基于PowerPC及VxWorks的飞机电气负载管理中心控制器设计

基于PowerPC及VxWorks的飞机电气负载管理中心控制
器设计
谢拴勤;刘成;叶留义;脱秀林
【摘要】介绍了飞机配电系统电气负载管理中心(ELMC)的配电模式,通过研究VxWorks嵌入式操作系统在ELMC数据通信及控制系统中的应用,以及从保证ELMC数据通信及控制系统实时性、可靠性、准确性的角度出发,提出了基于PowerPC微处理器和VxWorks嵌入式实时操作系统的ELMC数据通信及控制系统的设计方案;在此基础上,对系统总体任务的运行调度情况进行了分析,并利用Tornado环境下WindView对任务运行进行了相关验证,满足设计要求,证明了该设计的可靠性和正确性.
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2010(018)006
【总页数】4页(P1342-1345)
【关键词】VxWorks;ELMc;PowerPC;任务分析
【作者】谢拴勤;刘成;叶留义;脱秀林
【作者单位】西北工业大学,自动化学院,陕西,西安,710129;西北工业大学,自动化学院,陕西,西安,710129;西北工业大学,自动化学院,陕西,西安,710129;西北工业大学,自动化学院,陕西,西安,710129
【正文语种】中文
【中图分类】TP216
0 引言
随着电子、计算机技术的高速发展,机载电气设备的大幅度增加,使得供电系统容量迅猛增长,同时对电源质量和可靠性有了更高的要求。

特别是全电飞机和多电飞机供电系统提出以后,传统的辐射式的集中配电系统在可维护性、扩展性、可靠性以及自动化程度方面均无法适应飞机发展的需要,因而迫切要求改变现有的配电控制管理系统,研究新型的配电系统。

飞机电气负载管理中心(ELMC)既是配电系统的一部分,也属于航空电子综合系统的一部分,它的主要功能就是完成机上电气负载的配电管理及控制。

ELMC主要监控与二级配电汇流条相关的各个模拟量与数字量,通过1553B总线将相关数据传递给PSP,并接收来自PSP的控制指令,继而控制继电器以及SSPC。

为了使这一系统的可靠性和电源的质量水平符合飞机的负载要求,本设计提出了基于VxWorks嵌入式实时操作系统的ELMC数据通信及控制系统的软件设计方案,并利用PowerPC微处理器设计了本系统的硬件平台。

1 ELMC的总体设计方案
1.1 ELMC体统结构功能概述
飞机电气负载管理中心(ELMC)是具有处理能力的分布式负载中心。

在处理软件的控制下,以供电系统处理机(PSP)的命令、电力汇流条电压和应急模式选择器的状态为依据,使负载管理中心的固态功率控制器和转换继电器动作。

其主要功能如图1所示。

各个ELMC在配电网络控制系统中可看作是PSP的一个终端,它们通过1553B双通道数据总线与PSP相连,根据汇流条的放置分布在飞机机身的不同位置上。

通过各固态功率控制器 (SSPC)对负载进行控制和保护,同时监测各汇流条、二极管以及各SSPC的状态,并将信息上报PSP,由PSP下达控制命令去执行各个SSPC的开合[1],实现配电系统的自动配电。

其完成的功能主要包括：(1)通信功能,与PSP进行数据交联;(2)对进入远程终端的分布式汇流条进行监控;(3)获得SSPC的各种组合状态信息对负载进行控制和管理;(4)对远程终端的继电器和二极管等进行监控和保护;(5)监控离散的数字量输入输出;(6)脱离系统后对各路模拟量和各个SSPC监控;(7)ELMC系统自检测[1]。

1.2 ELMC的基本布局和其模块化设计
本次设计EM LC的基本布局采用：一个交流汇流条,一个直流汇流条和一个蓄电池汇流条。

直流、交流汇流条可以由两个主直流汇流条或两个主交流汇流条通过继电器提供。

蓄电池汇流条主要由主直流汇流条供电,直流汇流条供电中断时蓄电池作为备份电源,以满足供电中断要求,该布局采用汇流条选择继电器以便在交流电源或直流电源间切换[2],更符合余度要求,如图2所示。

