基于μC／OS－Ⅲ的噴霧結(jié)冰控制系統(tǒng)的設計

范蟠果，米曉亮，余書寶，邢保毫，王 婷

（西北工業(yè)大學自動化學院，西安 710129）

基于μC／OS－Ⅲ的噴霧結(jié)冰控制系統(tǒng)的設計

范蟠果，米曉亮，余書寶，邢保毫，王 婷

（西北工業(yè)大學自動化學院，西安 710129）

結(jié)冰是影響飛機安全飛行的重要因素，在某一型號飛機投入使用前，需要對該飛機除／防冰系統(tǒng)的性能進行驗證；因此，研制了一套基于μC／OS－III的機載噴霧結(jié)冰控制系統(tǒng)；給出了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框架及其組成，重點介紹了該控制系統(tǒng)的硬件及軟件的設計思路；系統(tǒng)實現(xiàn)了對噴霧設備的水、氣路溫度及壓力的自動調(diào)節(jié)，在此基礎上，還具有參數(shù)監(jiān)測與顯示、系統(tǒng)報警、數(shù)據(jù)分析與保存等功能；試驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定、實時性好、調(diào)節(jié)速度快、控制精度高等特點，可以使用該系統(tǒng)進行噴霧結(jié)冰試驗來考察某機型除／防冰系統(tǒng)的工作性能。

除／防冰系統(tǒng)；噴霧結(jié)冰；μC／OS－III；性能驗證

0 引言

飛機在飛行過程中如果遇到結(jié)冰大氣環(huán)境，則容易在迎風部件表面結(jié)冰。飛機結(jié)冰后，不僅重量加重，氣動外形也受到影響，使得飛機飛行時阻力增大，操縱性和穩(wěn)定性下降，嚴重時還可能出現(xiàn)嚴重的飛行事故。

現(xiàn)代飛機均裝有除／防冰系統(tǒng)，但具體性能如何，最好的辦法就是通過飛機凍云結(jié)冰試驗來驗證。因此，研制一套機載噴霧結(jié)冰控制系統(tǒng)，在空中進行人造凍云結(jié)冰試驗（人造凍云結(jié)冰試驗即用一架飛機在飛行過程中進行人工噴霧，試驗飛機跟隨飛行進行凍云試驗）可在一定程度上發(fā)現(xiàn)飛機除／防冰系統(tǒng)的設計缺陷，為設計缺陷的更正提供依據(jù)，對提高飛機結(jié)冰氣候環(huán)境的適應能力及保證飛行安全具有重要意義［1］。

1 系統(tǒng)整體框架

噴霧結(jié)冰控制系統(tǒng)根據(jù)人機界面上水、氣路溫度及壓力的設定值對這些參數(shù)進行調(diào)節(jié)，水氣混合并噴出以模擬空中自然結(jié)冰氣象條件，完成噴霧結(jié)冰試驗任務。該系統(tǒng)由傳感器及作動機構(gòu)、輸入輸出硬件電路、嵌入式微控制器及人機界面四部分組成。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 噴霧結(jié)冰試驗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.1 傳感器及作動機構(gòu)

傳感器及作動機構(gòu)包含水氣路的溫度、流量、壓力等傳感器以及模擬閥、電磁閥和三相電機等，負責系統(tǒng)參數(shù)的采集以及控制系統(tǒng)的運行。

1.2 輸入輸出硬件電路

信號輸入調(diào)理電路將系統(tǒng)傳感器（包括壓力、流量等）采集的參數(shù)及活門反饋值等轉(zhuǎn)換為控制器可以識別的信號輸入給微控制器；輸出驅(qū)動電路根據(jù)控制器的輸出信號驅(qū)動外部繼電器、接觸器、電磁閥以及活門等執(zhí)行機構(gòu)動作。

1.3 嵌入式微控制器

嵌入式微控制器的主芯片為STM32F103ZET6，上面移植有μC／OS－III操作系統(tǒng)以及Free Modbus協(xié)議，用于完成數(shù)據(jù)采集、控制邏輯以及通信的實現(xiàn)。

