一种双双余度的汇流条功率控制装置的设计与研究
引言
汇流条功率控制装置是飞机供电控制管理系统的重要组成部分[1]，主要用于实现对飞机交直流供电系统进行控制、管理和状态监测[2-3]。为了提高汇流条功率控制装置实时运行的可靠性[4]，本文设计了一种双双余度的系统结构，通过双通道互为冗余及两节点机互为冗余，使设备某部分资源出现故障时仍可以正常工作，从而降低系统崩溃的概率，有效提高飞机的作战能力和安全性。
1 供电控制管理系统结构
供电控制管理系统是由电源系统的各个控制装置和配电系统的各个控制装置组成的一个分布式计算机网络，这些数字式设备通过电气总线实现信息交联，完成供电系统的信息综合处理，并通过机电管理总线实现与机电综合管理系统（机电综合管理计算机、各个机电系统控制管理计算机）交联。
供电控制管理系统中设置有2台汇流条功率控制装置（bpcu）、12台电源系统控制装置、7台一次配电控制装置（ppdu）。
两台汇流条功率控制装置为主备工作方式，分别为bpcu1和bpcu2，其中bpcu1为主bpcu，位于飞机左侧，bpcu2为备份，位于飞机右侧。bpcu通过can总线与机电综合管理系统实现信息交联，通过can总线及hb6096总线与电源系统控制装置、一次配电控制装置实现信息交联。bpcu系统交联关系图如图1所示。
2 汇流条功率控制装置双双余度的系统结构设计
2.1
双双余度的系统结构
bpcu是供电系统的控制核心，为保证bpcu的任务可靠性，通过对供电控制管理系统的构型分析，并结合以往任务中积累的双余度的技术经验，采用分布式容错技术，设计了一种双双余度的bpcu系统结构，通过双通道互为冗余及两节点机互为冗余，使设备某部分资源出现故障时仍可以正常工作，从而降低系统崩溃的概率，有效提高飞机的作战能力和安全性。
每套供电控制管理系统设置两台bpcu，分别为bpcu1、bpcu2，两台bpcu采用同构型设计，每台bpcu可独立完成全部功能。
两台bpcu为主备工作模式，正常工作时由bpcu1控制输出，bpcu2处于热备份状态，当bpcu1的控制权失效后，由bpcu2控制输出。
每台bpcu内部为双余度配置，分为a、b两个通道，两通道为主备工作模式，正常工作时，由a通道控制输出，b通道处于热备份状态；当a通道故障时，在本机控制权有效的情况下，由b通道控制输出。
2.2
ab通道间的同步设计
为了保证两通道在进行比较、表决时所使用的数据是同一时刻采到的数据，必须采用同步设计。
bpcu双通道间的同步，采用软/硬结合的双握手同步算法，每个通道设计一个硬件同步指示器。
硬件同步指示器示意图如图2所示。
bpcu采用双握手同步方式，即a通道和b通道分别通过硬线1和硬线2向对方通道发送同步命令（ttl电平），再分别通过硬线2和硬线1接收规定的应答信号，若发送与接收一致，则同步成功，该操作连续进行两次（本通道写1，读另一个通道的1；本通道写0，读另一个通道的0）。采用两次握手可以解决同步指示器的恒“0”和恒“1”故障。
2.3
ab通道间数据传输
在a、b通道之间建立数据交叉传输链路（ccdl），用于a、b通道之间传输信息（包括输入/输出信息、状态信息等），实现两通道之间的信息共享。a、b通道间的交叉传输链路使用两路rs-422总线实现，a、b通道分别将各自的传输信息通过一路rs-422总线发送，并通过另一路rs-422总线接收对方的传输信息。
2.4
通道控制逻辑
通道控制逻辑用于两台节点机、四个通道之间的实时切换，切换的依据来自于软硬件自监控的结果。每个模块的通道控制逻辑具有一致性，保证了各通道相同功能的模块可进行互换。通道控制逻辑的设计应满足如下要求：
（1）任何时刻，只有一个通道控制输出，其余通道处于热备份状态；
（2）上电后，默认由bpcu1的a通道控制输出，通道控制权的转换顺序如图3所示，由左机a通道切换到左机b通道，由左机b通道切换到右机a通道，由右机a通道切换到右机b通道；
（3）工作过程中，某通道故障后自锁，不再获得控制权，由其他通道接管控制权，通道的切换是单向性的，这样的设计方法降低了切换逻辑的复杂性。
3 汇流条功率控制装置的硬件实现
3.1
处理器模块
处理器模块采用微处理器powerpc8245完成对bpcu的控制与管理，并与其他模块进行信息交换完成解算、控制等任务，实现bpcu与上位机和下位机的通信功能，以及完成bpcu的数据记录功能。