图1 电气负载管理中心功能框图
图2 ELMC的基本布局
从ELMC的功能角度出发,可将整个ELMC系统划分为电源模块、微处理模块、模拟量采集与调理模块、继电器控制和电力二极管管理模块、状态量监测控制模块、通信模块,如图3所示。

图3 硬件平台构成图
2 ELMC的整体系统硬件设计
通过对ELMC各个所要实现的功能的研究,本设计采用了如图4的系统设计方案。

主处理器部分PSP搭建了时钟电路,软硬件复位电路,上电复位和下载调试等电路,选用了Motorola公司推出的PowerPC系列微处理器MPC8245,它具有333-350 MHz MPC603e的处理器内核,32位PCI接口运行可达到66MHz,存储控制器提供的SDRAM支持频率最高达133MHz,支持2GB,该器件有较高的集成度,它集5个芯片于一体,从而降低了系统的组成开销。

高集成度的结果是简化了电路板的设计,降低了功耗和加快了开发调试时间。

所以用它来处理数据信息,同时也满足
软件设计中嵌入式应用的要求。

该系统与各SSPC阵列板的通讯采用RS422串口标准,同时采用离散量信号对每SSPC板上的两路关键负载进行超控。

该系统与PSP的通讯采用1553B总线进行通信。

选用RS422数据总线是因为它是以差动方式发送和接收,不需要数字地线。

差动工作是同速率条件下传输距离远的根本原因,而且RS422通过两对双绞线可以全双工工作收发互不影响,这样既提高了数据的传输速率,也提高了数据传输的可靠性。

图4 系统整体框图
本系统的性能指标：(1)通过汇流条的监控可完成多路模拟量信号 (如28V直流量,交流和三相交流)和开关量信号的采样和处理;(2)接收PSP的指令要求及时地向PSP上传检测到的相应状态信息数据,同时根据PSP的指令要求,向SSPC阵列板发送控制负载的指令,后者则按照指令系统要求和有关负载方程分析后,控制对应的SSPC动作,同时检测SSPC的动作效果,将有关信息及时的反馈给PSP,以便做进一步的判断和控制;(3)能够接收各SSPC阵列板的状态信息和电流值并通过1553B总线按照设计的通讯协议格式发送到PSP,使PSP能及时地了解所有电力负载的运行和工作情况;(4)可进行系统自检测及复位操作。

3 ELMC系统的软件设计
ELMC的软件体系可分为执行软件和应用软件。

本文针对ELMC,提出了一种基于嵌入式实时操作系统VxWorks的软件设计方案,作为执行软件,而将系统中各模块的具体工作相应的软件模块作为执行软件的各种任务,通过嵌入式操作系统提供的服务使各任务有机地结合在一起,根据系统分配的资源和优先级等协调运作,来实现系统的功能。

3.1 实时操作系统VxWorks简介
VxWorks具有可裁剪微内核结构、高效的任务管理、灵活的任务间通讯、微秒级
的中断处理等特点。

它是专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统,它为程序员提供了高效的实时多任务调度、中断管理、实时的系统资源管理及实时的任务间通信,在各种CPU平台上提供了统一的编程接口和一致的运行特性,尽可能的屏蔽了不同CPU之间的底层差异。