1.4 操作員顯控終端

操作員顯控終端為采用Labview開發(fā)的人機界面，與控制器以Free Modbus協(xié)議通信。該界面能以動畫形式顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)，并具備參數(shù)設置、歷史查詢、數(shù)據(jù)保存、系統(tǒng)報警等功能。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 嵌入式微控制器設計

系統(tǒng)硬件設計的核心在于嵌入式微控制器，嵌入式微控制器主芯片采用基于Cortex－M3內(nèi)核的STM32F103ZET6，芯片主頻可達72 MHZ，內(nèi)置512K的內(nèi)存，該芯片上具有豐富的外設如USART、ADC、DAC、TIM［2 3］等，完全滿足本系統(tǒng)的需求。

嵌入式微控制器的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 嵌入式微控制器總體結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 傳感器等信號輸入調(diào)理電路

結(jié)冰噴霧控制系統(tǒng)采用的壓力傳感器等輸出信號為0～5 V，但STM32的AD輸入上限為3.3 V，因此系統(tǒng)設計有信號調(diào)理電路。為提高電路共?？垢蓴_能力并且抑制漂移，傳感器信號輸入調(diào)理電路采用上下對稱的高共模抑制比放大電路［4］。

2.1.2 活門控制輸出驅(qū)動電路

系統(tǒng)水／氣路的活門角度調(diào)節(jié)范圍0～90°所對應的電壓為2～10 V，STM32的DAC輸出的電壓范圍為0～3.3 V，因此需要將STM32的DA輸出電壓經(jīng)運放得到穩(wěn)定電壓值后驅(qū)動達林頓管來控制活門轉(zhuǎn)動。

2.1.3 流量傳感器輸入轉(zhuǎn)換電路

結(jié)冰噴霧控制系統(tǒng)采用的LWGY－25流量傳感器（219.492脈沖／升）輸出信號為0～20 V低頻方波，將該信號經(jīng)運放的阻抗匹配和比例放大轉(zhuǎn)化為0～3.3 V方波輸入給STM32的TIM進行雙邊沿捕捉。

2.1.4 開關量輸出驅(qū)動電路

噴霧控制系統(tǒng)中采用的泵接觸器以及電磁閥等驅(qū)動電壓為28 VDC，STM32的GPIO口輸出高電平為3.3 V，需使用該電平驅(qū)動光耦實現(xiàn)對泵接觸器或電磁閥的控制。

2.1.5 供電電路

飛機上直流電電壓為28 V，經(jīng)3個整流橋模塊KBPC5010后降壓至23.6 V，但STM32供電電壓為5 V，因此系統(tǒng)采用MP2359型直流降壓轉(zhuǎn)換器進行電壓轉(zhuǎn)換。

2.1.6 EEPROM存儲電路

系統(tǒng)運行時，一些必要數(shù)據(jù)需要進行保存，因此系統(tǒng)設計有AT24C02數(shù)據(jù)存儲電路。

2.2 操作員顯控終端硬件設計

操作員顯控終端采用軍品級加固計算機，CPU為Intel Core i7 3770T，主頻2.50 GHZ，內(nèi)存為4 G的DDR3，采用的硬盤為256G的固態(tài)盤，完全滿足系統(tǒng)要求。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計包含兩方面的內(nèi)容，分別為嵌入式微控制器的軟件設計和操作員顯控終端的軟件設計。

3.1 嵌入式微控制器軟件設計

3.1.1 設計思路

早期的嵌入式系統(tǒng)中沒有操作系統(tǒng)的概念，簡單的嵌入式系統(tǒng)通常設計成前后臺結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)實時性差，對那些實時性要求高的任務不可能立刻得到處理，另外由于后臺程序是一個無限循環(huán)的結(jié)構(gòu)，一旦在這個循環(huán)體中正在處理的任務崩潰，整個系統(tǒng)將會崩潰［5-6］。