处理器模块由基板、ppc8245子卡及can子卡组成，基板部分、ppc8245子卡、can子卡之间通过pci总线进行信息交联。
ppc8245子卡的主要功能：（1）提供汇流条功率控制装置工作的系统时钟；（2）提供中断处理、存储器的读写、定时器控制；（3）系统和看门狗复位；（4）bit检测；（5）实现与机电综合管理系统的通信功能；（6）提供与其他模块之间的数据传输通路；（7）提供地面维护接口；（8）实现数据记录和读取功能。
基板的主要功能：（1）离散量输入的采集；（2）离散量输出的控制；（3）通道控制逻辑的实现；（4）双通道间的数据传输；（5）提供hb6096总线通信接口；（6）具备bit功能电路。
can子卡的主要功能：提供bpcu与机电综合管理系统的信息交互能力。
处理器模块的功能结构框图如图4所示。
3.2
通用接口输入/输出模块
通用接口输入/输出模块主要用于bpcu外部连接各电气接口进行调理和匹配。
通用接口输入/输出模块功能组成主要包括pt1000模拟量输入采集电路、0～10 kω电阻输入采集电路、pwm输出驱动电路、bit支持电路等。通用接口输入/输出模块的功能结构框图如图5所示。
3.3
电源模块
电源模块由两个完全相同的电源通道组成，每个通道由正常直流汇流条和应急直流汇流条供电，通过二极管在每个通道内部汇流。这两种电源任一路输入bpcu时，bpcu应能正常工作。电源模块根据直流28 v（18～32 v）输入电压变换系统所需的直流输出电压，同时要保证电源的电压稳定度、负载稳定度、纹波电压vp-p的范围和效率，还要具有过压、过流和瞬间短路保护的功能，故障排除后输出自动恢复正常工作。电源模块直流输出+5 v/4 a、±15 v/1 a。电源模块的功能结构框图如图6所示。
4 汇流条功率控制装置的软件实现
bpcu软件由系统软件和地面支持软件组成。系统软件是核心程序，由操作系统软件、周期任务管理软件、设备驱动软件、余度管理软件、数据接口管理软件和bit软件等组成。地面支持软件为软件开发系统维护提供平台。
4.1
系统软件
4.1.1 操作系统
根据系统需要，bpcu操作系统选用嵌入式实时操作系统。实时操作系统是bpcu的基本执行软件，管理着系统中应用软件的工作过程和任务的执行顺序，具有快速实时响应、异常/看门狗处理、多任务调度、动态存储器管理、二进制信号量、互斥信号量、消息队列、系统时钟、辅助时钟支持能力及可剪裁能力。当bpcu硬件发生变化，系统可通过板级支持包bsp或增、减、修改相应的驱动程序，即可生成新的操作系统。
4.1.2 周期任务管理
周期任务调度支持多个周期任务的调度，应用必须保证周期小的任务，在创建时赋予较高的优先级。周期任务调度提供周期任务初始化、周期任务创建、周期任务结束、周期任务停止、周期任务重新启动、周期任务继续执行、周期任务的删除等功能。
4.1.3 设备驱动
设备驱动程序包含io驱动程序、总线驱动程序、nvsram驱动程序、看门狗驱动程序。
4.1.4 余度管理
bpcu余度管理软件向应用软件提供的运行支持模块包括同步、数据比较监控、数据交叉传输。
4.1.5 数据接口管理
数据接口管理是底层驱动和应用程序之间的接口管理，主要完成的功能是在一个周期任务中调用离散量输入驱动、模拟量输入驱动，将离散量输入和模拟量输入采集值输入到数据接口表中，并提供应用程序调用该采集值；同时数据接口表接收来自应用程序的离散量输出值，并通过调用离散量输出驱动将离散量输出到外部子系统中。
4.1.6 bit
bit测试是对自身资源进行检测，它可极大地提高系统的可测试性、可靠性和可维护性，减少维修时间和费用[5]。bit测试的内容包括：cpu测试、存储器测试（ram、nvram、flash）、中断测试、看门狗测试、定时器测试、串口测试、总线测试及离散量和状态量输入激励测试等。bit有三种，包括周期bit（pbit）、加电bit（pubit）、启动bit（ibit）。
4.2
地面支持软件
4.2.1 软件开发环境
软件开发环境的选择对软件的调试及开发效率具有重要作用。bpcu系统软件开发采用tornado ⅱ嵌入式集成开发平台，高速pc机作为宿主机，通过串行通道对汇流条功率控制装置进行软件加载和硬件调试。
4.2.2 程序在板编程
