（电力电子与电力传动专业论文）飞机自动配电系统通用电气远程终端技术研究.pdf

a b s t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e sh o wt od e s i g na n dr e a l i z eg e r t ( g e n e r a l - p u r p o s ee l e c t r i c r e m o t ct e r m i n a l ) w h i c hu s e di na l r p l a n e e l e c t r i cr e m o t et e r m i n a lo fa i r p l a n ei sa n i m p o r t a n tp a r to fa i r p l a n e sa u t o m a t i ce l e c t r i cp o w e rs y s t e m a c c o r d i n gt ot h e p o s i t i o nc o m m a n da n dp o w e rs u p p l yr e q u e s t , h o wt oc o l l o c a t ea n ds u p p l yp o w e rt o t h eb u so ft h ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mi sc o n t r o l l e db yg e r t t h eb u s sw o r k i n gs t a t e a n dt h el o a d sw o r k i n gs t a t ea r ea l s or e a l - t i m ec o n t r o l l e db yg e r t , a n da c c o r d i n gt o t h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n , t h ef a u l t sa r ed o w n l o a d e dt ot h ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m ，i n o r d e rt oe n s u r et h ep o w e rs u p p l yo ft h ee l e c t r i cl o a do nt h ea i q , l a n ea n di m p r o v et h e u s i n gr a t eo ft h ee l e c t r i c a lp o w e r t h e r ea g em a n y r e q u e s t so ft h el o a dt ot h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e mo i lt h ep a r t so f r e a l - t i m e , f a u l tt o l e r a n c ea n dr e l i a b i l i t y a c c o r d i n gt ot h ed i f f i c u l t yo ft e c h n i q u ea n d t h ec o s t , ag e n e r a l - p u r p o s et e r m i n a lw h i c hc a nc o n t r o lt h eb u sa n dt h et o a di sc h o s e n m a n yn e wt e c h n i c a lw h i c hi n c l u d e sd s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai su s e da sc o n t r o l l e r , u s e c p l dt oe x t e n dt h ei op o r t sa n dc h s er t o s ( r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) a s s o f t w a r ep l a t f o r mh a v eb e e nu s e di ng e r t d e s i g ni sa c c o r d i n gt og e n e r a l p u r p o d e s i g nt e c h n i q u e ，n o tt h es p e c i f i cr e q u e s to ft h er e m o t et e r m i n a l s as y s t e md e s i g n p l a t f o r mw h i c hc a nd i r e c t l yl o a dt h ea p p l i c a t i o np r o g r