平流層飛艇艇務(wù)管理分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

席　鵬，於二軍

(航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

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平流層飛艇艇務(wù)管理分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

席鵬，於二軍

(航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

摘要：針對(duì)平流層飛艇艇務(wù)分系統(tǒng)各類壓力傳感器、閥門分布廣泛、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理要求高等特點(diǎn)，本文提出了分布式架構(gòu)艇務(wù)管理分系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，并對(duì)該系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、工作原理、容錯(cuò)方法進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。目前該系統(tǒng)已通過了試飛驗(yàn)證并交付使用，艇務(wù)管理分系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

關(guān)鍵詞：平流層飛艇；艇務(wù)管理；分布式

平流層飛艇作為一種現(xiàn)代特種飛行器，具有空中滯留時(shí)間長(zhǎng)、部署速度快、飛行高度高等突出優(yōu)點(diǎn)，其在民用、軍用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值，美國(guó)、俄羅斯、日本等國(guó)都將平流層飛艇平臺(tái)的研制作為占領(lǐng)平流層空間的戰(zhàn)略目標(biāo)予以高度重視并已相繼開展了相關(guān)課題的可行性研究論證以及飛行驗(yàn)證試驗(yàn)[1]。根據(jù)各國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀，平流層飛艇的巨型化是目前各國(guó)實(shí)現(xiàn)飛艇在平流層環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行所采用的方法。這是由于飛艇工作的平流層高度大氣密度遠(yuǎn)低于海平面，更低的密度意味著需要更大的體積。但更大的體積使得艇上各類傳感器及閥門、燈光等將在艇上各個(gè)部位進(jìn)行分布，因此要求其控制系統(tǒng)對(duì)飛艇的各狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行就近采集、就近控制。

傳統(tǒng)的小型飛艇由于任務(wù)簡(jiǎn)單，體積小，僅有為數(shù)不多的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要管理，通常這些功能與其它一些功能例如導(dǎo)航集成在一起，并不需要單獨(dú)的艇務(wù)控制系統(tǒng)，因此艇務(wù)控制系統(tǒng)也是伴隨著大型飛艇的出現(xiàn)而產(chǎn)生的一個(gè)新的分布式架構(gòu)系統(tǒng)。

1系統(tǒng)架構(gòu)

1.1艇務(wù)管理分系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

針對(duì)平流層飛艇的特點(diǎn)，從系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性以及整體性能的優(yōu)化等多方面出發(fā)，艇務(wù)管理分系統(tǒng)采用分布式集中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

艇務(wù)管理計(jì)算機(jī)為系統(tǒng)的控制核心，艇務(wù)管理計(jì)算機(jī)每周期接收艇載通信管理器發(fā)出的控制命令，解算后通過RS422總線與3個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換盒進(jìn)行數(shù)據(jù)命令交互，將控制指令傳遞給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換盒來(lái)控制各個(gè)空氣閥、氦氣閥、航行燈等設(shè)備的工作狀態(tài)，滿足飛艇的飛行要求。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換盒主要負(fù)責(zé)對(duì)各類傳感器的電信號(hào)進(jìn)行采集，將采集的電信號(hào)通過RS422A總線上報(bào)艇務(wù)管理計(jì)算機(jī)，同時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換盒接收艇務(wù)管理計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的控制命令，對(duì)艇上燈光、各類閥門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

2艇務(wù)計(jì)算機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

艇務(wù)管理計(jì)算機(jī)是艇務(wù)管理分系統(tǒng)的信息處理和系統(tǒng)管理中心，艇務(wù)管理計(jì)算機(jī)為雙機(jī)容錯(cuò)冗余系統(tǒng)，主CPU模塊出現(xiàn)故障后可自動(dòng)切換到備份CPU模塊控制系統(tǒng)功能，CPU模塊上提供數(shù)據(jù)處理、10路外部RS422接口、以太網(wǎng)接口、LBE底板總線接口功能。

圖2　艇務(wù)管理計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.1艇務(wù)計(jì)算機(jī)雙通道CPU主備工作模式

艇務(wù)管理計(jì)算機(jī)雙通道熱備方式。即雙通道同時(shí)加電，且均處于工作狀態(tài)；采用熱備份工作形式的兩通道CPU模塊硬件軟件配置完全一致，各通道均具有包括監(jiān)控、記錄、通訊、控制功能在內(nèi)的完整獨(dú)立功能。這兩個(gè)通道的輸出接口通過通道故障邏輯控制使其輸出使能。

