基于Zynq的TTP/C分布式控制系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)設(shè)

張文豪，張?zhí)旌?，陳飛，袁元

(南京航空航天大學(xué) 江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016)

?

張文豪，張?zhí)旌?，陳飛，袁元

(南京航空航天大學(xué) 江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016)

摘要:TTP/C總線是一種基于時(shí)間觸發(fā)的數(shù)據(jù)總線，具有嚴(yán)格的時(shí)間確定性和高度的通信可靠性。本文利用Zynq芯片的程序處理單元和邏輯處理單元，開(kāi)發(fā)了一種高度集成的航空發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制系統(tǒng)TTP/C智能節(jié)點(diǎn)。通過(guò)開(kāi)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制硬件在環(huán)試驗(yàn)，智能節(jié)點(diǎn)的通信可靠性和實(shí)時(shí)性以及節(jié)點(diǎn)的功能得到了驗(yàn)證，能夠滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制需求。

關(guān)鍵詞:Zynq；TTP/C；智能節(jié)點(diǎn)；硬件在環(huán)；分布式控制系統(tǒng)

引言

控制系統(tǒng)的安全性一直是航空航天及汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。TTP/C數(shù)據(jù)總線以其延遲邊界確定、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)[1]，得到了越來(lái)越多的高校和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。在國(guó)外，Hamilton Sundstrand在Boeing 787的動(dòng)力系統(tǒng)和環(huán)控系統(tǒng)中均采用了TTTech公司的TTP/C總線解決方案；Honeywell的MAC平臺(tái)從2000年開(kāi)始采用TTTech提供的TTP通信解決方案，該MAC平臺(tái)應(yīng)用在2004年首飛的Aermacchi M-346教練機(jī)上以及2006年首飛的Lockheed Martin F-16上；NASA已經(jīng)將TTEthernet技術(shù)用在獵戶座載人搜索飛行器(Orion Crew Exploration Vehicle)上。在國(guó)內(nèi)，TTP/C協(xié)議的研究主要集中在基于TTP/C總線的汽車(chē)控制系統(tǒng)領(lǐng)域，而且大多數(shù)研究都處于理論研究階段，還沒(méi)有一個(gè)商業(yè)化的產(chǎn)品。在這種背景下，本文自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種基于Zynq的分布式TTP/C控制器智能節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)平臺(tái)。

傳統(tǒng)的SOPC設(shè)計(jì)無(wú)外乎兩種方式：①在FPGA上設(shè)計(jì)一個(gè)軟核，比如Altera的NiosII、Xilinx的MicroBlaze等；②當(dāng)單個(gè)軟核無(wú)法滿足要求時(shí)，將FPGA和片外處理器芯片(比如ARM、DSP等)聯(lián)合使用。Zynq-7000系列芯片是由Xilinx公司推出的可擴(kuò)展處理平臺(tái)[2]，該平臺(tái)在單芯片內(nèi)部集成了雙核ARM Cortex-A9的處理系統(tǒng)(Processing System，PS)和可編程邏輯(Programmable Logic，PL)。相對(duì)于傳統(tǒng)的SOPC，這種架構(gòu)不僅解決了軟核處理性能低、耗用FPGA資源多的難題，而且避免了FPGA和傳統(tǒng)處理器芯片片外通信導(dǎo)致的傳輸帶寬瓶頸的困難。

本文充分利用Zynq平臺(tái)內(nèi)PL資源并行處理的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)TTP/C總線控制器的底層硬件設(shè)計(jì)；利用兩個(gè)ARM核分別作為T(mén)TP/C總線的協(xié)議處理器和分布式控制系統(tǒng)的主機(jī)處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)TTP/C智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)；FPGA和ARM之間通過(guò)AXI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[3]，ARM雙核之間通過(guò)OCM(On-Chip Memory，片上存儲(chǔ)器)和軟件中斷來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

1TTP/C總線的基本架構(gòu)及運(yùn)行機(jī)制

TTP/C通信系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖1所示。在一個(gè)包含了n個(gè)智能節(jié)點(diǎn)的分布式控制系統(tǒng)中，n個(gè)智能節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)TTP/C集群；每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)包括主機(jī)控制器、TTP/C總線協(xié)議控制器以及用于它們之間通信的CNI(Communication Net Interface，通信網(wǎng)絡(luò)接口)接口[4]3個(gè)部分。其中，MEDL(Message Description List，消息描述列表)是一個(gè)事先規(guī)劃好的總線時(shí)間調(diào)度列表，它將一個(gè)TDMA(Time Division Multiple Address，時(shí)分多路復(fù)用)周期等間距或不等間距地分成多個(gè)時(shí)間槽并分配給各個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)在其分配的時(shí)間槽內(nèi)可以占用通信通道來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)[5]。