a mi sr e a l i z e d a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u e s to fg e r tw h i c hu s e di nt h ee l e c t r i cp o w e r s y s t e mo ft h ea l r p l a n e ，a n dt h ei n h e r e n c er e q u e s to ft h er e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ， m u l t i t a s ki sc r e a t e d ，a n dr m ai su s e dt oa n a l y z et h es c h e d u l a b i l i t y t h e k e y t e c h n i q u eo ft h ea u t o m a t i ce l e c t r i cp o w e rs y s t e mi st h em e t h o dt h a tu s i n go p e r a t i n g s y s t e mt od e s i g nt h ec o m p l i c a t e df u n c t i o no fg e r t u s i n gt h i st e c h n i q u ec a l lm a k e t h ew h o l es o f t w a r es y s t e mh a v eac l e a rl e v e la n dab e t t e re x p a n s i b i l i t y , o nt h eo t h e r h a n d ，i tc a ni m p r o v et h er e a l - t i m ea n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m t h ec a p a b i l i t i e sa r ca n a l y z e di nt h ee n do ft h ep a p e r , t h er e s u l t so fa n a l y s i sa n d e x p e r i m e n ti n d i c a t et h a tg e r tc a ns a t i s f yt h er e a l t i m ea n dr e l i a b i l i t yw h i c h d e m a n d e db yt h es y s t e m ，a n ds i m p l yr e a l i z et h ea u t o m a t i ct e c h n i q u eo fe l e c t r i cp o w e r s y s t e m k e y w o r d s ：g e n e r a le l e c t r i cr e m o t et e r m i n a l ， r m a a u t o m a t i ce l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，1 1 1 西：i t l 业大学硕士论文第一章概述 第一章概述 i i 飞机配电系统系统概述1 1 1 | 2 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，其作用是向飞机上各用电系统或用电设 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 能上可将飞机供电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。 飞机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。它由电网 ( 包括供电网和配电网) 、配电装置和电网保护装置等组成，它的作用是将电源 所产生的电能可靠而有效地传输和分配到飞机的各个用电设备上去。其中，供电 网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；对于重要的系统或设备还应 有多通道的独立供电措施，以保证多余度供电。 i i 1 飞机配电系统的配电方式 配电系统按配电方式一般可分为集中式配电、分布式配电、混合式配电和独 立式配电系统。 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；具有集中的信息结构，全局状态在 结构上是可控制、可观测的；功能集中，权力集中唧。 缺点是配电系统重量大，中心配电装置发生故障，所有 用电设备均断电；故障集中，分险集中；故障的诊断和 隔离不容易实现【3 j 。 