基于VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

來源：電子產(chǎn)品世界 作者：秦龍勇，彭衛(wèi)東，謝拴勤

先進(jìn)飛機(jī)正朝著多電、全電方向發(fā)展，供電系統(tǒng)成為了未來飛機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵。按照功能飛機(jī)供電系統(tǒng)分為電源系統(tǒng)和配電系統(tǒng)兩大部分。先進(jìn)配電系統(tǒng)由電源系統(tǒng)處理機(jī)（PSP）、電氣負(fù)載管理中心（ELMC）、固態(tài)功率控制器（SSPC）和遠(yuǎn)程終端（RT）組成，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)配電的智能化，其中電源系統(tǒng)處理機(jī)是配電系統(tǒng)的核心。

目前我國飛機(jī)電源系統(tǒng)仍采用的是集中配電方式。隨著航空技術(shù)的迅速發(fā)展，飛機(jī)性能有了大幅度提高，用電設(shè)備迅速增加，電源功率不斷提高，這種配電方式已經(jīng)不適應(yīng)，而且嚴(yán)重影響了飛機(jī)整體性能的提高。

國外一些技術(shù)發(fā)達(dá)的國家，如美國、英國、法國等在航空航天領(lǐng)域已普遍使用了分布式配電和負(fù)載自動(dòng)管理技術(shù)。美國最近裝備部隊(duì)的F-22先進(jìn)飛機(jī)就采用了可編程的固態(tài)開關(guān)、1553B總線、微處理機(jī)和負(fù)載自動(dòng)管理技術(shù)。美國在P7-A反潛機(jī)上也使用了先進(jìn)配電系統(tǒng)，系統(tǒng)控制功能達(dá)到了故障—工作、故障—容錯(cuò)、故障—保險(xiǎn)的容錯(cuò)等級(jí)。我國對(duì)該課題的研究起步較晚，但是近來發(fā)展迅速，1553B數(shù)據(jù)總線、發(fā)電機(jī)控制器、固態(tài)功率控制器和電氣負(fù)載管理中心的研究，以及某型飛機(jī)的NAMP系統(tǒng)，都是富有成果性的。不過，與世界上技術(shù)先進(jìn)國家相比尚有一定差距，還有很多工作要做。先進(jìn)飛機(jī)配電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不中斷供電和容錯(cuò)供電，提高供電系統(tǒng)的可靠性、維護(hù)性、靈活性，對(duì)于提高飛機(jī)的整體性能有重要的作用，已是第四代戰(zhàn)斗機(jī)的必備技術(shù)。

配電系統(tǒng)控制分析

配電系統(tǒng)采用集散控制方式，由具有智能性的PSP、ELMC、RT和GCU（發(fā)電機(jī)控制器）來實(shí)現(xiàn)控制。其中，ELMC監(jiān)視和控制SSPC，RT監(jiān)視和控制EMPC（機(jī)電式功率控制器）、外部電源、蓄電池以及TRU（變壓整流器）。GCU為發(fā)電機(jī)、主交流匯流條提供控制和保護(hù)。GCU在功能上是獨(dú)立的，并不受PSP控制。PSP完成頂層級(jí)的系統(tǒng)控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電系統(tǒng)集中管理。各智能終端與PSP通過MIL-STD-1553B數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通信。

由于受MIL-STD-1553B總線1MBPS位速率的限制，不能采用單一的綜合結(jié)構(gòu)，所以航空電子系統(tǒng)與配電系統(tǒng)控制采用了分層結(jié)構(gòu)。航空電子系統(tǒng)提供配電系統(tǒng)控制所必需的飛行和任務(wù)數(shù)據(jù)，它采用自己單獨(dú)的數(shù)據(jù)總線。由電源系統(tǒng)處理機(jī) （PSP）擔(dān)負(fù)航空電子系統(tǒng)和配電系統(tǒng)控制之間的信息傳遞任務(wù)。配電系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 配電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件分析