圖1　TTP/C通信系統(tǒng)的基本架構(gòu)

2智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

基于Zynq的智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)部分：主機(jī)控制器設(shè)計(jì)、協(xié)議控制器設(shè)計(jì)以及兩者之間通信的CNI接口設(shè)計(jì)。智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，其中，實(shí)線表示時(shí)間信息的流向，虛線表示應(yīng)用數(shù)據(jù)的流向；APU(Application Processing Unit，應(yīng)用處理單元)是PS的核心部分，包括多核處理器、OCM、DMA控制器、GIC(Generic Interrupt Controller，通用中斷控制器)、多級(jí)緩存及其管理單元SCU(Snoop Control Unit，偵測(cè)控制單元)。

2.1主機(jī)控制器設(shè)計(jì)

主機(jī)控制器是智能節(jié)點(diǎn)內(nèi)的功能單元，根據(jù)主機(jī)控制器在航空發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制系統(tǒng)中的功能不同，可以將智能節(jié)點(diǎn)分為智能傳感器節(jié)點(diǎn)、中央處理節(jié)點(diǎn)和智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)。智能傳感器節(jié)點(diǎn)的主機(jī)控制器負(fù)責(zé)采集航空發(fā)動(dòng)機(jī)的被控制量(如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速)或發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)量(如溫度)，并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行濾波、線性化、溫度補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換、冗余管理等相應(yīng)處理，得到易于處理的數(shù)字量，再通過(guò)TTP/C總線控制器發(fā)送給中央處理節(jié)點(diǎn)；中央處理節(jié)點(diǎn)的主機(jī)控制器根據(jù)從智能傳感器節(jié)點(diǎn)獲得的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)信息和上位機(jī)給定的控制量，通過(guò)相應(yīng)的控制算法計(jì)算出相應(yīng)的輸出控制量(數(shù)字量)，并傳輸給智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)；智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的主機(jī)控制器將中央處理節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的控制量通過(guò)添加激勵(lì)、D/A轉(zhuǎn)換等解調(diào)處理，輸出模擬信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而形成閉環(huán)控制，保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。

本文充分利用Zynq的硬件結(jié)構(gòu)，使用PS內(nèi)的一個(gè)ARM硬核CPU0來(lái)開(kāi)發(fā)主機(jī)控制器，不僅提高了智能節(jié)點(diǎn)的集成度，而且解決了協(xié)議控制器和主機(jī)控制器片外傳輸存在瓶頸的難題。

2.2協(xié)議控制器設(shè)計(jì)

協(xié)議控制器是智能節(jié)點(diǎn)內(nèi)的核心單元，也是各個(gè)智能節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信的基本保證。如圖2所示，協(xié)議控制器包括協(xié)議處理器模塊、時(shí)間觸發(fā)模塊、集群?jiǎn)?dòng)及時(shí)鐘同步模塊、冗余總線收發(fā)器模塊、RS-485物理層驅(qū)動(dòng)模塊和BG(Bus Guardian，總線監(jiān)視器)模塊。在協(xié)議控制器的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，本文充分利用Zynq內(nèi)PL資源并行處理、靈活配置和PS硬核資源處理速度快的特點(diǎn)，分別對(duì)協(xié)議控制器的各個(gè)模塊加以實(shí)現(xiàn)。

時(shí)間觸發(fā)模塊包括MEDL列表和時(shí)間觸發(fā)器兩個(gè)部分，用來(lái)保證智能節(jié)點(diǎn)在分配的時(shí)間槽到來(lái)時(shí)能夠及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)組幀并在總線上廣播數(shù)據(jù)；集群?jiǎn)?dòng)模塊是為了系統(tǒng)上電后能夠盡快建立一個(gè)全局時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)各個(gè)智能節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步，而時(shí)鐘同步模塊則是用來(lái)保證這個(gè)全局時(shí)鐘在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)較大偏差而導(dǎo)致時(shí)間槽混疊的現(xiàn)象發(fā)生。這些模塊對(duì)時(shí)鐘精度的要求十分苛刻，因此，本文將這些模塊放在具有嚴(yán)格時(shí)序規(guī)范的PL內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