l 、一 电气负载 图1 1 集中式配电 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 西北t 业大学硕士论文 第一章概述 种配电方式在交流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，可以大大减小导线和配电装 置的重量，但是其缺点和集中配电 l 、，_ 电气负载 l v j 电气负载 图1 2 分散式配电 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。 小功翠电气负载 图1 3 混合式配电 独立式配电系统包括集中和混合系统两部分。当电源由于电气参数如电压或 频率不同，而不能并联运行时，采样独立配电系统。其目的是提高给用电设备供 电的可靠性【2 1 。 1 1 2 飞机配电系统的控制结构 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 一童 西北工业大学硕十论文第一章概述 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，即自动配电系统。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朐汇流条每次接在一 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年代以来得到 了发展，逐步应用到先进飞机配电系统中。 1 , 1 3 飞机自动配电系统 自动配电技术是飞机电气系统实现综合化控制的基础。这种配电方式具有电 网重量轻、工作可靠、高度自动化等一系列优点，为各国所重视。国外从2 0 世 纪6 0 年代就开始研究固态配电技术，它是以计算机为中心，通过多路数据总线 和固态或混合式功率控制器构成的新型配电系统，现称为飞机电气综合控制系 统。 飞机电气综合控制系统有以下特点： 夺电网重量轻，配电汇流条设置在用电设备附近，电源至用电设备问的馈电线 可取尽量短的路径，并显著地减少了控制线； 具有容错供电的能力，即供电系统出现故障后仍能向用电设备供电； 夺实现了负载自动管理，自动协调电源所能供给的功率和用电设备所需的功 率，有效地提高了电源利用率。有秩序地加载与卸载，避免了多个大容量负 载同时突加或突卸，改善了供电品质。减轻了飞行人员的负担，避免了由于 误操作引起的事故，缩短了负载监控时间； 固态功率控制器具有接通断开负载、实现电路故障保护和提供开关状态信息 的功能，保护作用通过直接检测电流来实现，而不是热保护方式，改善了保 护选择性； 夺计算机资源共享，一旦其中一台计算机失效。其工作可由别的计算机分担， 一3 西北t 业大学硕士论文 第一章概述 保证系统连续运行： 具有自检测功能，实现地面维护自检和飞行中周期性自检，提高了维修性和 飞机出勤率。 1 2 论文的研究背景与选题 目前，我国飞机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，因而迫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。从舳年代末起，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。 自动配电系统是研究多电飞机的一个重要研究方向。自动配电系统是供电系 统的一个重要组成部分，它的研究目前涉及到微型计算机技术、通信技术、电力 电子技术、数字信号处理技术、数据库理论及构造技术、故障诊断技术、系统自 动重构技术、控制论及智能容错技术等。供电系统由供配电系统和用电设备组成。 供配电系统的作用是向飞机上的所有用电设备提供规定质量的电能，保证用电设 备的正常工作。供配电系统按照功能又可分为电源系统和配电系统两大部分。电 源系统由主电源、二次电源、应急电源和辅助电源等组成；配电系统由导线( 或 电缆) 、配电装置和保护装置等组成，用于将电源产生的电能输送到各用电设备。 自动配电系统就是采用当前的高新技术来实现常规配电系统的功能，以增加系统 的可靠性和方便控制、操作和维护。 国外一些技术发达的国家在航空航天领域已普遍使用了分布式配电和负载 自动管理技术。美国在6 0 年代初就开始研究采用电气多路传输技术的自动配电 系统，7 0 年代，即在b 1 和a - 7 等上进行试验，取得成功。实践表明在可靠性、 安全性和维护性等方面都有了很大的改善。8 0 年代，该项技术已走向成熟，美 国已在多种飞机上推广采用。从1 9 8 5 年开始，波音军用机公司按照美国司令部 航空推进研究院的合同研究了容错供电系统样机，并进行了试验。近来国外还设 计了容错配电系统样机，并进行了实验。目前最新型的战术战斗机也采用了可编 程的固态开关、高速的数据总线和负载自动管理技术。 在国内，配电系统及设备的滞后发展己对飞机的研制进程产生了许多不利的 二五二 西北工业大学硕士论文第一章概述 影响。要消除这些不利影响，仅靠理论研究是远远不够的，必须进行工程化研究。 我国在七十年代末开始对飞机电气多路传输技术进行研究，而后又相继开展了对 高速数据总线，发电机控制器，固态功率控制器，远程终端等的研究；但由于多 方面的原因，使我国在这方面的研究与世界先进国家相比仍有一定差距，因此加 速配电自动化系统的研究已是当务之急。