（电力电子与电力传动专业论文）大型飞机供电系统处理机的设计.pdf

皇兰三兰奎兰塑圭兰! ! 垒兰 ! ! 叁 a b s t r a c t l a r g ep l a n eu s e st h em i x e dp o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mw h i c hi sb a s e d o nt h et e c h n o l o g yo fg l e c t r i c a lm u l t i p l e x e r ( e m u x ) a st h ek e r n e lo ft h e p o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m , p o w e rs y s t e mp r o c e s s o ri m p l e m e n t se l e c t r i c a l l o a ds c b e d u l i n ga n dm a n a g e m e n t ，s y s t e mf a u l tp r o c e s sa n df a u l tr e c o v e r y ， s y s t e mr e b u i i d i n g t h i st h e s i sm a i n l yd i s c u s s e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t o fp o w e rs y s t e mp r o c e s s o r p o w e rs y s t e mp r o c e s s o ri sat y p i c a le m b e d d e dr e a l t i m em u l t i t a s k i n g s y s t e m ， w h i e h r e q u e s t sh i g hp e r f o r m a n c e i nr e a l t i m e r e s p o n s e ， r e li a b i1it ya n dt h ea d a p t a t i o nt oe n v i r o n m e n t ，i no r d e rt oe n s u r es o f t w a r e q u a i t y ，w ea d o p tt e l i a b i l es o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r m ，r e a l t i m e s y s t e ma n a l y s i sa n dd e s i g nm e t h o d s b a s e d o nt h er e a l t i m eo p e r a t i n g s y s t e mv x w o r k s ，ap c 1 0 4s c m s p tc p ue m b e d d e dc o m p u t e ri se m p l o y e di nt h e p r o j e c t i nt h ed e s i g na n di m p l e m e n to fs y s t e mt a s k s ，t h em a i nt e c h n i q u e s a r er e a l i z e da sf o l l o w i n g ：s e t t i n gr e a l t i m em e m o r yd a t a b a s ea n di t s s t o r a g es t r u c t u r ea n ds e a r c ha l g o r i t h m ；s e t t i n gt w o l e v e ll o a dp r i o r i t y m a n a g e m e n ta n ds y s t e mr e b u i l d i n ga l g o r i t h mt oi m p l e m e n ts y s t e mf a u l t p r o c e s s ，r e c o v e r y ；s y s t e mi n t r o d u c i n gc o m p a c tf l a s hm e m o r yt os a v eh i s t o r y d a t a ：i tm e e t st h ed o u b l eb a c k u pr e q u e s tt h a tu s e1 5 5 3 bb u st oc o m m u n i c a t e r e s e n da n dt i m e o u tc o n t r o lm a k et h es y s t e mr e l i a b l e ：i ts e t su pt h e c o m m u n i c a t i o nw i t ht h ee m u l a t i o n a ls y s t e m t h er