接收到的中央控制器节点数据进行解包处理；若接收的中央控制器发送帧的总线状态字为正常控制帧，也即为0xffff，则按照正常控制协议进行解析；否则若接收的总线状态字的指令类型为“程序下载”，则执行“程序下载”标志写入操作；否则判断接收的总线状态字的节点ID是否为自身ID，若不为自身ID，则执行正常的总线数据解析；若为自身ID，则根据指令帧协议中的数据长度、总分包数、当前分包数等信息进行指令帧的解析和使用。
(4)智能节点反馈数据帧封装；若接收的中央控制器发送帧的总线状态字为正常控制帧，也即为0xffff，则智能节点反馈数据帧按照正常数据协议帧进行封装，反馈数据帧的总线状态字为正常数据帧，也即为0xffff；
否则若接收到的中央控制器节点的总线状态字的指令类型为“程序下载”，则将接收到的中央控制器节点的总线状态字更新到智能节点反馈数据帧的总线状态字中，并在智能节点发送给中央控制器的数据区按照“程序下载”状态反馈协议进行维护数据的发送；
否则根据接收到的中央控制器节点的总线状态字中的节点ID，判断是否为自身ID，若不为自身ID，则按照正常数据协议帧进行反馈；若为自身ID，则按照指令帧的反馈协议进行维护数据的发送。
(5)中央控制器数据对智能节点数据帧的解析、封装及发送；中央控制器将所有节点数据帧打包成一个监视数据帧并通过正以太网发送到上位机。
(6)上位机对总线数据的解析及监视；上位机接收到监视数据帧后，按照数据帧协议进行数据解析。
一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的航空发动机分布式控制系统通信数据帧设计及交互方法。
一种计算机设备，包括储存器、处理器及存储在存储器上并可再处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的航空发动机分布式控制系统通信数据帧设计及交互方法。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：在不增加TTP硬件监视节点的前提下，设计了一种分布式总线通信数据帧及交互方式，实现了TTP总线带宽下发动机控制、指令和监视数据的交互，节省了设备成本和设备安装空间，可以大大减少后期维护成本。
附图说明
图1为系统硬件架构图；
图2为数据交互流程图；
图3为上位机指令帧格式示意图；
图4为中央控制器节点数据解析与分包流程示意图；
图5为智能节点发送正常控制(反馈)数据帧格式示意图；
图6为智能节点发送指令帧(指令反馈帧)分包帧格式示意图；
图7为智能节点数据解包流程示意图；
图8为中央控制器节点监视数据帧格式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
系统硬件架构如图1所示，上位机3和中央控制器节点1通过以太网2进行连接，中央控制器节点1和各智能节点5通过TTP/C总线4进行连接。如图2所示，系统上电运行后，上位机进行指令帧封装和发送，中央控制器节点对接收到的指令帧进行解析、使用或分发，智能节点收到分发的数据后进行解析和处理，并将反馈数据封装成帧发送给中央控制器节点，中央控制器节点对智能节点数据帧进行封装并发送给上位机进行解析显示。具体步骤如下：
S1、上位机指令帧封装、发送
S1.1、对上位机的指令类型进行分类，设置指令类型“程序下载”为“0x01”、“Flash维护”为“0x02”、“在线检查”为“0x03”、“小闭环”为“0x04”；
S1.2、设置智能节点ID，要求各节点ID唯一且与硬件ID一致；
S1.3、按照图3进行上位机指令帧封装并通过以太网发送；
S2、中央控制器节点对接收到的上位机指令帧进行解析及分包转发
S2.1、对中央控制器节点发送帧进行分区设置，功能相同的智能节点A、B通道公用一个发送区间，不同功能的智能节点占用不同的发送区间，如图5所示，共为8个节点划分了4个节点数据区。
S2.2、如图4所示，若未收到上位机指令帧时，中央控制器节点将总线状态字设为0xffff，将正常控制帧数据填写到节点数据区；否则若中央控制器接收到上位机指令帧，则将指令帧中的ID和指令类型更新到中央控制器发送帧的总线状态字中，总线状态字在指令帧中的位置如图5、图6所示。
S2.3、若收到上位机指令帧且指令类型不为“程序下载”类型，且指令帧中ID与中央控制器ID一致，则中央控制器对指令帧进行解析和使用。