对此应引起充分注意与高度重视。 本课题研究的自动配电系统远程终端是以我国的歼击机为背景，并以现役飞 机中较先进的、具有改型背景的机种为对象，采用先进的控制总线、完善和优化 系统结构、对其电气系统进行配电技术改造，设计构造一个自动配电系统。远程 终端的设计是整个全自动配电系统设计的重要组成部分。在本课题研究的自动配 电系统远程终端，其主要作用是在软件的控制下，按照负载要求的逻辑，通过各 个固态功率控制器对负载进行控制和保护。并监测各汇流条、二极管以及各固态 功率控制器的状态，上报p s p ，待p s p 下达控制命令后，去执行各s s p c 的开合， 从而实现系统电力自动调度。我们研究设计开发的自动配电系统的最小地面实验 系统已初具成效。该系统包括一台供电系统处理机( p s p ) 、一个电气负载管理 中心( e 【m c ) 、两个汇流条控制器( b p c u ) 、一个航电模拟器和一个系统负载 仿真器以及一套半物理的负载仿真器。但距离工程化样机还有相当的距离，如何 进一步增强硬件的稳定性，提高采集精度和通讯效率，加强软件的控制功能工作 及提高其性能等等，还有很多细致的工作需要去研究实现。 1 3 论文研究的关键技术 1 3 1 负载方程的建立与解算 远程终端需要挂接大量的负载，而每一类负载都有相应控制管理逻辑和由此 抽象而来的电气负载方程，因此计算机控制与管理系统远程终端设计的一个主要 任务就是在对电气负载的各种功能特性和供电需求进行深入研究的基础上，在设 计上必须熟悉飞机配电系统的工作状态及条件，深入研究其内在的关联关系，建 立电气负载方程库以及对解算电气负载方程。 建立负载方程要考虑到各个负载的负载方程尽量统一，以减少系统软件设计 的开销，但不能因此而使负载的供电需求达不到规定的供电中断时限。 解算负载方程要力求算法简单可靠，满足系统实时性要求。 1 3 2 通讯设计与调试 电气系统处理机和电气远程终端的通信方式的选择是有效实现配电系统功 能的i ；i 提。我们通过对终端系统数据流的分析来开发合理可靠的通信软件，并对 - 5 一 西北工业大学硕十论文第一章概述 其进行功能调试，以确定整个网络系统的控制管理性能。 1 3 3 自检测技术( b i t ) 由于对配电系统的可测试性和故障检测定位提出了很高的要求，优良的b i t 设计不仅是系统功能实现的保证，也有利于提高系统性能。b i t 是满足容错性要 求的关键所在。在设计上，还应考虑到b i t 的覆盖范围。因此，必须深入研究 b i t 技术，将b i t 技术应用到汇流条控制器的软、硬件设计中去。 1 4 论文的结构安排 第一章概述。本章介绍了飞机配电系统及其研究背景和国内外发展状况， 明确了先进飞机配电系统的发展方向，然后介绍了本文的研究的几个关键技术。 第二章通用电气远程终端系统分析。本章首先介绍了通用电气远程终端在 飞机自动配电系统的作用和地位，在此基础上提出了电气远程终端系统的需求分 析。最后给出了电气远程终端的软件平台和硬件平台的选型和构成以及电气系统 的整体方案设计。 第三章通用电气远程终端硬件平台搭建。该部分详细介绍了d s p 控制器芯 片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，结合通用电气远程终端分析设计了其硬件平台，并给出主要 的信号调理电路。 第四章系统软件平台的构建。该部分详细介绍了实时操作系统u c o s - i i ，并 完成了u c o s i i 在d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 上的移植和基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 对实时操 作系统驱动软件的开发。 第五章系统多任务调度实现。本章首先介绍了速率单调调度算法和电气负 载方程，然后介绍了多任务的划分思路，完成了系统多任务的设计；。 第六章系统调试与评价。本章对系统的实时性、可靠性等性能给出了调试 结果和评价。 总结和展望对本文内容进行总结，并指出研究工作中需要迸一步解决的问 题。 6 一 西北工业大学硕十论文 第二章通用电气远程终端系统分析 第二章通用电气远程终端系统分析 本文以具有代表性的某型飞机的供电系统作为研究对象来进行研究。其供电 系统结构图如图2 一l 所示。 图2 1 供电系统结构图 从图2 1 中可以看出每个电气远程终端都包含各种的电力汇流条( 2 7 0 v 直 流，1 1 5 v 三相交流，2 8 v 直流) ，同时，每个电力汇流条都可以从不同的供电通 道得到各种形式的电能。并且根据终端在飞机上的布局情况，每个终端还可以负 - 7 西北1 = 业大学硕士论丈第二章通用电气远程终端系统分析 责监控就近的二次电源或主汇流条的工作情况。飞机通用电气远程终端加入飞机 电气系统，使飞机上的所有负载都以一种严密的智能方式控制，飞行员不需要对 所有的负载一个个来控制，只需要发出飞机当前的飞行阶段和一些特殊指令，自 动配电系统根据飞机当前的飞行状态来自动管理飞机电力系统和各个负载。