e a lt i m et a s k so fp s pa r e s p e c i f i e d b a s e do nt h es o f t w a r em o d e la n dt h er a t e - m o n o t o n i c s c h e d u lin g ( r m s ) isu s e dt os c h e d u l et h er u no ft a s k s k e y w o r d s ：e l e c t r i c a lm u l t i p l e x e r m i l - s t d 一1 5 5 3 b s y s t e mr e b u ii t i i p o w e rs y s t e mp r o c e s s o r r e a l t i m em e m o r yd a t a b a s e r a t e m e n o t o n i cs c h e d u li n g 西北工业大学硕士学位论丈第一章绪论 1 1 飞机电气系统 第一章绪论 飞机供电系统是指飞机电能的生产、变换和输配等装置组成的一个完整系 统，它是飞机动力系统的一个重要部分，其作用是向飞机上的所有用电设备 提供满足规定技术性能的电能，以保证飞机的安全飞行和完成作战任务。从 功能上可将飞机电气系统划分为电源系统( 又称发电系统) 和配电系统( 在 飞机上由于飞机电能传输距离较短，用电设备比较集中。输配电系统在航空 上通常叫做配电系统) 两大部分。电源系统由主电源、二次电源、应急电源 和辅助电源组成。主电源由航空发动机传动的发电机和电源调节保护装置等 构成，它是飞机上全部用电设备的能源。二次电源是将主电源电能变换为另 一种形式或规格电能的装置，用以满足不同用电设备的需要，是飞机电源系 统的重要组成部分。应急电源系统是一个独立电源系统，飞行中当主电源发 生故障时，航空蓄电池或应急发电机即成为应急电源，向飞机上的重要用电 设备供电。当航空发动机不工作时( 如地面维护时) ，这时由地面电源车供电 或靠辅助电源供电。配电系统则由电网、配电装置和电网保护装置等组成， 它的作用是将电源所产生的电能传输和分配到飞机的各个用电设备上去。 飞机输配电系统是指从电源通过汇流条到用电设备输入端的部分，它完 成传输和分配功能，按照它们的功用分成供电网和配电网。供电潮把电能输 送到配电中心，配电网再将电能从配电中心输送到用电设备上，供电网的结 构应保证可靠而又不问断地向用电设备供电。 配电系统按配电方式一股可分为集中式、分布式和混合式配电系统。 集中式配电的原理如图1 1 所示，所有电源所产生的电能都送到中心配 电装置，即所有电源( 发电机) 并联于一个公共电网上进行工作，然后由配 电装置将电能分配到各用电设备。这个方式的主要优点是：当一台发电机损坏 时。用电设备仍能由其它发电机继续供电操作，操作维护方便。缺点是配电 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 、- u j 电气盘量 电气盘t 、r 童气量t 囤1 1 集中式配电 国l _ 2 分敲式配电 系统重量大，中心配电装置发生故障，所有用电设备均断电。 分散式配电的原理如图1 2 所示，各电源产生的电能分别输送到各自的 配电装置，然后由它给其靠近的用电设备供电。当其中任一电源故障时，由 该电源供电的用电设备就通过自动转换开关接到另一电源上去。这种配电系 统的优点是：避免了电源并联运行的复杂性，结构比较简单，因而提高了系 统的可靠性，但这种配电方式在交沆配电系统中存在着可能的“拍频”干扰。 这种方式又可称为分布式配电。 混合式配电的原理如图1 3 所 示，在这种配电系统中，由电源产生 的电能都输送给中心配电装置。除了 中心配电装置之外，还有若干个二次 配电装置，它们安装在飞机的不同部 位。各用电设备可分别由上述两种配 电装置供电。这种配电系统具有集中 配电与分散配电的优点，可以大大减 小功搴电o u l i 圈1 3 挂合式配电 小导线和配电装置的重量，但是其缺点和集中配电方式一样，只要主配电中 心遭到破坏，全部用电设备的供电立即中断。 根据控制方式不同，飞机配电系统主要有以下三种结构：( 1 ) 常规配电 系统：该配电系统采用了诸如继电器、接触器、断路器等机电式配电设备， 馈电线全部引入座舱内的配电中心，二级配电中心或电气负载直接从配电中 心获得电能，由短路器提供馈电线过载保护。电气负载的控制方式为继电器 逻辑控制，由飞行人员通过离散控制信号线手动管理电气负载，负载的状态 2 ：；了 与珈t，承 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 由状态电门及信号指示灯来显示。由于配电中心就安装在驾驶舱内，这就要 求馈电线必须先从发电机端敷设到驾驶舱，然后再从驾驶舱返回到机身中心 的负载，因而主馈电线又长又重，早期的飞机和目前的小型飞机均采用这种 配电方式。( 2 ) 遥控配电系统：在该系统中，配电汇流条靠近用电设备，由飞 机驾驶员发出的遥控信号通过功率控制器( 如接触器) 对用电设备进行控制， 座舱内只引入控制线，目前的大、中型飞机均采用这种配电方式。( 3 ) 电气多 路传输系统：电气多路传输系统是一种计算机控制的配电系统。