一種雙雙余度的匯流條功率控制裝置的設計與研究

艾莉　艾鐵柱　章鶴　劉衛(wèi)華

摘 要：匯流條功率控制裝置（Bus Power Control Unit，BPCU）是飛機供電系統(tǒng)的控制核心，它的可靠運行直接影響整個系統(tǒng)。為保證匯流條功率控制裝置的任務可靠性，采用分布式容錯技術，結合以往任務中積累的雙余度的技術經驗，設計了一種雙雙余度的匯流條功率控制裝置，并介紹了其軟、硬件的設計與實現(xiàn)。

關鍵詞：匯流條功率控制裝置；供電系統(tǒng)；余度；通道控制邏輯；硬件同步

中圖分類號：TP302.8? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）09-0026-04

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.008

0? ? 引言

匯流條功率控制裝置是飛機供電控制管理系統(tǒng)的重要組成部分[1]，主要用于實現(xiàn)對飛機交直流供電系統(tǒng)進行控制、管理和狀態(tài)監(jiān)測[2-3]。為了提高匯流條功率控制裝置實時運行的可靠性[4]，本文設計了一種雙雙余度的系統(tǒng)結構，通過雙通道互為冗余及兩節(jié)點機互為冗余，使設備某部分資源出現(xiàn)故障時仍可以正常工作，從而降低系統(tǒng)崩潰的概率，有效提高飛機的作戰(zhàn)能力和安全性。

1? ? 供電控制管理系統(tǒng)結構

供電控制管理系統(tǒng)是由電源系統(tǒng)的各個控制裝置和配電系統(tǒng)的各個控制裝置組成的一個分布式計算機網絡，這些數(shù)字式設備通過電氣總線實現(xiàn)信息交聯(lián)，完成供電系統(tǒng)的信息綜合處理，并通過機電管理總線實現(xiàn)與機電綜合管理系統(tǒng)（機電綜合管理計算機、各個機電系統(tǒng)控制管理計算機）交聯(lián)。

供電控制管理系統(tǒng)中設置有2臺匯流條功率控制裝置（BPCU）、12臺電源系統(tǒng)控制裝置、7臺一次配電控制裝置（PPDU）。

兩臺匯流條功率控制裝置為主備工作方式，分別為BPCU1和BPCU2，其中BPCU1為主BPCU，位于飛機左側，BPCU2為備份，位于飛機右側。BPCU通過CAN總線與機電綜合管理系統(tǒng)實現(xiàn)信息交聯(lián)，通過CAN總線及HB6096總線與電源系統(tǒng)控制裝置、一次配電控制裝置實現(xiàn)信息交聯(lián)。BPCU系統(tǒng)交聯(lián)關系圖如圖1所示。

2? ? 匯流條功率控制裝置雙雙余度的系統(tǒng)結構設計

2.1? ? 雙雙余度的系統(tǒng)結構

BPCU是供電系統(tǒng)的控制核心，為保證BPCU的任務可靠性，通過對供電控制管理系統(tǒng)的構型分析，并結合以往任務中積累的雙余度的技術經驗，采用分布式容錯技術，設計了一種雙雙余度的BPCU系統(tǒng)結構，通過雙通道互為冗余及兩節(jié)點機互為冗余，使設備某部分資源出現(xiàn)故障時仍可以正常工作，從而降低系統(tǒng)崩潰的概率，有效提高飛機的作戰(zhàn)能力和安全性。

每套供電控制管理系統(tǒng)設置兩臺BPCU，分別為BPCU1、BPCU2，兩臺BPCU采用同構型設計，每臺BPCU可獨立完成全部功能。

兩臺BPCU為主備工作模式，正常工作時由BPCU1控制輸出，BPCU2處于熱備份狀態(tài)，當BPCU1的控制權失效后，由BPCU2控制輸出。

每臺BPCU內部為雙余度配置，分為A、B兩個通道，兩通道為主備工作模式，正常工作時，由A通道控制輸出，B通道處于熱備份狀態(tài)；當A通道故障時，在本機控制權有效的情況下，由B通道控制輸出。

2.2? ? AB通道間的同步設計

為了保證兩通道在進行比較、表決時所使用的數(shù)據(jù)是同一時刻采到的數(shù)據(jù)，必須采用同步設計。

BPCU雙通道間的同步，采用軟/硬結合的雙握手同步算法，每個通道設計一個硬件同步指示器。

硬件同步指示器示意圖如圖2所示。

BPCU采用雙握手同步方式，即A通道和B通道分別通過硬線1和硬線2向對方通道發(fā)送同步命令（TTL電平），再分別通過硬線2和硬線1接收規(guī)定的應答信號，若發(fā)送與接收一致，則同步成功，該操作連續(xù)進行兩次（本通道寫1，讀另一個通道的1；本通道寫0，讀另一個通道的0）。采用兩次握手可以解決同步指示器的恒“0”和恒“1”故障。