bpcu的在板编程由目标机程序和宿主机程序构成，用于在地面状态下完成bpcu的软件升级。在线编程工具需提供通过串口向dsp模块的flash存储器编程的功能。在线编程工具运行在windows操作系统上，提供友好的人机界面，供用户选择需要编程的文件和要编程的flash存储器的起始地址，然后通过串口向目标机发送数据。
4.2.3 数据下载
数据下载由目标机程序和宿主机程序构成，用于在地面开发状态将在nvsram中的数据记录读出，并记录到文件中，供地面维护人员使用。
5 结语
本文介绍了一种双双余度的汇流条功率控制装置的设计与实现，通过双通道互为冗余及两节点机互为冗余，使设备某部分资源出现故障时仍可以正常工作，从而降低系统崩溃的概率，有效提高飞机的作战能力和安全性。目前，该型汇流条功率控制装置已通过了多项试验验证，在试验过程中，汇流条功率控制装置工作稳定、可靠，其功能和性能均达到了预期的设计要求。
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1 供电控制管理系统结构
供电控制管理系统是由电源系统的各个控制装置和配电系统的各个控制装置组成的一个分布式计算机网络，这些数字式设备通过电气总线实现信息交联，完成供电系统的信息综合处理，并通过机电管理总线实现与机电综合管理系统（机电综合管理计算机、各个机电系统控制管理计算机）交联。
供电控制管理系统中设置有2台汇流条功率控制装置（bpcu）、12台电源系统控制装置、7台一次配电控制装置（ppdu）。
两台汇流条功率控制装置为主备工作方式，分别为bpcu1和bpcu2，其中bpcu1为主bpcu，位于飞机左侧，bpcu2为备份，位于飞机右侧。bpcu通过can总线与机电综合管理系统实现信息交联，通过can总线及hb6096总线与电源系统控制装置、一次配电控制装置实现信息交联。bpcu系统交联关系图如图1所示。
2 汇流条功率控制装置双双余度的系统结构设计
2.1
双双余度的系统结构
bpcu是供电系统的控制核心，为保证bpcu的任务可靠性，通过对供电控制管理系统的构型分析，并结合以往任务中积累的双余度的技术经验，采用分布式容错技术，设计了一种双双余度的bpcu系统结构，通过双通道互为冗余及两节点机互为冗余，使设备某部分资源出现故障时仍可以正常工作，从而降低系统崩溃的概率，有效提高飞机的作战能力和安全性。
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两台bpcu为主备工作模式，正常工作时由bpcu1控制输出，bpcu2处于热备份状态，当bpcu1的控制权失效后，由bpcu2控制输出。
每台bpcu内部为双余度配置，分为a、b两个通道，两通道为主备工作模式，正常工作时，由a通道控制输出，b通道处于热备份状态；当a通道故障时，在本机控制权有效的情况下，由b通道控制输出。
2.2
ab通道间的同步设计
为了保证两通道在进行比较、表决时所使用的数据是同一时刻采到的数据，必须采用同步设计。
bpcu双通道间的同步，采用软/硬结合的双握手同步算法，每个通道设计一个硬件同步指示器。
硬件同步指示器示意图如图2所示。
bpcu采用双握手同步方式，即a通道和b通道分别通过硬线1和硬线2向对方通道发送同步命令（ttl电平），再分别通过硬线2和硬线1接收规定的应答信号，若发送与接收一致，则同步成功，该操作连续进行两次（本通道写1，读另一个通道的1；本通道写0，读另一个通道的0）。采用两次握手可以解决同步指示器的恒“0”和恒“1”故障。
2.3
ab通道间数据传输
在a、b通道之间建立数据交叉传输链路（ccdl），用于a、b通道之间传输信息（包括输入/输出信息、状态信息等），实现两通道之间的信息共享。a、b通道间的交叉传输链路使用两路rs-422总线实现，a、b通道分别将各自的传输信息通过一路rs-422总线发送，并通过另一路rs-422总线接收对方的传输信息。
2.4
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3 汇流条功率控制装置的硬件实现
3.1
处理器模块
处理器模块采用微处理器powerpc8245完成对bpcu的控制与管理，并与其他模块进行信息交换完成解算、控制等任务，实现bpcu与上位机和下位机的通信功能，以及完成bpcu的数据记录功能。
处理器模块由基板、ppc8245子卡及can子卡组成，基板部分、ppc8245子卡、can子卡之间通过pci总线进行信息交联。