BG模塊是協(xié)議控制器內(nèi)一個(gè)獨(dú)立的模塊，它的作用是防止發(fā)生故障的智能節(jié)點(diǎn)在其時(shí)間槽之外廣播數(shù)據(jù)。BG實(shí)現(xiàn)原理是通過(guò)在發(fā)送時(shí)間段使能總線驅(qū)動(dòng)，發(fā)送時(shí)間段外禁止總線驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的阻塞故障隔離，它的工作時(shí)序如圖3所示。本文設(shè)計(jì)的BG采用經(jīng)過(guò)同步算法校正的1 MHz標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，并參照調(diào)度列表實(shí)現(xiàn)對(duì)總線驅(qū)動(dòng)器的使能和禁止[6]。

協(xié)議處理器模塊是協(xié)議控制器的核心，它的作用是通過(guò)AXI總線保證PL中各個(gè)硬件模塊之間的協(xié)調(diào)工作，并完成節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換、隱式確認(rèn)算法、故障注入及恢復(fù)等高級(jí)任務(wù)。考慮到對(duì)處理速度和任務(wù)切換等方面的要求較高，該模塊由PS中的ARM核CPU1來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3CNI接口設(shè)計(jì)

CNI接口是主機(jī)控制器和協(xié)議控制器之間進(jìn)行通信的樞紐，它的本質(zhì)是一段兩個(gè)控制器可以進(jìn)行分時(shí)交替訪問(wèn)的公共存儲(chǔ)空間。在控制器設(shè)計(jì)時(shí)，采用APU內(nèi)部帶有校驗(yàn)功能的256 KB的雙端口OCM來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能，并通過(guò)Zynq內(nèi)的軟件中斷來(lái)保證兩個(gè)控制器通信的實(shí)時(shí)性。需要注意的是，這部分OCM默認(rèn)是可以作為處理器緩存使用的，為保證雙核傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不受污染，使用前需要先禁止這部分存儲(chǔ)空間的緩存功能。

圖2　智能節(jié)點(diǎn)的硬件實(shí)現(xiàn)框圖

圖3　BG工作時(shí)序圖

3HIL試驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建及試驗(yàn)

3.1構(gòu)建HIL試驗(yàn)平臺(tái)

HIL(Hardware-In-the-Loop，硬件在環(huán))仿真是發(fā)動(dòng)機(jī)仿真試驗(yàn)中常用的一種仿真手段，它擁有真實(shí)的I/O接口、控制器硬件設(shè)備以及虛擬的發(fā)動(dòng)機(jī)模型(如航空發(fā)動(dòng)機(jī)接口模擬器)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程和實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程的時(shí)間進(jìn)程十分接近，是一種置信度較高的控制算法測(cè)試驗(yàn)證手段[7]。

轉(zhuǎn)速控制回路是航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵控制回路，其性能決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)靜態(tài)特性。轉(zhuǎn)速控制回路包括伺服閥電流控制油針位置的小閉環(huán)回路和油針位置控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的大閉環(huán)回路，兩個(gè)閉環(huán)控制的原理框圖略——編者注。油針位置小閉環(huán)回路的作用是通過(guò)給定的油針位置Gtr和LVDT采集到的實(shí)際油針位置Gt形成閉環(huán)，并輸出控制電流給伺服閥來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的供油量；轉(zhuǎn)速閉環(huán)的原理是通過(guò)智能傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速N和上位機(jī)給定的轉(zhuǎn)速Nr，計(jì)算出給定油針位置Gtr，再通過(guò)智能油針位置閉環(huán)節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)供油量來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

本文構(gòu)建了一種包含4個(gè)智能節(jié)點(diǎn)的HIL轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制平臺(tái)，如圖4所示，并通過(guò)該試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)TTP/C智能節(jié)點(diǎn)的通信可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。4個(gè)智能節(jié)點(diǎn)中，選擇一個(gè)作為智能傳感器節(jié)點(diǎn)，一個(gè)作為智能油針位置閉環(huán)節(jié)點(diǎn)，其余兩個(gè)作為中央處理節(jié)點(diǎn)(其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為備份節(jié)點(diǎn))。TTP/C集群的TDMA周期設(shè)置為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主控制步長(zhǎng)20 ms，每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配5 ms的時(shí)間槽來(lái)占用TTP/C總線發(fā)送數(shù)據(jù)，如圖5所示。每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)在各自分配的時(shí)間槽到來(lái)時(shí)，必須廣播本地節(jié)點(diǎn)的TTP/C協(xié)議控制器狀態(tài)信息，以保證TTP/C通信集群的正常運(yùn)行；本地節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)的發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用數(shù)據(jù)，可以由本地主機(jī)控制器負(fù)責(zé)的不同功能來(lái)加以區(qū)別。