正常情況下主控CPU進(jìn)行系統(tǒng)控制，從CPU進(jìn)行監(jiān)聽備份；主CPU故障時(shí)將系統(tǒng)任務(wù)切換至從CPU運(yùn)行，由從CPU進(jìn)行系統(tǒng)控制；然后可通過強(qiáng)制切換功能將系統(tǒng)任務(wù)強(qiáng)行從從CPU切換至主CPU運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)切換流程見圖3。

圖3　艇務(wù)管理計(jì)算機(jī)工作狀態(tài)切換圖

2.2故障處理及切換

艇務(wù)計(jì)算機(jī)上電默認(rèn)A通道控制有效，A通道CPU模塊檢測(cè)到以下條件：看門狗報(bào)警、電源掉電或軟件配置時(shí)，將產(chǎn)生A_VALID信號(hào)通知B通道CPU,此時(shí)A通道CPU模塊有故障。通過離散量信號(hào)輸入到B通道CPU模塊FPGA中采集，當(dāng)邏輯電路判斷到該信號(hào)處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，將禁止本CPU模塊的LBE總線輸出、RS422輸入輸出等外部輸出信號(hào), 同時(shí)使能B通道LBE總線輸出、RS422輸入輸出等外部輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)通道切換功能，通道故障邏輯示意圖如圖4所示。

圖4　雙CPU通道切換邏輯

由于發(fā)生一次嚴(yán)重故障后即便故障消失，系統(tǒng)的可信度也大大降低，因此艇務(wù)管理計(jì)算機(jī)的通道切換設(shè)計(jì)為單向，即切換順序只能是由主通道A 切換到備通道B完成一次切換。

2.2.1模塊功能框圖

PSM模塊功能框圖如圖5所示。

圖5　PSM模塊功能框圖

PSM模塊由兩個(gè)完全相同的電源通道組成。每個(gè)通道由正常直流匯流條和應(yīng)急(蓄電池)直流匯流條供電，通過二極管在每個(gè)通道內(nèi)部匯流。這兩種電源任一路輸入到艇務(wù)管理計(jì)算機(jī)中時(shí)，艇務(wù)管理計(jì)算機(jī)均可正常工作。PSM模塊根據(jù)直流28 V(18 V～32 V)輸入電壓變換系統(tǒng)所需的直流輸出電壓，保證電源的電壓穩(wěn)定度、負(fù)載穩(wěn)定度、紋波電壓VP-P的范圍和效率，并且具有過壓、過流和瞬間短路保護(hù)的功能，故障排除后輸出自動(dòng)恢復(fù)正常工作。

3數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換盒技術(shù)特點(diǎn)

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換盒是飛艇上的狀態(tài)、參數(shù)的采集中心，同時(shí)又是艇上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制中心，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化實(shí)時(shí)采集這些狀態(tài)和參數(shù)，并將其通過RS422發(fā)送給艇務(wù)管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和數(shù)據(jù)上傳給其他系統(tǒng)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換盒可直接置于各類傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的附近，從而減少了艇上所需的布線。

圖6　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換盒DPM模塊功能示意圖

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換盒主要由DSP控制電路、RS422通信電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路以及模擬量信號(hào)調(diào)理采集電路組成，模擬量信號(hào)調(diào)理采集電路采集各類傳感器獲得的參數(shù)；輸出驅(qū)動(dòng)電路輸出驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)至各類執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

4總結(jié)

艇務(wù)管理計(jì)算機(jī)采用雙通道主備架構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。該系統(tǒng)已在平流層飛艇平臺(tái)上進(jìn)行了飛行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，可很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛艇狀態(tài)參數(shù)的采集以及控制輸出，提高了飛艇飛行狀態(tài)的穩(wěn)定性，滿足飛艇系統(tǒng)長(zhǎng)期滯空工作要求。

參考文獻(xiàn)

[1]譚惠豐，王超，王長(zhǎng)國(guó).實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的新型平流層飛艇研究進(jìn)展[J].航空學(xué)報(bào)，2010(2)：257-264.

收稿日期：2015-12-16

作者簡(jiǎn)介：席鵬(1980- )，男 陜西耀州人，工程師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)硬件技術(shù)。

文章編號(hào)：1674- 4578(2016)02- 0024- 02

中圖分類號(hào)：V274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

The Design of Affair Management System for Stratospheric Airship

Xi Peng, Yu Erjun

(AeronauticsComputingTechniqueResearchInstitute,Xi’an，Shaanxi710068,China)

Abstract:For the characteristics of wide distribution of various pressure sensors and valves, and the high requirement for data monitoring processing in subsystem of stratospheric airship management, a distributed airship affair management system is proposed; the system structure, working principle and reconfiguration mechanism are mainly discussed. Now this system is applied to a certain fighter and works reliably.

Key words:stratospheric airship; airship affair management; distribution structure