根據(jù)對(duì)飛機(jī)配電系統(tǒng)的分析，電源系統(tǒng)處理機(jī)軟件可分為下述模塊：

a. 系統(tǒng)控制指令處理模塊

b. 供電系統(tǒng)布局狀態(tài)處理模塊

c. MIL-STD-1553B 數(shù)據(jù)總線控制模塊

d. 供電系統(tǒng)初始化模塊

e. 電氣系統(tǒng)監(jiān)控模塊

f. 處理機(jī)請(qǐng)求排序模塊

g. 處理機(jī)請(qǐng)求處理模塊

由于采用了VxWorks作為操作系統(tǒng)，必須將上述模塊劃分為具體的任務(wù)，提交給操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)來調(diào)度、管理。任務(wù)調(diào)度一般采用RM和EDF方式，遵循的原則是：首先，要避免死鎖。引起死鎖的原因主要是資源的競爭，所以要保證資源的合理使用。其次，必須為每個(gè)任務(wù)合理分配CPU使用時(shí)間，對(duì)于那些I/O操作多的任務(wù)優(yōu)先級(jí)要低一些，運(yùn)算多的任務(wù)優(yōu)先級(jí)要高一些。為保證CPU的充分利用，大量運(yùn)算歸為一個(gè)任務(wù)；功能耦合歸為一個(gè)任務(wù)；對(duì)于周期時(shí)間，針對(duì)不同的頻率處理不同任務(wù)。如果我們?cè)诰唧w分析一個(gè)系統(tǒng)的時(shí)候發(fā)生原則沖突，則要針對(duì)具體的系統(tǒng)為每一個(gè)原則設(shè)定“權(quán)重”，必要的時(shí)候可以通過計(jì)算“權(quán)重”來最終確定如何去劃分任務(wù)。為了系統(tǒng)的穩(wěn)定和可擴(kuò)展性，CPU不能全載工作，達(dá)到60“70%就可以了。

VxWorks介紹

VxWorks 是Wind River 公司開發(fā)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)軟件，為程序員提供了高效的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度和中斷管理，實(shí)時(shí)的系統(tǒng)資源以及實(shí)時(shí)的任務(wù)間通信。其核心功能主要有微內(nèi)核，任務(wù)間通信機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)支持，文件系統(tǒng)和I/O管理，POSIX標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)擴(kuò)展，以及C++等其它標(biāo)準(zhǔn)支持。目前， VxWorks操作系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、國防、工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備等嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域。 綜合設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)有嚴(yán)格的層次結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 主執(zhí)行軟件結(jié)構(gòu)圖

這樣做的目的在于明確各個(gè)層面的功能，便于軟件的工程化開發(fā)。 硬件構(gòu)架：包括了處理機(jī)和總線接口部件。軟件層對(duì)它的要求是適合于嵌入式開發(fā)。

BSP：這一層是連接硬件與VxWorks的，其功能是對(duì)上層屏蔽硬件操作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的配置，驅(qū)動(dòng)的集成，硬件的初始化等等，其部分功能類似于PC機(jī)的BIOS。

VxWorks：這是操作系統(tǒng)層。VxWorks是一款出色的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)采用搶占式優(yōu)先級(jí)調(diào)度，并且根據(jù)應(yīng)用可以配置和裁減以提高系統(tǒng)的效率、可靠性和實(shí)時(shí)性。其功能是對(duì)應(yīng)用軟件提供接口界面，進(jìn)行實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度，系統(tǒng)資源管理等。通過在Tornado開發(fā)環(huán)境下創(chuàng)建Bootable Project 來定制所需要的VxWorks image。用戶一般要根據(jù)實(shí)際情況，適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行添加或裁減。

應(yīng)用軟件：這是用戶層，關(guān)鍵在于根據(jù)飛機(jī)的負(fù)載特性和優(yōu)先級(jí)分布來合理地劃分任務(wù)。建立有限狀態(tài)機(jī)和Petri網(wǎng)都能有效地幫助建立合理的應(yīng)用程序模型，正確地使用相關(guān)輔助工具可以簡化建模過程。