本系統(tǒng)的嵌入式微控制器上搭載有μC／OS－III操作系統(tǒng)，在該操作系統(tǒng)上可以簡單便捷的將機載噴霧結(jié)冰控制系統(tǒng)的總體功能劃分為繼電器輸出、數(shù)據(jù)采集、活門控制以及Modbus通信4個子任務來實現(xiàn)，每個子任務相當于一個獨立的線程。CPU的使用權在這4個線程之間不斷切換，使CPU得到最大化利用，系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性顯著增強。

3.1.2 主函數(shù)流程

系統(tǒng)主函數(shù)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體流程

如圖3所示，在Main函數(shù)中首先對系統(tǒng)時鐘、硬件完成初始化（包括串口、ADC、DAC、定時器等），然后調(diào)用系統(tǒng)初始化函數(shù)OSInit，初始化μC／OS－III的所有數(shù)據(jù)變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，接下來創(chuàng)建一個起始任務start_task（優(yōu)先級設定為3，為整個系統(tǒng)的最高優(yōu)先級），該任務用于創(chuàng)建繼電器輸出、數(shù)據(jù)采集、活門控制以及Modbus通信4個任務，這4個任務優(yōu)先級分別為4、5、6、7，最后調(diào)用OSStart函數(shù)，啟動多任務，內(nèi)核開始接管整個系統(tǒng)軟件。

3.1.3 多任務實現(xiàn)流程

當start_task創(chuàng)建完繼電器輸出等4個任務后，將自身掛起，CPU的使用權在這4個任務之間不斷切換，下面對這4個線程進行介紹。

1）繼電器輸出線程。該線程的作用在于：控制外部電磁閥的通斷以及三相電機的啟停。

2）數(shù)據(jù)采集線程。該線程的作用在于：獲取傳感器采集的參數(shù)值，如水路、氣路的溫度、壓力信息。

3）活門控制線程。該線程為系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心，主要根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設定值及傳感器測量值進行運算并調(diào)節(jié)水、氣路活門，使得水路壓力、溫度及氣路的壓力、溫度值與上位機界面的設定值保持一致。

4）Modbus通信線程。該線程為移植到STM32F103上的一個完整的Free Modbus協(xié)議，負責嵌入式微控制器和上位機界面通信的實現(xiàn)。

以上4個線程的工作流程如圖4所示。

圖4 各線程內(nèi)部工作流程圖

3.2 操作員顯控終端軟件設計

操作員顯控終端界面基于圖形化編程環(huán)境Labview開發(fā)而成，該顯控終端具備參數(shù)設置、系統(tǒng)自檢、系統(tǒng)狀態(tài)的動畫顯示、系統(tǒng)預警、數(shù)據(jù)存儲、生成報表、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

3.2.1 總體流程

操作員顯控終端總體工作流程如圖5所示。

圖5 操作員顯控終端工作流程圖

3.2.2 主要功能

1）動畫顯示：在噴霧結(jié)冰系統(tǒng)主界面提供了系統(tǒng)工作狀態(tài)的動畫顯示，包括水／氣路各參數(shù)、電磁閥和泵的接通狀態(tài)及各活門轉(zhuǎn)動情況等，操作員可在該界面方便直觀地了解系統(tǒng)的各項參數(shù)及運行狀態(tài)，該界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)監(jiān)控平臺主界面

2）系統(tǒng)報警：系統(tǒng)報警功能用于在系統(tǒng)出現(xiàn)緊急情況時，快速提示操作員系統(tǒng)的故障所在，使操作員采取措施應急處理，確保結(jié)冰飛行試驗的安全進行。

3）數(shù)據(jù)存儲：在結(jié)冰試驗過程中將重要數(shù)據(jù)存至SQL，方便試驗結(jié)束后相關人員分析實驗結(jié)果。

4 試驗結(jié)果及分析

該機載噴霧結(jié)冰控制系統(tǒng)是用來將水路溫度、壓力和氣路的溫度、壓力調(diào)整至設定值，并將調(diào)好的水氣混合后經(jīng)噴霧耙噴出，完成噴霧結(jié)冰飛行試驗，因此需要對該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度和調(diào)節(jié)精度進行測試。