而这 一切对飞行员而言是透明的，飞行员可以通过平显知道现在飞机上所有负载的情 况。这样，减轻了飞行员的负担，增强了飞机的可靠性和安全性。 2 1 电气远程终端在自动配电系统中的作用和地位 飞机自动配电系统对整个飞机供电系统具有综合处理能力【1 1 。如图2 2 所 示：自动配电网络控制系统由供电系统处理机( p s p ) 和电气远程终端( g e r t ) 等通过高速数据总线相连接，组成一个分布式控制系统。供电系统处理机( p s p ) 是自动配电系统的核心。它负责飞机在飞行过程中对供电系统的综合处理和管 理。g e r t 是自动配电系统的重要组成部分。它们负责飞机在飞行过程中对供电 系统各个负载的监测、保护和控制。 公共设备管理系统计算机 窖 l 。j l 一 ，j 53 5 1 88 r t - r f 2r t 3 卜i r t a 图2 2 配电网络控制系统图 着p s p 都失效，电气远程终端解散成各个孤立的小系统，每个电气远程终端 监控其内部的汇流条和s s p c ，所有电气远程终端可以完成在应急状态下对各个 负载的管理。 2 1 1 电气远程终端简介 从供电系统结构图( 图2 1 ) 中可以清楚g e r t 在整个供电系统中所处的位 置。它负责把各种形式的电能通过智能的方式按需求供应到负载，并监控负载可 电力汇流条的工作。从配电网络控制系统图( 图2 2 ) 中可以看出，g e r t 是电 源系统处理机的一个网络终端。它从p s p 接收供电系统的工作状态和供电命令， ；g 西北工业大学硕士论文第二章通用电气远程终端系统分析 并把采集的负载和汇流条工作状态上传给p s p 。在自动配电系统中，根据整个自 动配电系统的设计需要，它们被分别安置在机身的不同部位，并且根据所要控制 负载和监控回流条的个数来确定所需终端的个数。选择电气远程终端的原则是， 在满足余度和负载控制要求的条件下，越少越好。g e r t 的主要作用是在软件的 控制下，按照负载要求韵逻辑( 即负载方程) 解算的值，通过各个固态功率控制 器对负载进行控制和保护并监测各汇流条、二极管以及各固态功率控制器的状 态，上报p s p ，待p s p 下达控制命令后，去执行各个s s p c 的开合，从而实现系 统电力自动调度。 2 1 2 电气远程终端与电气系统处理机的关联 髓是先进飞机自动配电系统的重要组成部分。如图2 2 所示。各个电气 远程终端在配电网络控制系统中是p s p 的一个终端，它们通过高速双通道总线和 p s p 相连接，并分布在飞机机身的不同位置。在自动配电系统中有两个互为备份 关系的电气系统处理机( p s p ) ，主p s p 通过r s 4 2 2 串行线与备份p s p 接1 3 ，以提 供冗余控制。并通过控制双通道的高速多路传输数据总线与电气远程终端和公共 设备管理计算机交换数据。 p s p 主要完成以下功能： 系统控制指令处理。 电气系统布局状态监测与控制。 数据总线通信与控制。 飞机电气系统初始化。 处理电气系统供电请求。 记录系统的故障。 p s p 周期性地要求向各个远程终端传送汇流条、继电器、二极管等布局状态， 同时要求g c u 周期地传送发电机状态。p s p 根据公共管理设备发送来的系统信息 和从各个终端接收的进行布局处理并向各个终端实时的发送布局命令。电气远程 终端通过s s p s 或e m p c 向各个负载供电，并监控各个负载的工作状态。各个终端 周期性的期向p s p 发送负载供电请求，p s p 根据负载和当前负载供电条件结算负 载方程来决定是否向该负载供电。 在设计上与r t 相比较，由于p s p 主要完成电气系统数据的处理，它不需要 加数据采集板卡，之加总线接口卡，在硬件系统的可靠性设计较容易保证。但要 实时可靠的处理系统数据，在c p u 的处理能力和实时多任务软件的设计上有很高 的要求。p s p 处于整个电气系统的顶层，但对于整个飞机电传系统而言，尽是一 个子系统或终端。它是完成r t 和飞机公共设备管理系统和座舱交互信息的桥梁。 9 西北工业大学硕士论文 第二章通用电气远程终端系统分析 2 1 3 电气远程终端之间的联系 r t 分布在机身的不同位置，以尽量靠近负载。所有的r t 具备给飞机上所有 负载供电的能力，包括多余度供电的能力。负载在选择余度供电时，尽量选择不 同的r t 和不同的供电通道。关键飞行负载可以由多个r t 同时供电。 r t 分散在机身的不同部位，它们之间的工作互不影响，即r ta 没有权力控 制r tb 的工作，r tb 又不能影响r ta 的工作；但是它们都受到p s p 的管理， 它们在p s p 的控制下可以完成对整个供电系统所有汇流条的监控，可以实现系统 供电功率的合理分配。这样，其中一个r t 失效以后，给系统造成的影响可以减 到最小。 2 2 电气远程终端的设计需求 为了缩短整个飞机配电系统的开发时间、降低开发难度和节约设计成本。我 们按照顶层分析的原则，根据设计需求，以系统模块化的设计思路，选择各个电 气远程终端可以通用的中央处理机、存储器、高速总线接口、a d 变换器、离散 输入输出装置接口、固态功率控制器接口、电源装置、配电网络和固态功率控 制器组成的系统。