根據(jù)開發(fā)的需要，應(yīng)用軟件分為內(nèi)核軟件和外圍集成軟件兩大塊。其中內(nèi)核軟件實(shí)現(xiàn)PSP主執(zhí)行軟件的基本功能，外圍集成軟件實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入、顯示等調(diào)試過程的人機(jī)界面，所有的外圍模塊通過內(nèi)核軟件的指定接口模塊與內(nèi)核通信。

鑒于數(shù)據(jù)被各個(gè)任務(wù)頻繁使用，所以建立一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫來管理數(shù)據(jù)是安全而高效的。關(guān)于嵌入式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的建立，請(qǐng)參閱相關(guān)書籍。這里只是簡單的采用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)，目的是消除一般數(shù)據(jù)庫中I/O操作的時(shí)間不確定性。首先，要為相關(guān)的數(shù)據(jù)類型建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體。在該系統(tǒng)中需要為模擬量、狀態(tài)量、數(shù)字量、控制量建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。以數(shù)據(jù)中的模擬量為例，可定義如下：

其次，將所有的數(shù)據(jù)和方法封裝在一起，完成數(shù)據(jù)庫的定義而得到的數(shù)據(jù)庫，在這里把它稱為數(shù)據(jù)布局文件。對(duì)于本數(shù)據(jù)庫最重要的是要保證讀寫的時(shí)間限制，如果規(guī)定時(shí)間內(nèi)未能完成讀寫操作，必須要終止操作，并且回滾到未操作狀態(tài)。

內(nèi)核軟件的大致任務(wù)為：1553B通信處理任務(wù)，電源系統(tǒng)監(jiān)測任務(wù)，與備份PSP通信任務(wù)，控制臺(tái)處理任務(wù)，電源請(qǐng)求與執(zhí)行任務(wù)，外圍模塊通信處理任務(wù)，系統(tǒng)自監(jiān)測任務(wù)等。外圍軟件主要是航空電子模擬任務(wù)、模擬控制臺(tái)任務(wù)、綜合顯示任務(wù)。 整個(gè)軟件的簡單流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)流圖（DFD）

內(nèi)核軟件：處理電源請(qǐng)求和執(zhí)行任務(wù)，主要是解飛機(jī)負(fù)載邏輯方程，從而得出當(dāng)前的最佳控制方案，將結(jié)果通過1553B總線送給ELMC、RT等控制機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)自監(jiān)測任務(wù)主要是監(jiān)視當(dāng)前軟件系統(tǒng)工作情況，防止外界原因使得內(nèi)部數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，導(dǎo)致錯(cuò)誤控制的發(fā)生。外圍軟件主要是模擬PSP的工作環(huán)境和簡單的人機(jī)接口，并不是PSP功能的組成部分。采用外圍模塊通信處理任務(wù)來管理外圍的任務(wù)，可以方便地?cái)U(kuò)展外圍開發(fā)中的模塊，而不影響內(nèi)核功能，便于軟件的裁減。備份PSP通信任務(wù)通過RS422與備份PSP通信，達(dá)到雙機(jī)熱備份。電源系統(tǒng)監(jiān)測任務(wù)主要是查看電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)，定期地修改數(shù)據(jù)布局文件中的狀態(tài)量，得到當(dāng)前的系統(tǒng)工作情況，對(duì)于歷史數(shù)據(jù)布局文件可以寫入歷史數(shù)據(jù)庫，以備查詢。另外，任務(wù)之間如果需要同步，可以采用信號(hào)量來實(shí)現(xiàn)。

結(jié)語

本文簡單講述了基于VxWorks的飛機(jī)電源系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過程，在實(shí)際應(yīng)用中還有許多問題需要解決。比如考慮到程序用途的特殊性，必須保證程序的正確運(yùn)行，所以程序的健壯性是研究的另一個(gè)重點(diǎn)。比如，采用程序固化運(yùn)行、冗余容錯(cuò)技術(shù)、程序互檢驗(yàn)等技術(shù)都是為了保證程序準(zhǔn)確無誤地運(yùn)行。另外，飛機(jī)邏輯負(fù)載方程庫的建立和求解，以及相應(yīng)日志文件系統(tǒng)的建立，都是必要的工作。

責(zé)任編輯：gt