2.3? ? AB通道間數(shù)據(jù)傳輸

在A、B通道之間建立數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏旀溌罚–CDL），用于A、B通道之間傳輸信息（包括輸入/輸出信息、狀態(tài)信息等），實現(xiàn)兩通道之間的信息共享。A、B通道間的交叉?zhèn)鬏旀溌肥褂脙陕稲S-422總線實現(xiàn)，A、B通道分別將各自的傳輸信息通過一路RS-422總線發(fā)送，并通過另一路RS-422總線接收對方的傳輸信息。

2.4? ? 通道控制邏輯

通道控制邏輯用于兩臺節(jié)點機、四個通道之間的實時切換，切換的依據(jù)來自于軟硬件自監(jiān)控的結果。每個模塊的通道控制邏輯具有一致性，保證了各通道相同功能的模塊可進行互換。通道控制邏輯的設計應滿足如下要求：

（1）任何時刻，只有一個通道控制輸出，其余通道處于熱備份狀態(tài)；

（2）上電后，默認由BPCU1的A通道控制輸出，通道控制權的轉換順序如圖3所示，由左機A通道切換到左機B通道，由左機B通道切換到右機A通道，由右機A通道切換到右機B通道；

（3）工作過程中，某通道故障后自鎖，不再獲得控制權，由其他通道接管控制權，通道的切換是單向性的，這樣的設計方法降低了切換邏輯的復雜性。

3? ? 匯流條功率控制裝置的硬件實現(xiàn)

3.1? ? 處理器模塊

處理器模塊采用微處理器PowerPC8245完成對BPCU的控制與管理，并與其他模塊進行信息交換完成解算、控制等任務，實現(xiàn)BPCU與上位機和下位機的通信功能，以及完成BPCU的數(shù)據(jù)記錄功能。

處理器模塊由基板、PPC8245子卡及CAN子卡組成，基板部分、PPC8245子卡、CAN子卡之間通過PCI總線進行信息交聯(lián)。

PPC8245子卡的主要功能：（1）提供匯流條功率控制裝置工作的系統(tǒng)時鐘；（2）提供中斷處理、存儲器的讀寫、定時器控制；（3）系統(tǒng)和看門狗復位；（4）BIT檢測；（5）實現(xiàn)與機電綜合管理系統(tǒng)的通信功能；（6）提供與其他模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸通路；（7）提供地面維護接口；（8）實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄和讀取功能。

基板的主要功能：（1）離散量輸入的采集；（2）離散量輸出的控制；（3）通道控制邏輯的實現(xiàn)；（4）雙通道間的數(shù)據(jù)傳輸；（5）提供HB6096總線通信接口；（6）具備BIT功能電路。

CAN子卡的主要功能：提供BPCU與機電綜合管理系統(tǒng)的信息交互能力。

處理器模塊的功能結構框圖如圖4所示。

3.2? ? 通用接口輸入/輸出模塊

通用接口輸入/輸出模塊主要用于BPCU外部連接各電氣接口進行調理和匹配。

通用接口輸入/輸出模塊功能組成主要包括PT1000模擬量輸入采集電路、0～10 kΩ電阻輸入采集電路、PWM輸出驅動電路、BIT支持電路等。通用接口輸入/輸出模塊的功能結構框圖如圖5所示。

3.3? ? 電源模塊

電源模塊由兩個完全相同的電源通道組成，每個通道由正常直流匯流條和應急直流匯流條供電，通過二極管在每個通道內部匯流。這兩種電源任一路輸入BPCU時，BPCU應能正常工作。電源模塊根據(jù)直流28 V（18～32 V）輸入電壓變換系統(tǒng)所需的直流輸出電壓，同時要保證電源的電壓穩(wěn)定度、負載穩(wěn)定度、紋波電壓Vp-p的范圍和效率，還要具有過壓、過流和瞬間短路保護的功能，故障排除后輸出自動恢復正常工作。電源模塊直流輸出+5 V/4 A、±15 V/1 A。電源模塊的功能結構框圖如圖6所示。

4? ? 匯流條功率控制裝置的軟件實現(xiàn)

BPCU軟件由系統(tǒng)軟件和地面支持軟件組成。系統(tǒng)軟件是核心程序，由操作系統(tǒng)軟件、周期任務管理軟件、設備驅動軟件、余度管理軟件、數(shù)據(jù)接口管理軟件和BIT軟件等組成。地面支持軟件為軟件開發(fā)系統(tǒng)維護提供平臺。

4.1? ? 系統(tǒng)軟件

4.1.1? ? 操作系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)需要，BPCU操作系統(tǒng)選用嵌入式實時操作系統(tǒng)。實時操作系統(tǒng)是BPCU的基本執(zhí)行軟件，管理著系統(tǒng)中應用軟件的工作過程和任務的執(zhí)行順序，具有快速實時響應、異常/看門狗處理、多任務調度、動態(tài)存儲器管理、二進制信號量、互斥信號量、消息隊列、系統(tǒng)時鐘、輔助時鐘支持能力及可剪裁能力。當BPCU硬件發(fā)生變化，系統(tǒng)可通過板級支持包BSP或增、減、修改相應的驅動程序，即可生成新的操作系統(tǒng)。