S2.4、若指令帧中ID与中央控制器ID不一致，则根据指令帧中的节点ID号将该指令帧填充到对应节点ID的节点数据区，若指令帧长度超过了节点数据区的分配长度，则进行分包处理：每包的节点数据区前两个字节填充节点总包数和当前节点包数信息，剩余的节点数据区填充指令帧信息，具体如图6所示。
其中：总包数＝[指令帧字节长度/(节点数据区字节长度–2)]，该算法采用上取整算法；当前包数在每发一次分包数据是加1。
S2.5、中央控制节点发送数据帧采用广播方式发送，总线上的智能节点都能收到该数据帧。
S3、智能节点对接收到的中央控制器节点数据进行解包处理
S3.1、如图7所示，智能节点若接收的中央控制器发送帧的总线状态字为正常控制帧，也即为0xffff，则按照正常控制协议进行解析；
S3.2、否则若接收的总线状态字的指令类型为“程序下载”，则执行“程序下载”标志写入操作；
S3.3、否则判断接收的总线状态字的节点ID是否为自身ID，若不为自身ID，则执行正常的总线数据解析；若为自身ID，则根据指令帧协议中的头、数据长度、总分包数、当前分包数等信息进行指令帧的解析和使用。
S4、智能节点反馈数据帧封装、发送；
S4.1、若接收的中央控制器发送帧的总线状态字为正常控制帧，也即为0xffff，则智能节点反馈数据帧按照正常数据协议帧进行封装，反馈数据帧的总线状态字为正常数据帧，也即为0xffff；
S4.2、否则若接收到的中央控制器节点的总线状态字的指令类型为“程序下载”，则将接收到的中央控制器节点的总线状态字更新到智能节点反馈数据帧的总线状态字中，并在智能节点发送给中央控制器的数据区按照“程序下载”指令帧反馈帧协议进行维护数据的发送；
S4.3、否则根据接收到的中央控制器节点的总线状态字中的节点ID，判断是否为自身ID，若不为自身ID，则按照正常反馈数据协议进行反馈；若为自身ID，则按照指令帧的反馈协议进行维护数据的发送；
其中，指令反馈帧协议长度超过该智能节点为反馈目标节点分配的数据区长度时，需进行分包处理，分包处理办法见S2.4；智能节点反馈数据帧协议格式见图5；智能节点指令反馈帧分包帧格式见图6。
S5、中央控制器节点对智能节点数据帧的解析、使用、封装及发送
中央控制器收到节点数据后，一方面对节点数据进行解析，利用其中的反馈信息进行发动机控制，另一方面将所有节点数据帧打包成一个监视数据帧通过以太网发送到上位机，具体帧格式见图8。
S6、上位机对接收的中央控制器总线数据的解析及监视
上位机接收到监视数据帧后，根据各节点反馈数据帧的总线状态字中的节点ID及指令类型为各节点适配不同的协议进行解析显示。
Claims (7)
1.航空发动机分布式控制系统通信数据帧设计及交互方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)上位机中对TTP总线智能节点的指令信息进行指令帧封装；
(2)中央控制器节点对接收到的上位机指令帧进行解析和分包转发；若中央控制器未接收到上位机指令帧，则进行正常控制帧数据的发送；若中央控制器接收到上位机指令帧且指令帧中的指令类型为“程序下载”，则将指令帧中的ID和指令类型更新到中央控制器发送帧的总线状态字中，用以通知总线各节点进入下载准备状态；若指令类型不为“程序下载”类型，且指令帧中ID与中央控制器ID一致，则中央控制器对指令帧进行解析和使用，否则中央控制器将指令数据填充到指令帧中指定节点ID的数据发送缓冲区进行指令发送；当某个节点的指令帧长度超出了该节点在帧中所分配的发送数据长度时需要对指令帧进行分包处理，每个分包帧中添加该指令帧的分包帧总数信息和当前分包帧序号信息；
(3)智能节点对接收到的中央控制器节点数据进行解包处理；若接收的中央控制器发送帧的总线状态字为正常控制帧，也即为0xffff，则按照正常控制协议进行解析；否则若接收的总线状态字的指令类型为“程序下载”，则执行“程序下载”标志写入操作；否则判断接收的总线状态字的节点ID是否为自身ID，若不为自身ID，则执行正常的总线数据解析；若为自身ID，则根据指令帧协议中的数据长度、分包帧总数信息和当前分包帧序号信息进行指令帧的解析和使用；
(4)智能节点反馈数据帧封装；若接收的中央控制器发送帧的总线状态字为正常控制帧，也即为0xffff，则智能节点反馈数据帧按照正常数据协议帧进行封装，反馈数据帧的总线状态字为正常数据帧，也即为0xffff；