在该系统中， 负载并不直接连接到主汇流条上，而是接在负载管理中心上。该中心用固态 功率控制器来控制负载的接通和断开，以及配电布线的保护。数据处理机和 转换装置将确保电气负载管理中心内的汇流条每次接在一个主汇流条上。数 据处理机将按程序在各种飞行和供电状态下接通和断开相应的负载，以及在 故障情况下重新配置电气系统。这种配电方式从8 0 年代以来得到了发展，逐 步应用到先进飞机配电系统中。 常规配电系统的优越性在于它在技术上已经比较成熟，且目前应用的非 常广泛，但其缺点也是显而易见的( 电缆重量太重，空勤人员负担过重) 。先 进配电系统则采用了多路传输技术，导线的长度和重量将大大减少，配电系 统的效率和可靠性也得到了提高，并且用键盘和显示器取代了众多的指示控 制装置，缓和了驾驶舱控制板上设备的拥挤程度。由于其负载并不直接接到 汇流条上，而是接在负载管理中心上，更是提高了系统的自动化和可靠性。 综上所述，电气多路传输系统是配电系统今后几年的发展趋势。 1 2 国内外研究现状 国外一些技术发达的国家，在航空航天领域已使用了分布式配电和负载 自动管理技术，民用飞机配电系统也进行了这方面的研究和实验，美国在这 方面的研究最具有代表性。七十年代初，美国开始研制飞机电气多路传输技 术，该系统首先应用于b 一1 轰炸机上，限于当时的技术条件，但其电气多路 传输系统中采用的是机电式功率控制器。8 0 年代初期，飞机电气系统多路数 据总线开始采用1 5 5 3 b 总线，从而与航空电子总线相兼容。美国先后在f _ 1 6 ， 3 西北x - 业大学硕士学位论文第一章绪论 y a h 一6 4 ，b - 5 2 以及海军l a m p s 舰载直升机中充分使用了分布式配电及负载自 动管理技术，美国研制的f 一2 2 先进飞机也采用了可编程的固态开关、1 5 5 3 b 数据总线、微处理机和负载自动管理技术，使飞机在可靠性、生存能力、可 维护性和灵活性等方面均有很大改善。 g 前，我国飞枫电气系统仍采用传统的常规配电方式，随着航空技术的 迅速发展，飞机性能有了大幅度提高，用电设备迅速增加，电源功率不断增 大，致使电网重量过重，驾驶舱十分拥挤，而且带来维护性、扩展性和可靠 性差、自动化程度低、响应速度慢，这就严重影响了飞机整体性能的提高。 随着多电飞机的发展，辐射式的集中配电布局就更无法适应，因而追切要求 改变现有的电源控制与管理系统，采用一套新型电源控制与管理系统，以适 应新一代先进飞机的性能要求。从8 0 年代末起，我国也不同程度开展了对先 进电气系统的研究，探讨了在该机上采用电气负载自动管理系统的可行性， 并对先进飞机电气的系统设计进行了较为深入的研究。不过，与世界上技术 先进国家相比尚有一定差距，还有很多工作要做。 本电气研究所致力于为下一代先进飞机提供采用分布式配电和负载自动 管理技术的高性能飞机电气系统。先进电气系统由电气系统处理机( p s e ) 、电 气负载管理中一t ：, ( e l m c ) 、固态功率控制器( s s p c ) 和电气远程终端( r t ) 组成a 电气系统处理机是配电系统的核心，电气系统处理机实时处理电气系统供电 请求，实现负载调度和管理，达到先进飞机对电气系统的不间断供电和要求。 目前本研究方向已初步完成地面仿真工作，进一步工作采用高效的实时多任 务操作系统v x w o r k s 和p c 1 0 4 4 8 6 d x 的构成的嵌入式软硬件平台上设计与 实现电气系统处理机。论文研究目标在于提供具有很高的可靠性、可维护性、 灵活性的电气系统处理机，对于提高飞机的性能有重要的作用。系统设计中 主要解决了以下关键技术：实时系统尤其是硬实时系统如果不满足响应时限 会造成严重后果，并且实时对外部环境密切联系十分复杂，因此需要采用实 时建模工具对系统进行分析、设计；在设计中采用内存数据库、合理调度任 务等措施保证系统实时性，采用硬件、软件冗余手段提高系统的可靠性。 4 西北工业大学硕士学位论文 第二章人型飞机供电系统 第二章大型飞机供电系统 2 1 飞机电源系统 根据y x j b 0 7 5 0 0 0 2 中发动机的配置情况，大型电源系统采用四通道的 构型，设有1 2 0 v 恒频主交流电源分系统、2 8 5 v 直流二次电源分系统、辅助 电源分系统、交直流应急电源分系统、外部电源分系统、专用电源分系统和 配电分系统组成。系统的原理框图见图3 一l 。 2 1 1 交流主电源方案 从飞机电源系统的发展趋势来看，组合传动式电源系统( i d g ) 和变速恒频 系统( v s c f ) 都可以满足大型飞机发电系统的要求【2 1 。v s c f 系统在供电质量方 面有其优势( 频率准确、无频率瞬变、电压瞬变时间短) ；但是，先进的i d g 设计在尺寸与重量方面将优于v s c f 系统。而且，由于i d g 系统应用了较为成 熟的技术，使其技术风险低，具备较高的可信度1 2 1 。所以，大型飞机采用了 组合传动式交流主电源系统。整个电源系统采用四通道布局：1 、2 通道的发 电机安装在飞机左侧的两台发动机上，3 、4 通道的发电机安装在飞机右侧的 两台发动机上。单通道的额定功率为9 0 k v a ( 暂定) ，额定电压为1 2 0 v ，额定 频率为4 0 0 h z 。