0 引言

　　無人機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮越來越重要的作用，鼴到各軍事天送重視并大力辨展研發(fā)，其中態(tài)空毫速噴氣無人枧蹙發(fā)展重點，我鏊遙年來氌魏大該方瑟磅究。垂手無入撬豹矮震特點，疆求其噴氣動力的控制系統(tǒng)可靠弗鼠能實現(xiàn)無人億操縱，其中發(fā)動機(jī)控制最好深用數(shù)控系統(tǒng)。

　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展和發(fā)動機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)，數(shù)控系統(tǒng)硬件已基本成熟，軟件設(shè)計成為整個系統(tǒng)豹研發(fā)的重點。傳統(tǒng)基于DOS的編程方法，程序代碼冗長，不易升級維護(hù)，兼容性差，修改調(diào)試?yán)щy。

　　近年來，實時操作系統(tǒng)(RTOS)在軍用電子控制裝置中得到廣泛應(yīng)用，如美國的F16、FA-18戰(zhàn)斗機(jī)、B2隱形轟炸機(jī)及愛國者導(dǎo)彈的控制系統(tǒng)均采用了VxWorks寅時操作系統(tǒng)秘。國內(nèi)無入巍飛控系統(tǒng)設(shè)計方囂采強(qiáng)實爵操{謄系統(tǒng)已瘸子工程實際，在發(fā)動稅控裁方_霹也拜震了相應(yīng)耱研究，僵未覓工程驗證報道。

　　本文針對某光人機(jī)用單轉(zhuǎn)予渦噴發(fā)動機(jī)數(shù)控系統(tǒng)要求及現(xiàn)有電子控制器硬件結(jié)構(gòu)，進(jìn)行基于嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks豹發(fā)動撬數(shù)控系統(tǒng)軟繹設(shè)計，并遴褥發(fā)動規(guī)數(shù)控斌率驗涯。

1 電子控裁器硬件系統(tǒng)

　　電子控制器原理方框如圖1，硬件層采用基于相似余度技術(shù)的雙通道、雙CPU模塊化結(jié)構(gòu)，每個通道由采集模塊和控制模塊組成，通道之間采用UDP網(wǎng)絡(luò)通訊，控制模塊與飛控系統(tǒng)之間采塌RS422串行通訊。系統(tǒng)中，CPU采用486PC／104結(jié)構(gòu)，王終瞬，在每一個羧鍘周期秀令通道麓時采集發(fā)凌橇轉(zhuǎn)速和T4激度等信號，接收飛控系統(tǒng)傳輸豹飛行狀態(tài)(高度、馬赫數(shù))和控制任務(wù)指令，根據(jù)發(fā)動機(jī)當(dāng)前工作狀態(tài)和飛控指令，由設(shè)定的控制算法計算所需供油量，兩個通道通道UDP網(wǎng)絡(luò)通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏敚⑼ㄟ^余度表決邏輯穩(wěn)出控制信號驅(qū)動執(zhí)行祝梅改變供瀨。

　　兩個通道同步工作，主通道進(jìn)行發(fā)動機(jī)任務(wù)的控制，從通道作為熱備份通道，當(dāng)主通道發(fā)生故障時，從通道可以隨時接替主通道進(jìn)行控制。

　　系統(tǒng)設(shè)計不帶機(jī)械液壓備份，為監(jiān)控電子控制器工作情況，每個通道設(shè)計有模擬電備份電路。當(dāng)飛控系統(tǒng)監(jiān)控到兩個通道均不正常工作時，可通過模擬電備份通道監(jiān)控發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)，及時采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。

2 系統(tǒng)需求

　　電子控制器是發(fā)動機(jī)控制的核心單元，根據(jù)采集的發(fā)動機(jī)當(dāng)前工作狀態(tài)參數(shù)和接收的飛控指令參數(shù)對發(fā)動機(jī)進(jìn)行循環(huán)控制。工作時先加電進(jìn)行自檢和初始化，無故障后進(jìn)入20ms主控循環(huán)，首先雙機(jī)同步接收飛控指令，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，控制器依據(jù)當(dāng)前飛控指令，調(diào)度相應(yīng)的控制任務(wù)，并根據(jù)發(fā)動機(jī)狀態(tài)參數(shù)(轉(zhuǎn)速、T4溫度等)計算當(dāng)前周期輸出控制參數(shù)，雙通道通訊交叉?zhèn)鬏斢嬎憬Y(jié)果，計算結(jié)果送入表決器進(jìn)行余度表決，余度控制電路根據(jù)表決結(jié)果接通相應(yīng)的控制輸出模塊，實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)不同工況的控制。

　　發(fā)動機(jī)控制需調(diào)度的任務(wù)如圖2所示，具體包括主燃油控制、驅(qū)動輸出控制、地面啟動控制、空中啟動控制、發(fā)動機(jī)油封、發(fā)動機(jī)冷運轉(zhuǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　基于優(yōu)先級調(diào)度算法的嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS，Real Time Operation System)，可將復(fù)雜任務(wù)分解為多個簡單任務(wù)，在操作系統(tǒng)環(huán)境下，用戶只需定義各任務(wù)模塊的優(yōu)先級別，系統(tǒng)自動保證各模塊不沖突并實時運行，目前在航空航天領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。VxWorks是其中最為優(yōu)秀的軟件之一。

　　本系統(tǒng)采用VxWorks操作系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)動機(jī)電子控制器軟件設(shè)計，編程平臺采用其配套的Tornad02.2開發(fā)環(huán)境，編程語言采用C語言。

　　3.1 任務(wù)模塊劃分

　　在VxWorks下進(jìn)行發(fā)動機(jī)實時控制軟件開發(fā)，首先需要進(jìn)行任務(wù)模塊劃分和設(shè)計合理的優(yōu)先級，保證系統(tǒng)軟硬件資源得到合理的利用。