基于VxWorks操作系统的应用程序可以在不同的CPU平台上轻松移植。

VxWorks实时内核Wind提供了基本的多任务环境及对任务的管理。

多任务的调度使得许多程序在表面上表现为并发执行,事实上是根据基本的调度算法使它们分段执行。

VxWorks提供了256个任务优先级,默认采用基于优先级的抢占式调度算法。

同时,它还提供了丰富的任务间通信机制,主要包括：共享内存、信号量、消息队列和管道、套接字等[3]。

本设计采用VxWorks作为实时操作系统可以很好地支持PowerPC微处理器进行数据处理、实时控制和应用软件的运行,实现系统功能。

3.2 ELMC任务分析划分和调度
3.2.1 ELMC任务的划分
电气负载管理中心 (ELMC)通过固态功率控制器(SSPC)对所有小功率负载进行监测与控制。

系统启动后,远程终端经过初始化及自检测来确定其当前状态,正常
时,ELMC每隔一定时间检测一次SSPC的状态,并向PSP通过1553B总线传送负载当前供电请求、供电质量以及当前飞机的飞行阶段信息,然后PSP按照负载和飞行任务优先级,并结合当前负载状态解算负载控制方程,进行负载的通断控制。

当与PSP通信中断时,ELMC按照事先规定好的负载供电优先级,自成系统完成对负载的管理和控制。

一般的,建立任务的基本原则是：
1)时间：各个任务所依赖的周期条件具有不同的频率和时间段;
2)异步性：各个任务所依赖的条件没有相互的时间关系;
3)优先级：各个任务所依赖的条件需要有不同的优先级;
4)可维护性：各个任务可以在功能上或逻辑上相互分开。

根据以上原则在本系统的设计中将任务划分为：
(1)模拟量采集任务：T_AD(),主要负责对汇流条上模拟量信息的采集,实现对汇流条的检测;
(2)离散量采集任务：T_IO(),负责对开关量和状态量信号以及相应的I/O设备信息
量进行采集;
(3)1553B发送任务：T_SendPC(),采集模块采集完成之后调用该程序,将全局数组
中的数据循环写入1553双缓冲区,等待发送;
(4)1553B接收任务：T_RevPC(),缓冲区收到PSP发送过来的信息后产生中断,中断服务程序将数据从1553双缓冲区读出来写入全局数组,然后释放信号量以执行相
应任务对接收的信息进行相应处理;
(5)命令解析任务：T_DealPC(),对从上位机接受的数据进行处理,判断信息类型,然
后发送相应信号量通知相应任务处于运行状态,如二极管和转换继电器的监测任务;
(6)SSPC超控任务：T_CK(),根据命令信息,控制关键负载开通/关断;
(7)串口接收任务：T_RevSSPC(),接收来自各SSPC阵列板传送过来的信息,采用中断接收方式,把接收到的数据放到相应的环形缓冲区;
(8)串口发送任务：T_SendSSPC(),向各SSPC阵列板发送命令信息,获得某路负载
的电流值和状态信息;
(9)串口数据处理任务：T_DealSSPC(),送入MPC8245来处理通过RS-422串口接收到的来自各SSPC板的数据;
(10)自检测任务：T_Bit(),系统启动收到自检测控制命令即进入自检测程序,并调用1553B发送程序将自检测信息写入1553双缓冲区。

每隔一段时间做一次自检测。

3.2.2 利用RM调度算法确定任务优先级
所谓RM调度算法,即速率单调调度算法就是为每一个周期任务指定一个固定的优先级,该优先级按照任务周期的长短顺序排列,任务周期越短,其优先级越高,以单调的顺序对剩余的任务分配优先级[4]。

RM算法做了一系列的假设：
1)所有任务都是周期性的;
2)任务间不需要同步,没有共享资源没有任务间数据交换等问题;
3)CPU必须总是执行优先级最高且处于就绪态的任务,即须用可剥夺型调度法。

基于VxWorks实时操作系统,RM调度算法采用抢占式的调度方式,高优先级的任务就绪后立即抢占正在运行的任务。

调度总是试图最先运行周期最短的任务。

RM算法调度可行性的充分条件为,给定任务集S={τ1,τ2,…,τn},如果这n个任务的CPU利用率满足下面的条件：
其中 Ci=任务τi执行时间;Ti=任务τi周期。