每个通道由组合传动发电机( i d g ) 、发电机控制装置( g c u ) 、主 接触器、互感器、发电机控制开关等组成。 大型飞机主电源系统采用汇流条不并联、可转换方式。左右两侧交流主 汇流条之间的转换逻辑控制由交流汇流条功率控制装置a p c u ( a cp o w e r c o n t r o lu n i t ) 以及供电系统处理机( p s p ) 共同完成。 在供电系统正常工作的状态下，交流主电源各通道是独立工作的，发电 机仅向本通道的交流主汇流条供电。左侧1 号、2 号以及右侧3 号、4 号通道 互为备份，当任意一个通道故障( 主汇流条故障除外) 后，同一侧的另一个 正常通道向故障通道的主汇流条供电；如果同一侧的两个通道均发生故障， 皇兰三兰兰兰罂圭兰竺丝圣 堑三耋叁型：! ! 些! 皇至垒 图2 - 1 供电系统原理图( 已简化) 西北工业大学硕士学位论丈第二章久堑飞机供电系统 可以起动辅助动力装置，此时a p u 发电机向故障侧的两个交流主汇流条提供 电力。当所有交流主电源通道以及a p u 交流电源均发生故障时，系统自动起 动应急供电系统，向关键负载供电。 2 1 2 直流二次电源 根据交流主电源的通道设置情况，2 8 。5 v 直流二次电源系统也为四通道构 型，每个通道由变压整流器( t r u ) 、控制保护器、接触器等组成，变压整流器 额定输出电流为2 0 0 a ( 暂定) 。每台变压整流器分别由各自通道的交流主汇流 条供电。 在j 下常情况下，左右系统( 1 号、2 号变压整流器组成左系统，3 号、4 号变压整流器组成右系统) 的两台变压整流器不并联工作，分别向各自对应 的直流汇流条供电；当某一台t r u 故障时，便退出供电系统( 被隔离) ，由同 侧正常工作的t r u 通过汇流条连接接触器向失电的直流主汇流条供电。当任 意一个直流汇流条发生短路故障时，应将故障汇流条隔离，同时断开该通道 的t r u 输出接触器和本侧系统的汇流磊连接接触器。 变压整流器的控制与故障信号输出由变压整流器内的控制保护模块完 成，该模块与相应的功率控制装置( p c u ) 有信号交联，向p c u 提供直流二次 电源的状态和故障信息。各直流汇流条之间的转换控制逻辑由相应的p c u 负 责实现。 2 1 3 辅助电源系统 大型飞机的辅助电源为一台由辅助动力装置( a p u ) 驱动的额定容量9 0 k r a 的交流发电机。在同一侧交流主电源都发生故障时，辅助电源可以在p c u 的 控制下实现向故障侧的主交流汇流条供电。 辅助电源的控制和保护功能由辅助发电机控制装置( a p uc - c u ) 完成，a p u g c u 与供电系统处理机( p s p ) 有通信交联，它向p s p 传送辅助电源的状态和 故障信息。此外，a p ug c u 通过与相应p c u 之间的硬线连接向p c u 提供辅助电 7 西北工业大学硕士学位论丈第二章大型飞机供电系统 源的工作状态信号。 2 1 4 应急电源系统 大型飞机的应急电源系统由交流应急电源和直流应急电源组成。 交流应急电源采用静止变流器将应急蓄电池的直流电变换成单相1 1 5 v 交 流电为交流应急设备供电。在主电源系统正常工作时，交流应急汇流条由交 流主汇流条供电，只要2 号或3 号主交流汇流条正常工作，交流应急汇流条 就由主电源供电( 见图3 一1 ) 。当交流主电源全部故障时，静止变流器便投入 工作，向交流应急汇流条供电。 直流应急电源由两台4 0 a h 的镉镍蓄电池组成，蓄电池通过接触器向直流 应急汇流条供电。两块蓄电池分别为左应急蓄电池和右起动蓄电池，它们有 各自的分工，应急蓄电池主要为应急设备供电，在汇流条转换时提供直流不 问断电源；右起动蓄电池在a p u 起动和地面维护时也会投入工作，起动a p u 时，起动蓄电池通过控制开关和接触器可以向起动汇流条供电，在地面维护 时提供相关工作设备的控制电源。 整个应急电源系统由外部电源监控器( e p c u ) 负责采集状态和故障信息。 2 1 5 外部电源系统 外部电源系统由交流外部电源插座、外部电源监控器( e p c u ) 、控制开关、 外部电源接触器等组成。在外部电源供电时，外部电源装置向飞机的4 个交 流主汇流条供电，机上同时设置了交、直流地面电源维护汇流条( 图3 1 中 未标明) ，当只需要在地面进行加油、装卸货物时，通过控制外部电源插座处 的地面维护电源开关，外部电源仅向交流维护汇流条供电，同时4 号变压整 流器将交流维护汇流条的外部交流电源变换成直流电后向直流维护汇流条供 电，这样就可以在不操作座舱内的开关条件下完成地面准备、维护工作，减 少了飞机地面准备和维护的时间。 外部电源监控器负责对外部电源进行品质监控，同时具有交流电源的欠 8 西北工业大学硕士学位论文 第二章人型飞机供电系统 压、过压保护，欠频、过频保护，逆相序保护等功能。e p c u 与p s p 有通信交 联，向p s p 传送交流外部电源和应急电源的状态和故障信息；另外，e p c u 通 过硬线连接向相应p c u 提供交流外部电源通道的工作状态信号，由p c u 实现 外部电源向机上电网供电的转换控制。 2 2 配电系统 2 2 1 一次配电系统 一次配电系统采用5 个中心配电装置( 主配电中心) 。