通用性是我们开发r t 首先考虑的设计要求。 电气远程终端的设计，不仅要求从功能上实现，更重要的是系统性能。作为 一个电源系统的控制设备，其可靠性必须是电源本身可靠性的1 0 0 倍，加上大量 的功能要求，我们首先要从设计理念上改变传统的焊接铁块，选择现在逐渐成熟 的、最先进的c p l d 、f p g a 、a s i c 技术。在设计方法上选择可测试设计，我们不 能指望每套设备“开箱后正常”，但我们可以选择合理的测试方法来验证我们的 产品。 2 2 1 电气远程终端的功能需求 在2 1 节我们分析了r t 在整个飞机自动配电系统中的位置和它所起的作用， 并给出了r t 与p s p ，以及r t 之间的联系。为了更好的完成系统设计，下面给出 r t 具体的功能需求： ( 1 ) 、通信功能。r t 与p s p 进行数据传输，实现信息交互。p s p 通过接收各 个r t 的状态数据了解系统所有汇流条和负载当前的工作状态，并根据飞行状态 对各个r t 发送负载的通断和汇流条的布局控制命令。它是r t 系统最重要的功能。 具体实现要求为： 夺数据接收； 数据发送： 1 0 西北工业大学硕士论文第二章通用电气远挣终端系统分析 数据打包； 数据解包 ( 2 ) 、分布式汇流条监控功能。各个盯必须能够监控整个飞机自动配电系 统的所有汇流条，一方面，能够在系统出现故障时，及时的进行故障处理，不仅 要记录故障发生的位置和时间，更能够及时地进行故障修复或故障隔离，不至于 因为局部的故障影响整个供电系统和飞机的工作。令一方面，某些关键的负载由 于发生的故障而出现短暂的供电终端，必须及时的通知p s p ，以进行供电汇流条 的重新布局，尽快恢复给这些负载供电。该功能是实现故障隔离和容错供电的关 键技术之一。具体实现要求为： 监测汇流条的电压( 2 7 0 v 直流，1 1 5 v 三相交流，2 8 v 直流) ； 监测汇流条的电流( 直流和交流) ； 监测汇流条的频率( 4 0 0 h z ，6 通道) ； 监测二极管和继电器状态； 统计各个汇流条的功率； 控制继电器工作。 注：、电压和电流采集通道共3 2 路。 、继电器控制和备用y o 共3 2 路。 ( 3 ) 、负载管理和监控功能。r t 对各个负载的监控是通过故态功率控制器 ( s s p c ) 来实现的。s s p c 足实现飞机自动配电的关键技术之一。r t 对负载的监 控只需要完成对s s p c 状态信号和控制信号的监控。r t 要把各个s s p c 的状态上 传给p s p 。同时根据负载方程的解算结果可以实现对各个负载的准确可靠的供电。 该功能是p s p 实现负载供电自动管理的关键技术之一。 具体实现要求为： 监测s s p c 的状态( 4 8 路，9 6 个数字量输入) ； 控制s s p c 的通断( 4 8 路，4 8 个数字量输出) ； 解算负载方程。 ( 4 ) 、自检测功能。由于r t 的实现采用的是集成度相当高的c p l d 和嵌入式 系统等新技术。传统的检修和维护办法很难判断r t 系统是否可以正常工作。r t 必须自带可靠的自检测功能。该功能必须覆盖整个自动配电系统的所有组成部 分。该功能是实现现场模块更换的关键技术之一。具体实现要求为： 夺检测汇流条的状态； 检测二极管和继电器； 检测s s p c ； 检测通信总线； 一1 1 西北工业大学硕十论文 第二章通用电气远程终端系统分析 检测c p u 和存储设备； 夺检测操作系统的运行情况。 ( 5 ) 、应急功能。尽管r t 是可靠性相当高的部件，但是必须考虑到它脱离 p s p 后或失效后的运行情况。r t 在脱离p s p 以后，必须能够力所能及的给关键飞 行负载供电，而不能失效。r t 失效以后，要能够发送失效信号到座舱，让飞行 员及时处理。具体实现要求为： 处理汇流条故障： 处理s s p c 跳闸和误动作； 记录r t 系统故障。 以上给出的是r t 设计要考虑的主要的功能需求，结合具体的供电系统，还 可以提出其它的设计功能。 2 2 2 电气远程终端的性能要求 电气远程终端不仅完成自身系统数据的处理，它还需要加数据采集板卡，总 线接口卡等，硬件系统的可靠性设计必须保证。同时，在实时可靠的处理系统数 据，在c p i j 的处理能力和实时多任务软件的设计上也有很高的要求。结合r t 的 功能需求，从以下几个方面对r t 的设计提出性能要求。 ( 1 ) 、可靠性【2 j f 5 】【6 】 根据容错供电系统的要求，供电系统给负载供电的可靠性要比负载本身的可 靠性高1 0 1 0 0 倍。各个负载的可靠性要求相差悬殊，供电系统必须能够同时满 足每个负载的可靠性要求。经常应用的是系统可靠性要求，而不是负载本身的可 靠性，因为负载只是系统的一部分。并非系统中所有的部件都具有相同的可靠性 要求，因此系统的可靠性就由可靠性最差的部件来决定。在设计时必须考虑三种 负载( 关键飞行负载、关键任务负载、非关键飞行负载) 的供电可靠性。 系统设计对供电系统的可靠性有详细要求( 见参考文献【2 】) 。这里只列出和 g e r t 设计有关的可靠性要求。 配电系统保护所有的负载和汇流条，防止短路和过载发生的危害。 