满足此条件,则该任务集用RM调度是可行的,RM调度对任务集τ是一个可行调度。

这里,L(n)表示n个任务的CPU利用率的最小上界,当n→∝时,L(n)→In(2)≈0.693。

整个任务集的负载小于L(n)时,所有的 N个任务将满足他们的时限。

但是当任务集的负载大于L(n)时,并不能判定RM 算法的可行性[4]。

该条件不是必要条件,有些任务不满足这个表达式,也可以成功地调度。

按此充分条件,对各任务进行可调度计算来划分出优先级,由于SSPC超控任务
T_CK()不属于周期任务,它是在负载故障情况下的紧急处理任务,自身具有较高优先级,所以不能按此条件划分。

优先级划分如表1所示。

表1 ELMC任务划分表任务名最大执行时间优先级T_AD() 6.3ms 38 T_IO() 6.1ms 37 T_RevSSPC() 5.3ms 36 T_DealSSPC() 4.5ms 35 T_SendPC() 3.6ms 34 T_RevPC() 2.4ms 33 T_SendSSPC() 2.4ms 32 T_DealPC() 1.6ms 31 T_Bit()
1.1ms 30
这些任务实现了整个系统的功能,如图5体现了各个任务之间的运作关系。

系统与
上位机通信的模块由T_RevPC()、T_DealPC()和T_SendPC()三个任务来实现;系统与各SSPC板卡间的通信由 T_RevSSPC()、T_DealSSPC()、T_CK()和
T_SendSSPC()四个任务来实现;自检测模块由T_Bit()任务来实现。

图5 ELMC任务结构图
如图5所示,1553B接收任务T_RevPC()和发送任务T_SendPC()是两个中
心,1553B总线接收到数据由中断释放相应信号量提示T_RevPC()任务就接收
1553B总线上的数据,继而通过信号量唤醒T_DealPC()任务,处理后再通过信号量
唤醒串口发送任务T_SendSSPC()、离散量采集任务T_IO()、自检测T_Bit()任务、模拟量采集任务T_AD()、SSPC超控任务 T_CK()。

在VxWorks系统中,由板级支持包BSP先进行系统及硬件设备初始化,然后启动VxWorks,建立各个任务,之后启动多任务调度。

每个任务都是死循环,任务按其优先级和系统调度策略来执行,如图6所示,首先初始化VxWorks操作系统,对1553B
通讯卡、I/O扩展卡等进行初始化,设定中断服务程序并创建任务,最后进行多任务
调度,进入工作状态。

图6 主程序流程图
4 仿真验证
本文用了Tornado环境下的WindView分析仪[5]对该设计软件进行的实验仿真,
测试结果如图7所示。

图中tLogTask、tExcTask、tWdbTask、idle分别为系统的日志任务、异常处理
任务、目标代理任务和空闲任务。

其余任务都是ELM C的功能任务。

由WindView逻辑分析仪可以看出在没有阻塞时各个任务都是按周期在执行相应的
功能。

图7 WindView分析仪测试结果图
5 结束语
本文通过对ELMC的研究,将VxWorks嵌入式实时操作系统应用于ELMC数据通信及控制系统的设计中,以Power-PC微处理器作为内部处理芯片,实现了ELMC的各个功能,系统设计满足了可靠性和实时性的要求,在飞机配电系统的实际应用中具有很重要的意义。

【相关文献】
[1]巩建英,谢拴勤.先进飞机配电系统电气负载管理中心控制器设计[J].计算机测量与控制,2007,15：1322.
[2]容错供电系统 (二)分析与初步设计 [Z].中国航空工业总公司第三零一研究所,1997.
[3]邝坚著.Tornado/Vxworks入门与提高[M].北京：科学出版社,2004.
[4]董吉文,张阳.嵌入式实时操作系统任务调度算法的改进与应用[J].计算机应用,2009,9：2517.
[5]Wind River.Tornado用户指南 [M].王金刚,等译.北京：清华大学出版社.。