飞机左右侧交流电 源通道的主汇流条以及主接触器、连接接触器、系统分离接触器等设置在左 右交流中心配电装置中；飞机左右侧直流电源通道的主汇流条以及主接触器、 连接接触器等设置在左右侧直流中心配电装置中；a p l 3 主接触器、外部电源接 触器、蓄电池接触器等设置在中央中心配电装置中。 中心配电装置主要为大功率负载直接提供电力，同时为二次配电系统中 的各个电气负载管理中心( e l m c ) 提供电力。左、右侧交直流中心配电装置 中的主汇流条控制保护以及状态检测由相应p c u 和c p u ( 控制保护单元) 完成， 其中包括左侧交流( l ha p c u ) 、左侧直流( l hd p c u ) 、右侧交流( r ha p c u ) 、 右侧直流( r hd p c u ) 四个功率控制装置以及左右侧直流控制保护单元，它们 分别完成左、右侧交直流中心配电装置的控制管理，同时具备与p s p 的通信 交联，向p s p 传送一次配电系统的状态和故障信息，同时接收p s p 传送的负 载通断控制和维护控制命令。 中央中心配电装置的控制由a p ug c u 、e p c u 、l hd p c u 、r hd p c u 、蓄电池 开关、地面维护开关等共同完成。其中，a p ug c u 、e p c u 实现辅助电源接触器 a g c 、外部电源接触器e p c 的控制和联锁，直流两侧系统连接接触器由l hd p c u 和r hd p c u 共同完成控制，蓄电池接触器、地面维护接触器等由蓄电池开关、 地面维护开关等实现控制。中央中心配电装置中的汇流条、接触器等状态通 过离散信号接口提供给e p c u ，由e p c u 完成状态监测。 9 西北工业大学硕士学位论文第二章大型飞机供电系统 2 2 2 二次配电系统 二次配电系统由六个电气负载管理中心组成，e l m c 实现就近区域的飞机 各类负载的供电和保护。每个e l m c 内部设置交直流正常、应急汇流条以及飞 行关键汇流条，这些汇流条分别从相应的中心配电装置获取电力。e l m c 利用 固态功率控制器( s s p c ) 实现对负载供电控制。 e l m c 通过电气数据总线接收p s p 传送的负载控制命令，通过离散i 0 接 口负载通断控制信号，同时通过总线向p s p 传送内部汇流条以及s s p c 等的状 态和故障信息。 1 0 皇! ! 三兰苎童塑圭童篁垒耋 董三兰竺皇重篁些堡垫耄竺坌塑 第三章供电系统处理机系统分析 3 1 供电系统处理机软硬件平台 3 1 1 硬件平台 作为先进飞机配电系统的核心控制模块，供电系统处理机的硬件平台必 须符合相关航空标准及国家军用标准的要求，同时还应具备体积小，重量轻， 易更换等优点。为此，我们采用的中央处理模块、通讯模块和数字i o 模块 均基于p c 1 0 4 架构。p c 1 0 4 架构具有9 6 9 0 m m 的小尺寸，上下模块自栈式连 接( 抗震能力强) ，低功耗等优点。p c i 0 4 总线是一种专门为嵌入式控制应用 而定义的系统总线，实质上是一种紧凑型、小型化的i s a ( p c 和p c a t ) 总线， 因此在软件方面可以充分利用现有的p c 资源。 3 1 1 1 处理机工作平台 我们选用了盛博的s c m s p tc p u 模块作为整个系统的处理机平台，该c p u 模块选用了低功耗且与x 8 6 兼容的微处理器，工作频率可到3 0 0 m h z ，配备1 6 k b 回写缓存，带有一个1 6 位p c 1 0 4 插槽和一个3 2 位的p c 1 0 4 - p l u s 插槽，可 同时扩展两种总线结构的其它处理模块；集成个l o l o o b a s e t 以太网卡， 便于软件调试；同时，该模块支持c o m p a c tf l a s hm e m o r y ，所以，我们使用 一个1 2 8 m b 的c f 卡作为外部存储器，以进一步减小整个系统的体积和重量。 3 1 1 2 总线接口 总线接口用于实时获取配电系统各个终端的状态信息，发送控制命令， 以及向上层综合航电系统发送状态和故障信息。 目前，国际上最常用的航空系统总线是m i l - s t d 一1 5 5 3 b 和a r i n c 4 2 9 。其中， a r i n c 4 2 9 大多用于商用运输机，如空客a 3 1 0 a 3 2 0 、a 3 3 0 a 3 4 0 ，波音7 2 7 、7 3 7 、 1 1 ：! ! ：坚兰苎兰竺圭兰竺丝苎 丝三童垡皇重篓些堡垒重堡坌堑 7 4 7 、7 5 7 、7 6 7 嬲m d l l 等”。a r n i c 4 2 9 总线采用双绞线连接，单向传输， 传输速率为1 2 5 k b p s 或l o o k b p s 。由于a r i n c 4 2 9 总线的单向传输特性，致使系 统导线重量大且得不到较高的数据传输率，军用飞机一般都不采用。 m i i - s t d 一1 5 5 3 b 总线是美国军方专门制定的飞机内部时分制指令响应式 多路传输数据总线，a 版本于1 9 7 3 年公布并首次应用于f 一1 6 战斗机上， m i l s t d 一1 5 5 3 b 标准于1 9 7 8 年公布并使用至今，已经成为一种广泛应用并被 认为在未来2 0 年内仍具有很强生命力的标准总线。