夺发生故障后，应能够提供适当的故障隔离。 ( 2 ) 、实时性1 2 1 1 5 1 供电系统设计必须保证满足对关键飞行负载的不中断供电要求。g e r t 的设 计也要考虑到这一要求。根据关键飞行负载对供电中断的敏感性来分类，允许供 电中断的时间范围从5 0 us 到2 s ，如果供电中断时间超出这一范围就可能使负 载的功能失灵。对关键负载来说，要求供电中断时间低于单个负载最大允许时间 的5 0 ，对负载的正常供电来讲，系统设计时把最大供电中断时间保持在5 0 m s 内，这样就能满足大部分负载的要求。当检测到电源脱落后，把负载转换到另一 1 2 西北工业大学硕士论文 第二章通用电气远稃终端系统分析 可供选用的供电电源上，达到防止供电中断的目的。当负载允许的最大供电中断 时间小于5 0 m s 时，一般来说就要使用真正的不中断电源。因此，在g e r t 的分布 式汇流条的设计中也要充分考虑负载供电中断的要求。 在g e r t 的具体设计上，必须考虑操作系统的实时性和数据通信总线的通信 速率( 通信速率越高，传送相同字节的数据所用的时伺越短) 。 ( 3 ) 、冗余度【2 】【5 l f 6 j 容错供电系统的容错性要求是指供电系统必须可以在承受多重故障的情况 下仍然能够给负载提供电力。一般说来，供电系统的容错能力必须比电气负载的 容错能力强，才能保证不至于因供电系统的原因而降低电气负载的容错能力。先 进飞机自动配电系统的容错供电要求为： 在承受一个故障时，能按供电要求给所有负载提供电力； 在承受两个故障时，能按供电要求给关键任务负载和关键飞行负载提供 电力； 在承受三个故障时，能按供电要求给关键飞行负载提供电力的能力。 该故障可能出现在同一供屯通道的不同元件上，也可能出现在不同供电通道 的相同元件上，或以上述两种方式的组合形式出现。 在g e r t 的设计上，通过g e r t 布局到机身的不同位置和通过继电器连接在不 同的主汇流条上，来满足设计要求。 ( 4 ) 、可维护性 在g e r t 系统设计时，必须考虑故障检测电的设置，以及故障检测和判断的 简便可靠，尽量缩短故障的修复时间，做到现场故障模块可更换。 2 3 电气远程终端方案设计 电气远程终端是整个自动配电系统的重要组成部分，它实时处理监控电气系 统供电状态，监控负载工作，达到先进飞机对用电设备的不问断供电要求。鉴于 飞机电气系统的复杂性和可靠性、实时性要求很高，同时先进飞机对于电气飞机 的尺寸、和使用环境也有苛刻的要求。因此选择高效的软件平台和合适的硬件平 台至关重要。 2 3 1 硬件平台 飞机配电系统对g e r t 的硬件平台要求比较严格，它要求系统能够承受恶劣 环境的，并且占有很小的空问。硬件平台的设计，首先考虑的是嵌入式主控制器 芯片的选取。常见的c p u 芯片有i n t e l 4 8 6 d x 4 、p o w e r p c 、l i c 6 8 0 3 0 、a r m 以及d s p 芯片等，较著名的d s p 芯片生产厂家有t i 、a d 、a t & t 、m o t o r o l a 等公司。一个 一1 3 西北工业大学硕士论文 第二章通用电气远稃终端系统分析 主控制器是否优良，主要是看它在控制软件的配合下，能否长期安全可靠的在规 定的时间内完成规定的任务【1 0 1 。从c p u 的处理能力和速度，与其它电路的接1 3 方 式、代码的存储方式和容量、负荷率、实时操作系统的易开发等几个方面，选取 了t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 。 ( 1 ) 、c p o 处理能力。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 和c p l d 芯片结合可以处理大量的i 0 ，而芯片的面积不会增 加很多，而且由于采样低功耗设计技术，芯片的散热问题容易解决不用再加风扇。 代码存贮再片上f l a s h 内，并且可以加密，运行安全性好。 ( 2 ) 、c p u 的负荷率。 c p u 的负荷率和它的控制周期和空闲周期的关系如下1 1 0 l ： 负荷率= 型篙铲x 1 0 0 考虑到最极端的情况下要在5 0 m s 的周期内处理共1 2 8 个数字量，3 2 路模拟 量，6 路脉冲量以及与p s p 的通信，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 最高4 0 m 的能力是完全可以 达到要求的。 ( 3 ) 、对g e r t 系统的专用性。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片具有三相采样型电压s p w m 波生成方便，芯片集成了许 多数据处理算法，交流采样快速可靠。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 系统可以方便的升级为t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 系统。