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处理器模块的功能结构框图如图4所示。
3.2
通用接口输入/输出模块
通用接口输入/输出模块主要用于bpcu外部连接各电气接口进行调理和匹配。
通用接口输入/输出模块功能组成主要包括pt1000模拟量输入采集电路、0～10 kω电阻输入采集电路、pwm输出驱动电路、bit支持电路等。通用接口输入/输出模块的功能结构框图如图5所示。
3.3
电源模块
电源模块由两个完全相同的电源通道组成，每个通道由正常直流汇流条和应急直流汇流条供电，通过二极管在每个通道内部汇流。这两种电源任一路输入bpcu时，bpcu应能正常工作。电源模块根据直流28 v（18～32 v）输入电压变换系统所需的直流输出电压，同时要保证电源的电压稳定度、负载稳定度、纹波电压vp-p的范围和效率，还要具有过压、过流和瞬间短路保护的功能，故障排除后输出自动恢复正常工作。电源模块直流输出+5 v/4 a、±15 v/1 a。电源模块的功能结构框图如图6所示。
4 汇流条功率控制装置的软件实现
bpcu软件由系统软件和地面支持软件组成。系统软件是核心程序，由操作系统软件、周期任务管理软件、设备驱动软件、余度管理软件、数据接口管理软件和bit软件等组成。地面支持软件为软件开发系统维护提供平台。
4.1
系统软件
4.1.1 操作系统
根据系统需要，bpcu操作系统选用嵌入式实时操作系统。实时操作系统是bpcu的基本执行软件，管理着系统中应用软件的工作过程和任务的执行顺序，具有快速实时响应、异常/看门狗处理、多任务调度、动态存储器管理、二进制信号量、互斥信号量、消息队列、系统时钟、辅助时钟支持能力及可剪裁能力。当bpcu硬件发生变化，系统可通过板级支持包bsp或增、减、修改相应的驱动程序，即可生成新的操作系统。
4.1.2 周期任务管理
周期任务调度支持多个周期任务的调度，应用必须保证周期小的任务，在创建时赋予较高的优先级。周期任务调度提供周期任务初始化、周期任务创建、周期任务结束、周期任务停止、周期任务重新启动、周期任务继续执行、周期任务的删除等功能。
4.1.3 设备驱动
设备驱动程序包含io驱动程序、总线驱动程序、nvsram驱动程序、看门狗驱动程序。
4.1.4 余度管理
bpcu余度管理软件向应用软件提供的运行支持模块包括同步、数据比较监控、数据交叉传输。
4.1.5 数据接口管理
数据接口管理是底层驱动和应用程序之间的接口管理，主要完成的功能是在一个周期任务中调用离散量输入驱动、模拟量输入驱动，将离散量输入和模拟量输入采集值输入到数据接口表中，并提供应用程序调用该采集值；同时数据接口表接收来自应用程序的离散量输出值，并通过调用离散量输出驱动将离散量输出到外部子系统中。
4.1.6 bit
bit测试是对自身资源进行检测，它可极大地提高系统的可测试性、可靠性和可维护性，减少维修时间和费用[5]。bit测试的内容包括：cpu测试、存储器测试（ram、nvram、flash）、中断测试、看门狗测试、定时器测试、串口测试、总线测试及离散量和状态量输入激励测试等。bit有三种，包括周期bit（pbit）、加电bit（pubit）、启动bit（ibit）。
4.2
地面支持软件
4.2.1 软件开发环境
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4.2.2 程序在板编程
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4.2.3 数据下载
数据下载由目标机程序和宿主机程序构成，用于在地面开发状态将在nvsram中的数据记录读出，并记录到文件中，供地面维护人员使用。
5 结语
本文介绍了一种双双余度的汇流条功率控制装置的设计与实现，通过双通道互为冗余及两节点机互为冗余，使设备某部分资源出现故障时仍可以正常工作，从而降低系统崩溃的概率，有效提高飞机的作战能力和安全性。目前，该型汇流条功率控制装置已通过了多项试验验证，在试验过程中，汇流条功率控制装置工作稳定、可靠，其功能和性能均达到了预期的设计要求。
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