m i l s t d 一1 5 5 3 b 具有可靠 性高、数据吞吐量大( 1 m b s ) 、双向传输等诸多优点，并已经被北约和许多国 外政府所采纳，英国出版的d e fs t a n0 0 一1 8 ( 第二部分) 和北约的s t a n a g3 8 3 8 a v s 都是m i l s t d 一1 5 5 3 8 版本；此外，我国的国军标g j b 2 8 9 a 也属于这个版本。 表3 - 1 是m i l 8 t d 一1 5 5 3 b 总线的概要特性。 频率 i m h z 字长2 0 位 数据位1 6 位 消息长度最多3 2 个数据字 传输模式单双工 芏作模斌异步 编鹞格式曼彻斯特i i 双相 协议 指令响应 双余度，第二路处于热备 容错性 份状态 b c r t ，r t b c ，r t r t ， 消息形式 广播，系统控制 远程终端最多3 1 个 耦会方式 直接或变压器耦合 表3 11 5 5 3 b 总线特性 完整的m i l s t d 一1 5 5 3 b 总线由四部分组成：管理总线上所有信息流的总 线控制器( b c ) ；将一个或多个子系统连接到总线并响应总线控制器命令的远 1 2 西北工业大学硕士学位论文 第三章供电系统处理机系统分析 程终端( r t ) ；对总线上的数据传输进行测试的总线监视器( b m ) 以及构成数 据总线的物理组件( 总线耦合器、屏蔽电缆、终端电阻等) 。 充分考虑到容错供电系统本身的要求及国外相关机型的数据总线使用情 况，决定采用1 5 5 3 b 作为整个容错供电系统的数据传输总线。因此，我们选 用了s b st e e h n o l o g i e s 公司的a s f p c 1 0 4 作为供电系统处理机的通信总线 接口卡，该卡是基于p c 1 0 4 总线的单通道标准1 5 5 3 b 总线接e l 卡，支持总线 控制器( b c ) 、总线监控器( b m ) 、远程终端( r t ) 工作模式。 3 1 1 3 数字i o 供电系统处理机除了通过1 5 5 3 b 总线实现与终端的通信及备份p s p 之间 的通信之外，还需要具备一定量的数字i 0 接口，主要用于两个p s p 之间的 故障报告和总线控制权的移交；此外，考虑到将来系统的改进，还需预留部 分i o 接口，可能用于与某些终端或者上层航电系统的通讯。 数字i o 模块用于提供p s p 所需的所有i o 接口；另外，为加强整个系 统的结构紧凑性和可靠性，可将输入电源的转换电路设计到该模块上。 3 1 2 软件平台 一般来说，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件 均可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等的严格要求 的专用计算机系统；嵌入式操作系统是指运行在嵌入式系统中的，与系统硬 件紧密联系，能够满足系统实时性、可靠性和可确定性要求的专用操作系统。 供电系统处理机属于典型的嵌入式系统，在选择软件平台时，我们考虑到供 电系统处理机的软硬件结合紧密，功能复杂，而且对整个系统的可靠性和实 时性要求较高，因此采用了嵌入式领域公认的一款性能较高的实时操作系统 v x w o r k s 及其集成开发环境t o r n a d o 。 1 3 西北工业大学硕士学位论文 第三章供电系统处理机系统分析 3 1 2 1v x w o r k s 的特点及构成 v x w o r k s 由美国w i n dr i v e r 公司于1 9 8 3 年发布，是运行在目标机( 被 开发设备) 上的高性能、可裁剪的嵌入式实时多任务操作系统，以其良好的 可靠性和卓越的实时性被广泛应用在通信、军事、航空航天等高精尖技术及 实时性要求极高的领域中，其中包括火星探测车、爱国者导弹等1 4 i 。其主要 特点如下： ( 1 ) 具备一个高性能的实时系统微内核w i n d 。w i n d 内核能够实现快速 多任务切换，抢占式多任务调度，多样化的任务间通信，同时具 有中断时间短( 微秒级) ，网络流量大等优点。 ( 2 ) v x w o r k s 具有较好的兼容性。支持p o s i x l 0 0 3 1 b 实时扩展标准， a n s ic 标准以及m s d o s 和r t 一1 l 文件系统。v x w o r k s 良好的兼容 性，使其在不同的运行环境之间可以方便地移植，减少开发周期 和经费。 ( 3 ) v x w o r k s 支持多种开发和运行环境，其支持的开发主机包括s u n 、 h p 、i b m - r s 6 0 0 0 、d e c 、m i p s 等。系统运行环境支持p o w e r p c 、6 8 k 、 c p u 3 2 、s p a r c 、i 9 6 0 、x 8 6 、m i p s 等众多c p u 及支持r i s c 、d s p 等技术。 v x w o r k s 的基本构成组件包括b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) 、微内核 w i n d 、网络系统、文件系统及i o 系统，其结构如图3 一l 所示。 