否则若接收到的中央控制器节点的总线状态字的指令类型为“程序下载”，则将接收到的中央控制器节点的总线状态字更新到智能节点反馈数据帧的总线状态字中，并在智能节点发送给中央控制器的数据区按照“程序下载”状态反馈协议进行维护数据的发送；
否则根据接收到的中央控制器节点的总线状态字中的节点ID，判断是否为自身ID，若不为自身ID，则按照正常数据协议帧进行反馈；若为自身ID，则按照指令帧的反馈协议进行维护数据的发送；
(5)中央控制器数据对智能节点数据帧的解析、封装及发送；中央控制器将所有节点数据帧打包成一个监视数据帧并通过正以太网发送到上位机；
(6)上位机对总线数据的解析及监视；上位机接收到监视数据帧后，按照数据帧协议进行数据解析。
2.根据权利要求1所述的航空发动机分布式控制系统通信数据帧设计及交互方法，其特征在于，步骤(1)中所述的指令帧中用节点ID区别表示不同的智能节点，用指令字区别表示指令类型。
3.根据权利要求1所述的航空发动机分布式控制系统通信数据帧设计及交互方法，其特征在于，步骤(2)中所述的中央控制器发送帧的总线状态字由节点ID和指令类型构成，用于区分中央控制器节点发送TTP数据帧的正常控制状态和上位机的指令帧控制状态，若未收到上位机指令帧时，中央控制器按照正常控制帧进行数据的发送，总线状态字设为0xffff。
4.根据权利要求1所述的航空发动机分布式控制系统通信数据帧设计及交互方法，其特征在于，所述步骤(2)中，中央控制器节点与总线各节点的通信帧采用广播发送方式。
5.根据权利要求1所述的航空发动机分布式控制系统通信数据帧设计及交互方法，其特征在于，所述步骤(2)中，对通信帧进行了节点数据分区设置，即通过帧中偏移及帧中长度控制节点数据在帧中发送的起始位置和结束位置。
6.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的航空发动机分布式控制系统通信数据帧设计及交互方法。
7.一种计算机设备，包括储存器、处理器及存储在存储器上并可再处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-5中任一项所述的航空发动机分布式控制系统通信数据帧设计及交互方法。
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|---|---|---|---|
| CN202210180685.7A CN114661027A (zh) | 2022-02-25 | 2022-02-25 | 航空发动机分布式控制系统通信数据帧设计及交互方法 |
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| CN202210180685.7A CN114661027A (zh) | 2022-02-25 | 2022-02-25 | 航空发动机分布式控制系统通信数据帧设计及交互方法 |
Publications (1)
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| CN (1) | CN114661027A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115695585A (zh) * | 2022-08-25 | 2023-02-03 | 南京航空航天大学 | 一种ttp/c总线承载以太网udp通信的方法 |
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2022
- 2022-02-25 CN CN202210180685.7A patent/CN114661027A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115695585A (zh) * | 2022-08-25 | 2023-02-03 | 南京航空航天大学 | 一种ttp/c总线承载以太网udp通信的方法 |
| CN115695585B (zh) * | 2022-08-25 | 2024-04-02 | 南京航空航天大学 | 一种ttp/c总线承载以太网udp通信的方法 |
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