噴霧結(jié)冰試驗機在空中執(zhí)行飛行試驗任務時，操作員在顯控終端設定不同的系統(tǒng)參數(shù)值，來測試系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果，飛行試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

基于表1的飛行試驗數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行分析，可得如下結(jié)論：

1）系統(tǒng)水路溫度的調(diào)節(jié)速度大于5.2℃／min，調(diào)節(jié)誤差在1.02%內(nèi)。

2）系統(tǒng)水路壓力的調(diào)節(jié)速度大于24 kPa／min，調(diào)節(jié)誤差在0.95%內(nèi)。

3）系統(tǒng)氣路溫度的調(diào)節(jié)速度大于8℃／min，調(diào)節(jié)誤差在1.02%內(nèi)。

4）系統(tǒng)氣路壓力的調(diào)節(jié)速度大于22 k Pa／min，調(diào)節(jié)誤差在1.01%內(nèi)。

綜上，系統(tǒng)各參數(shù)的調(diào)節(jié)速度和調(diào)節(jié)誤差均達到了設計指標，符合設計要求。

表1 噴霧結(jié)冰飛行試驗數(shù)據(jù)結(jié)果

5 結(jié)束語

本文以飛機的噴霧結(jié)冰試驗為項目背景，設計了一套基于μC／OS－III的機載噴霧結(jié)冰控制系統(tǒng)，詳細闡述了控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、組成部分及軟硬件設計思路。噴霧飛行試驗數(shù)據(jù)表明，該控制系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)速度快、調(diào)節(jié)精度高等優(yōu)點，可以使用該控制系統(tǒng)進行噴霧結(jié)冰試驗來測試某機型的除／防冰系統(tǒng)的工作性能。

［1］唐 虎.飛機凍云結(jié)冰試驗［A］.中國航空學會.探索創(chuàng)新交流——第五屆中國航空學會青年科技論壇文集（第5集）［C］.中國航空學會，2012：6.

［2］劉慧英，范寶山.基于STM32的多步進電機控制系統(tǒng)研究［J］.測控技術，2010（6）：54-57.

［3］張衛(wèi)星，張桂香，譚成午.基于STM32的環(huán)境多點監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］.計算機測量與控制，2014（10）：3141-3143，3164.

［4］王成華，王友仁，胡志忠，等.電子線路基礎［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［5］Labrosse J J.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS－III［M］.宮 輝，曾鳴，龔光華，等譯.北京：北京航空航天大學出版社，2012.

［6］Saleh R F H.Synchronization－Oriented Scheduling Policy for Hard Real－time Task in Multi－core System Environment［D］.University of Electronic Science and Technology of China，2015.

Icing Spray Control System Based onμC／OS－III

Fan Panguo，Mi Xiaoliang，Yu Shubao，Xing Baohao，Wang Ting

（College of Automation，Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710129，China）

Icing is an important factor affecting the safety of aircraft flying，before a kind of aircraft putted into use，the performance of the aircraft’s anti－icing system needs to be verified.Therefore，a set of airborne icing spray control system based onμC／OS－IIIis presented.This kind of system is able to control spray device’s water and gas’s temperature and pressure automatically，moreover，the system has a display parameter monitoring，alarm systems，and data analysis and saving.Flight tests show that the system has advantages of high reliability，real time，adjust quickly，control precisely，so can be used to test the performance of the aircraft’s deicing／anti－icing system.

deicing／anti－icing system；spray freeze；μC／OS－III；performance verification

1671-4598（2016）08-0130-04

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.035

：TK264.1

：A

2016-03-17；

：2016-04-21。

范蟠果（1960-），男，陜西西安人，碩士生導師，副教授，主要從事計算機測控方向的研究。