西北工业大学硕士学位论文 第三章供电系统处理机系统分析 独立于硬件的软件 应用程序 i ( ) 系统 t c p i p 协议栈 t 旧”k s 黼数 ； i 文制系统i m u x l 一，一l 与击件捆扣的软件 内核( w i n d )r r _ h 卜制 f l a s h 驱动【 b s p | 网卡驱动l h 一i _ 一 li i 。i jtjtjj i 一魁虹电，j 乓，j l 0 广= t 、 j ! ! ! ! ! 丝型翌ii ! 呈竺堡! 堡ii 壅堕矍i 翌主丝型矍 图3 - 1v x w o r k s 的基本构成 需要说明的是，要使得v x w o r k s 在某个硬件环境下运转起来，必须首先 完成针对该环境的b s p 部分的配置。b s p 是系统用来管理外设的部分，它由初 始化和驱动程序两部分组成。板级支持包向各种目标板的硬件功能提供了统 一的软件接口，它包括硬件初始化、中断的产生和处理、硬件时钟和计时器 管理、内存地址映射和内存分配等等。 3 1 2 2 集成开发环境 v x w o r k s 的集成开发环境t o r n a d o 给嵌入式系统开发人员提供了一个不 受目标机资源限制的开发和调试环境，它包含三个高度集成的部分：运行在 宿主机( h o s t ) 和目标机( t a r g e t ) 上的强有力的交叉开发工具和实用程序： 运行在目标机上的实时多任务操作系统v x w o r k s ：连接宿主机和目标机的多种 通讯方式，如：以太网、串口线、i c e 或r o m 仿真器等，图3 2 是t o r n a d o 下典型的开发环境组成。 皇i ! 三兰苎兰塑圭兰竺丝奎 董三兰些皇至篁些堡垒至篁坌堑 图3 - 2 开发环境组成 t o r n a d o 是专门为解决嵌入式开发人员所面临的诸多问题而设计的。对于 不同的目标机，t o r n a d o 给开发者提供一个一致的图形接口和人机界面。当使 用t o r n a d o 的开发人员转向新的目标机时，不必再花费时间学习或适应新的 工具。另外，所有工具都通过一个中央服务器( t a r g e ts e r v e r ) 处理与目标 机的通讯。所以无论连结方式是e t h e r n e t ，还是串口线、i c e 仿真器、r o m 仿真器或客户设计的调试通道，所有工具均可使用。t o r n a d o 工具集包括： l a u n c h e r ：t o r n a d o 的框架环境、管理目标机与工具。 b r o w s e r ：详细查看任何目标系统对象、内存、堆栈和c p u 占用率。 w i n d c o n f i g t m ：图形化自动配置工具。 c r o s s w i n d ：系统和任务级调试工具，可以调试c 、c + + 以及汇编程序。 基于i n t e r n e t 的技术支持工具。 适用于所有目标机结构的编译器。 动态下载器：对象模块的动态链接和加载及卸载。 w i n d s h t m ：与目标机进行交互的命令( c ，t c l 语言) 解释工具。 3 2 供电系统处理机 3 2 1 供电系统处理机执行功能 供电系统处理机是整个飞机配电系统的核心控制装置，负责整个电源系 1 6 皇i ! 三兰垄耋竺圭兰些垒圣 篁三圭些皇至篁竺些垫至垒坌堑 统的状态获取，实现电源系统故障判断和供电系统布局处理功能。在正常状 态下，它从电气控制系统的其它终端处接收系统状态数据及负载状态信息， 从综合航电系统接收飞机状态信号，根据这些信息，p s p 解算整个电源系统的 结构布局，进而解算出电源请求方程，然后向负载管理中心( e l m c ) 、远程终 端( r t ) 发送合理的控制命令，从而实现了飞机电气系统的自动化管理。图 3 - 3 列出了p s p 的主要功能。另外，在地面时，p s p 可以向e l m c 、r t 等发出 自检测执行命令，完成供电控制系统的机内自检测过程。供电系统处理机将 得到的供电系统相关的状态数据上传给综合航电系统，并v h 综合航电显控系 统显示供电系统的工作状态和故障信息。 魄登电子缓意菇竣 n 濑电蒙缀麓懋橇 j ，幕娥窟渤，筹丽 ，、赣琢嗣甲啾宓 ， 荤鹭。x 镌饿汽巍龋，、誉缝南感l 霸 ，、嗷孵嗡觯漪隶方程”孽女瞻】t 旮检鞠 ，谯取攀溉钒槐搿、一写照毫举辘的睡 ，髓取汇藏鬻魏密、p 醛哮谗瓢 仆h t m n 锚 陵凇愆f j 簿终端 图3 - 3 供电系统处理机的主要功能 p s p 是整个供电控制系统的核心部件，采用双机冗余设计来增强其可靠 性，如图3 4 所示。两台p s p 同时工作，其中一台处于热备份状态，只负责 对整个供电系统的状态监视和数据记录，当主p s p 故障时，便由备份p s p 接 管总线控制权，执行主p s p 的功能。