4.1.2? ? 周期任務管理

周期任務調度支持多個周期任務的調度，應用必須保證周期小的任務，在創(chuàng)建時賦予較高的優(yōu)先級。周期任務調度提供周期任務初始化、周期任務創(chuàng)建、周期任務結束、周期任務停止、周期任務重新啟動、周期任務繼續(xù)執(zhí)行、周期任務的刪除等功能。

4.1.3? ? 設備驅動

設備驅動程序包含IO驅動程序、總線驅動程序、NVSRAM驅動程序、看門狗驅動程序。

4.1.4? ? 余度管理

BPCU余度管理軟件向應用軟件提供的運行支持模塊包括同步、數(shù)據(jù)比較監(jiān)控、數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏敗?/p>

4.1.5? ? 數(shù)據(jù)接口管理

數(shù)據(jù)接口管理是底層驅動和應用程序之間的接口管理，主要完成的功能是在一個周期任務中調用離散量輸入驅動、模擬量輸入驅動，將離散量輸入和模擬量輸入采集值輸入到數(shù)據(jù)接口表中，并提供應用程序調用該采集值；同時數(shù)據(jù)接口表接收來自應用程序的離散量輸出值，并通過調用離散量輸出驅動將離散量輸出到外部子系統(tǒng)中。

4.1.6? ? BIT

BIT測試是對自身資源進行檢測，它可極大地提高系統(tǒng)的可測試性、可靠性和可維護性，減少維修時間和費用[5]。BIT測試的內容包括：CPU測試、存儲器測試（RAM、NVRAM、FLASH）、中斷測試、看門狗測試、定時器測試、串口測試、總線測試及離散量和狀態(tài)量輸入激勵測試等。BIT有三種，包括周期BIT（PBIT）、加電BIT（PUBIT）、啟動BIT（IBIT）。

4.2? ? 地面支持軟件

4.2.1? ? 軟件開發(fā)環(huán)境

軟件開發(fā)環(huán)境的選擇對軟件的調試及開發(fā)效率具有重要作用。BPCU系統(tǒng)軟件開發(fā)采用Tornado Ⅱ嵌入式集成開發(fā)平臺，高速PC機作為宿主機，通過串行通道對匯流條功率控制裝置進行軟件加載和硬件調試。

4.2.2? ? 程序在板編程

BPCU的在板編程由目標機程序和宿主機程序構成，用于在地面狀態(tài)下完成BPCU的軟件升級。在線編程工具需提供通過串口向DSP模塊的FLASH存儲器編程的功能。在線編程工具運行在Windows操作系統(tǒng)上，提供友好的人機界面，供用戶選擇需要編程的文件和要編程的FLASH存儲器的起始地址，然后通過串口向目標機發(fā)送數(shù)據(jù)。

4.2.3? ? 數(shù)據(jù)下載

數(shù)據(jù)下載由目標機程序和宿主機程序構成，用于在地面開發(fā)狀態(tài)將在NVSRAM中的數(shù)據(jù)記錄讀出，并記錄到文件中，供地面維護人員使用。

5? ? 結語

本文介紹了一種雙雙余度的匯流條功率控制裝置的設計與實現(xiàn)，通過雙通道互為冗余及兩節(jié)點機互為冗余，使設備某部分資源出現(xiàn)故障時仍可以正常工作，從而降低系統(tǒng)崩潰的概率，有效提高飛機的作戰(zhàn)能力和安全性。目前，該型匯流條功率控制裝置已通過了多項試驗驗證，在試驗過程中，匯流條功率控制裝置工作穩(wěn)定、可靠，其功能和性能均達到了預期的設計要求。

[參考文獻]

[1] 董延軍，郭朋，張曉斌，等.基于LabVIEW的匯流條功率控制器測試系統(tǒng)設計[J].測控技術，2012，31（11）：92-96.

[2] 白凡玉，董延軍，王利然.分布式飛機供電系統(tǒng)中BPCU的設計與實現(xiàn)[J].機電一體化，2013，19（1）：81-84.

[3] 彭衛(wèi)東.先進飛機匯流條控制器研究[D].西安：西北工業(yè)大學，2003.

[4] 黃仙密，楊善水.BPCU硬件冗余與故障裁決技術研究[C]//第八屆電力電子與運動控制學術年會（APSC′2007）論文集，2007：468-472.

[5] 劉廣榮，尹泰偉，周湘秦.一種新型的匯流條功率控制器[C]//中國航空學會航空電氣工程第三屆學術年會論文集，1999：7-11.

收稿日期：2022-10-24

作者簡介：艾莉（1982—），女，陜西西安人，高級工程師，研究方向：機載計算機技術。