不管从硬件的 扩充而言，还是从代码的移植而言，都不需要设计者作很多工作。升级为 t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 系统后，整个系统的性能会成倍提高，系统功能也可以增加。 2 3 2 软件平台 g e r t 系统为典型的嵌入式系统开发。实时嵌入式系统主要经过以下几个发 展阶剧1 1 】1 1 2 】| 1 5 】： 前后台系统阶段：又叫中断驱动系统。前台程序通过中段来处理事件，其结 构一般为无限循环；后台程序则掌管整个嵌入式系统软、硬件资源的分配、管理 以及任务的调度，是一个系统管理调度程序。这就是通常所说的前后台系统。在 程序运行时，后台程序检查每个任务是否具备运行条件，通过一定的调度算法来 完成相应的操作。对于实时性要求特别严格的操作通常由中断来完成，仅在中断 服务程序中标记事件的发生，不再做任何工作就退出中断，经过后台程序的调度， 转由前台程序完成事件的处理，这样就不会造成在中断服务程序中处理费时的事 件而影响后续和其他中断。前后台系统的实时性和任务的复杂性有很大的关系， 在复杂的大系统应用中前后台系统不能满足要求。 实时多任务系统阶段：一般复杂的嵌入式应用开发都采用了嵌入式操作系 1 4 西北t 业大学硕士论文第二章通用电气远程终端系统分析 统，嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系 统( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软 件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式 操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资 源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来； 能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。 通过比较可以看出，传统的前后台系统开发模式已经不能满足飞机供电系统 的要求。因此选用高效实时多任务操作系统作为系统开发平台。其中几个著名的 操作系统是：w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s ，m i c r o t e cr e s e a r c h 公司的v r t x ，l y n x r e a l - t i m es y s t e m s 公司的l y n x 以及免费的、源代码公开的pc o s i i 实时操 作系统l n 吼。结合g e r 7 开发的特点，从从任务调度、内存管理、任务通信、内 存开销、任务切换时间、最大中断禁止时间等几个方面来考虑选用实时多任务操 作系统( r t o s ) 。 ( 1 ) 、任务调度机制 r t 0 s 的实时性和多任务能力在很大程度上取决于它的任务调度机制。从调 度策略上来讲，分优先级调度策略和时间片轮转调度策略；从调度方式上来讲， 分可抢占，不可抢占。选择可抢占调度方式；从时间片来看，分固定与可变时间 片轮转。其中常用的调度算法为： 速率单调：在工作量由一组周期任务组成的系统中，每个任务执行时间 定长。速率单调调度算法能够保证其可调度性。速率单调调度算法简单 的说就是执行频率越高的任务，为其安排的优先级也越高。 夺时限驱动：对于一个由周期和非周期任务混合或者任务执行时间长度随 时变化的应用。可以使用时限取得算法。这个算法的准则是下一个要安 排执行的任务是一个时限最早的任务。在该任务完成之后，下一个时限 最早的任务被选择调度执行。 这些特点是上面提到的r t o s 所共有的。 ( 2 ) 、最小内存开销 r t o s 的设计中，最小内存开销是一个重要指标，为了降低成本和减小体积， 嵌入式系统的内存配置一般都不大。而在有限的空间不仅要装实时系统，还要装 载用户程序。在上面几个r t o s 当中，v x w o r k s 和l y n x 相比较v r t x 和u c o s i i ， 交叉开发环境使用方便，支持的操作系统功能更多，但要求的程序存储器和内存 相对较大。 ( 3 ) 、中断禁止时间和中断延迟 当r t o s 运行关键代码段是不会被中断的，只有当r t o s 重新回到用户态时才 - 1 5 西北工业大学硕士论文 第二章通用电气远程终端系统分析 响应中断请求。这一过程需要的时间就是中断最大禁止时间。中断延迟时间是指 系统确认中断开始到执行中断第一条指令为止，整个处理过程所需的时间。对于 任一个操作系统而言，其中断延迟都和c p u 的型号和处理能力有关。v x w o r k s 和 l y n x 等l 玎0 s 限制c p u 的选型，若它们不支持该c p u ，开发其相关代码相对复杂。 pc o s i i 的中断处理程序，需要自己开发。尽管这个时间的长度和开发者的经 验有很大关系，但在代码开发完成后，可以准确的确定中断延迟时间。 ( 4 ) 、任务切换时间 由于某种原因使一个任务退出运行时，