实现主p s p 和备份p s p 对数据总线控制 权的正确交换可通过二重保障实现：1 ) 总线通信功能正常的情况下，主p s p 识别出自身故障后，通过总线向备份p s p 发送故障信息，发送将备份p s p 得 状态由监控模式( b m ) 转变位总线控制器模式( b c ) 的请求，主p s p 待备份 j 7 些些奎兰至圭兰竺尘耋 篓三兰坐皇重篓竺矍垫圣竺坌堑 p s p 确认并转变后关闭1 5 5 3 通讯卡；2 ) 如果主p s p 发生灾难性故障，各份 p s p 通过硬连线识别出主p s p 的看门狗溢出信号，强制接管主p s p 的功能。备 份p s p 一旦获得总线的控制权，就通过硬连线将故障p s p 强制隔离。 3 2 2p s p 与航空电子系统 对于航空电子系统的结构，较为成熟的设计方案主要是基于总线的分层 式综合控制结构、非综合式的总线数据结构以及综合式的总线数据结构，这 三种设计方案都有各自的优缺点。在参考了国外航空电气综合系统设计经验 的基础上，并充分考虑了航空电子系统的发展趋势，本文决定采用基于总线 的分层式综合控制系统方案。 在分层式的系统布局中，作为上层系统的综合航电系统和下层电气控制 系统都有各自的数据通信总线，其中，供电系统处理机既作为综合航电系统 的终端，同时又是电气控制系统的总线控制器，如图3 - 4 所示，供电系统处 理机通过下层总线将配电系统的状态信息收集并处理后将需要上传的信息通 过上层总线传达到航电系统。 d a i s 图3 - 4 供电控制系统结构 这种布局的优点主要是：( 1 ) 由于p s p 实现了上下两层总线之问的互连， 所以两个系统可共享控制和显示设备：( 2 ) 航电系统数据总线和自动配电系统 数据总线相互分离，大大减少了总线上的数据传输量，从而增强了系统的扩 充能力；( 3 ) 不需要协调两个系统的响应时间，故可以独立设计综合航电系统 1 8 = ! ! ! 坚兰苎兰塑圭兰竺丝兰 篁三兰丝皇至篓些堡! ! 量篁坌丝 和自动配电系统的应用软件。但是，这种分层式的控制系统也存在一些缺点， 例如，由于采用双总线，总线之间的通讯显得比较复杂；p s p 同时作为航电系 统总线的远程终端和供电系统总线的总线控制器，这样就增加了供电系统处 理机的软件开销。 3 3 供电系统处理机的工作原理设计 供电系统处理机( p s p ) 作为自动配电系统的核心控制部件，需要从综合 航电系统接收系统状态信号，从远程终端接收发电系统和配电系统的结构布 局以及从负载管理中心接收负载电源请求方程，解算负载方城后，p s p 向负载 管理中心和远程终端发送相应的控制命令并将系统布局的更改记录至内存数 据库，从而实现系统的正常工作；另一方面，p s p 又作为上层综合航电系统总 线上的终端，负责向上层系统实时传送自动配电系统的状态数据和故障信息。 从功能上可以将p s p 划分为以下几个部分： 系统控制部分 负载控制与管理部分 通信与数据采集部分 数据库部分 3 3 1 系统控制部分 系统控制部分完成p s p 的自检测，系统通讯卡及各个任务的初始化，建 立一个公共数据区，内存数据库初始化及其维护，建立系统工作状态标志文 件和日志文件。这一部分的功能分别于系统初始化任务、自检测任务和内存 数据库任务三个部分实现。 3 3 2 负载控制与管理部分 供电系统处理机的核心任务就是实现对飞机电气负载的综合控制和自动 化管理。一方面，p s p 接收综合航电系统发出的系统状态信号，接收来自负载 里! ! 三兰叁兰丝圭兰竺垒兰 叁三兰竺皇至垒竺塑! ! 至篁坌堑 管理中心的供电请求并根据当前电源系统的布局状态解算电气负载方程，从 而决定是否给相关设备供电，如果允许向该设备供电，便将供电命令发送至 相应的e l m c 或r t ( p c u ) ；另一方面，p s p 将负载分类并设定不同的优先级， 当出现系统过载或供电故障时，能够按照容错供电系统的要求对所有负载进 行合理地控制和管理。 合理的负载管理增加了在完成任务的前提下减小发电容量的可能性，一 般可以分两级进行管理。第一级，检测出系统过载后，把e l m c 从过载的发电 机通道切换至另一个发电通道，从而消除过载；第二级，如果过载仍然存在 或者另一发电通道已经故障，则按照负载优先级及供电系统布局切除优先级 低的负载。如果转换e l m c 会引起发电通道过载，将直接进行第二级处理。 负载的卸除涉及负载管理优先级的选择，而电气负载优先级管理的目的， 就是首先保证飞行安全和尽量完成飞行任务，在设置负载管理优先级时，须 遵循下述基本原则： 1 ) 所有的电气负载管理优先级对应的电气负载功率总和必须小于相应的 电源系统的总容量。 2 ) 保证飞行安全前提下，尽可能多连接关键任务负载，以完成飞行任务。 大型飞机的飞行阶段可分为滑行、起飞爬升、巡航、着陆以及应急返航 等几个部分，其中每个飞行阶段又可能分为几个不同的任务方式。电气负载 管理优先级的设置须考虑不同飞行阶段的飞行任务数量及其对应的电源功率 需求。通过上述分析，可得出以下结论： 1 ) 根据飞机电源系统容量来确定电气负载管理优先级的数量。电源系统 容量大且主发电机台数多时，可设置较多的负载管理优先级。 2 ) 根据飞行阶段和飞行任务方式，每个飞行阶段内可设置不同数量的负载 管理优先级。 3 ) 每个电气负载的管理优先权根据其自身的重要性来确定。飞行关键负 载具有最高的优先权，任务关键负载次之，一般负载的供电优先权最低。 根据y x j b 0 7 5 0 0 0 2 中发动机的配置情况，电源系统采用四通道不并联的 构型。只要保证每一侧各有