圖4　基于TTP/C的HIL硬件試驗(yàn)平臺(tái)

圖5　TTP/C分布式系統(tǒng)時(shí)間槽分配

3.2HIL試驗(yàn)結(jié)果及分析

轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制響應(yīng)曲線、油針位置小閉環(huán)的響應(yīng)曲線和伺服閥控制電流的輸出圖略——編者注。轉(zhuǎn)速和油針位置的量綱都采用百分比的形式，電液伺服閥控制電流范圍為-30～30 mA。該控制過(guò)程共分為5個(gè)階段：3個(gè)加速階段和2個(gè)減速階段。當(dāng)上位機(jī)的給定轉(zhuǎn)速升高時(shí)，給定油針位置和控制電流也會(huì)隨之增加，使發(fā)動(dòng)機(jī)的供油量增加，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速；同理，當(dāng)上位機(jī)減小給定轉(zhuǎn)速時(shí)，給定油針位置和控制電流也會(huì)隨之減小，發(fā)動(dòng)機(jī)的供油量減少，發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速降低。在這5個(gè)階段中，通過(guò)轉(zhuǎn)速大閉環(huán)和油針位置小閉環(huán)的控制作用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速量動(dòng)靜態(tài)性能的良好控制，驗(yàn)證了智能節(jié)點(diǎn)之間良好的通信能力。

結(jié)語(yǔ)

本文在Zynq平臺(tái)上自主設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于時(shí)間觸發(fā)的TTP/C智能節(jié)點(diǎn)，并搭建了HIL試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)智能節(jié)點(diǎn)的通信性能進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，自主設(shè)計(jì)的智能節(jié)點(diǎn)在保證時(shí)鐘同步精度的基礎(chǔ)上，能夠確保各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)無(wú)丟包無(wú)誤碼的數(shù)據(jù)傳輸，為進(jìn)一步研究基于時(shí)間觸發(fā)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見(jiàn)本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

參考文獻(xiàn)

[1] Time-Triggered Protocol TTP/C High-Level Specification Document Protocol Version 1.1,2003.

[2] Xilinx推出可擴(kuò)展處理平臺(tái)Zynq系列[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2011(4):32.

[3] 牛盼情,康翔宇,何頂新.基于Zynq的PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2015(5):65-68.

[4] 劉冬冬,張?zhí)旌?陳建,等.TTP/C協(xié)議的關(guān)鍵特性研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2012,20(20):2769-1772.

[5] 陳建,劉冬冬,張?zhí)旌?基于TTP/C總線的開(kāi)放式DEEC設(shè)計(jì)及PIL仿真驗(yàn)證[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2014(12).

[6] 劉冬冬.開(kāi)放式FADEC系統(tǒng)架構(gòu)及可靠性建模技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2013.

[7] 張?zhí)旌?殷彬彬,張?chǎng)?基于Compact RIO/FPGA的超高速控制器快速原型設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),2015,41(3).

張文豪、陳飛、袁元(碩士研究生)，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究；張?zhí)旌?教授)，研究方向?yàn)榍度胧娇刂葡到y(tǒng)、系統(tǒng)控制與仿真。

(責(zé)任編輯：薛士然收修改稿日期：2015-12-26)

Zhang Wenhao,Zhang Tianhong,Chen Fei,Yuan Yuan

(Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power System,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)

Abstract：TTP/C is a kind of time-triggered data bus with the characteristics of strict time certainty and high reliability.The program and logic processing units of Zynq chip are used to develop the TTP/C intelligent nodes of an aero-engine distributed control system which is highly integrated.The hardware-in-the-loop test conducted on an aero-engine distributed test platform validates the communication reliability,real-time performance and the function of the intelligent nodes,which satisfies the distributed control demands of the aero-engine.

Key words:Zynq;TTP/C;intelligent nodes;hardware-in-the-loop;distributed control system

中圖分類號(hào):V233.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A