　　上述發(fā)動機(jī)控制任務(wù)中，不僅要求雙機(jī)同步，與飛控的通訊以及雙機(jī)通訊實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸，而且發(fā)動機(jī)控制器的控制算法必須在給定的控制周期完成。所有任務(wù)要求有很強(qiáng)的實時處理性。基于DOS的傳統(tǒng)控制軟件設(shè)計將所有任務(wù)安排在一個或幾個不同優(yōu)先級別的中斷程序中，任務(wù)調(diào)度困難，隨著任務(wù)量增多，各模塊有可能沖突，軟件的可靠性不能有效保證。

本系統(tǒng)采用Vxworks設(shè)計，任務(wù)劃分基于以下原則：實時性要求嚴(yán)格的任務(wù)組成獨立的模塊；計算量大占用CPU時間多的任務(wù)捆綁到一起按時問片輪轉(zhuǎn)方式運行；同步驅(qū)動同步完成的任務(wù)組成一個模塊。結(jié)合發(fā)動機(jī)控制任務(wù)要求，將系統(tǒng)軟件總體劃分為5個模塊。系統(tǒng)軟件的優(yōu)先級基于任務(wù)越重要，優(yōu)先級越高的原則進(jìn)行分配。

3.2 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

　　3.2.1 數(shù)據(jù)IO模塊

　　數(shù)據(jù)IO模塊主要指相關(guān)設(shè)備驅(qū)動程序。系統(tǒng)中PC／104板配置的CPU為X86體系結(jié)構(gòu)，板載網(wǎng)絡(luò)芯片Intel82559，均為VxWorks給X86級CPU提供的板級支持包所支持，可自動分配合適的硬件接口參數(shù)。硬件的行為和特性由內(nèi)部寄存器控制，系統(tǒng)采用內(nèi)存映射訪問寄存器。

　　3.2.2 余度管理軟件模塊

　　余度管理模塊如圖4所示，包括雙機(jī)同步模塊、故障處理模塊、交叉?zhèn)鬏斈K和余度表決模塊。雙機(jī)同步是在兩個通道之間建立握手控制標(biāo)志，當(dāng)每一個通道完成相應(yīng)的步驟后自動設(shè)置步驟完成標(biāo)志，同時，查詢另一通道任務(wù)是否完成，再啟動下一功能的任務(wù)執(zhí)行。通過在消息通信時設(shè)置同步等待周期，在交換消息的過程中實現(xiàn)同步。同步的工作包括雙通道CPU采集數(shù)據(jù)、控制律計算和同步表決輸出數(shù)據(jù)。

　　主從通道在每一次同步后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后將采集的結(jié)果傳輸?shù)綄Ψ酵ǖ乐校⒃趦蓚€通道中各自進(jìn)行故障判斷。本系統(tǒng)使用的判斷方法是將兩個通道的結(jié)果進(jìn)行比較，兩個通道結(jié)果之差超過設(shè)定值時認(rèn)為發(fā)生故障，隨即調(diào)用相應(yīng)的故障處理模塊。

　　電子控制器在硬件上設(shè)計為兩套獨立的系統(tǒng)，控制輸出通過表決邏輯執(zhí)行。在工作過程中，通道A和通道B同時采集發(fā)動機(jī)參數(shù)，在系統(tǒng)內(nèi)部每個控制周期兩個通道通過網(wǎng)絡(luò)UDP方式互相傳輸參數(shù)并進(jìn)行邏輯判斷，根據(jù)判斷結(jié)果由表決電路選通當(dāng)前沒有故障的通道控制輸出，并與飛控計算機(jī)進(jìn)行通訊傳參。兩個表決邏輯遵守其一優(yōu)先的原則。

　　3.2.3 通訊模塊

　　通訊模塊包括雙機(jī)UDP網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和與飛控的RS422串行通訊模塊。

　　雙機(jī)UDP網(wǎng)絡(luò)通訊使用了客戶端一服務(wù)器模式進(jìn)行Socket通訊，服務(wù)器與客戶端的實現(xiàn)方法基本一致。在VxWorks下，利用多任務(wù)的方法，設(shè)計的通訊程序包括以下8個任務(wù)：初始化(Init)、連結(jié)接受(Accept)、連結(jié)監(jiān)控(Acp—Watch)、消息發(fā)送(Send)、消息接收(Recv)、發(fā)送定時(SendTimer)、消息定時發(fā)送(SendOnTime)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控(NetWatch)。

　　電子控制器與飛控系統(tǒng)通過RS422進(jìn)行串行通訊，接收來自飛控系統(tǒng)的控制指令和飛行狀態(tài)參數(shù)，同時向飛控系統(tǒng)傳輸發(fā)動機(jī)當(dāng)前工作參數(shù)。RS422通訊波特率為9600，采用一個起始位，一個停止位，在Vxworks下通過調(diào)用系統(tǒng)相應(yīng)的串口打開函數(shù)open()、串口關(guān)閉函數(shù)close()、串口讀函數(shù)read()和write()以及I／0口的控制操作函數(shù)ioctl()來完成串口操作與數(shù)據(jù)傳輸。

　　3.2.4 發(fā)動機(jī)控制軟件模塊

　　發(fā)動機(jī)控制軟件模塊如圖5所示。控制軟件是控制系統(tǒng)的核心，控制系統(tǒng)通過控制軟件完成復(fù)雜的控制規(guī)律的計算，實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)的控制。控制器在接收到由傳感器采集到的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和T4溫度后進(jìn)行計算處理，依據(jù)飛控指令，基于信號量機(jī)制，調(diào)度某一發(fā)動機(jī)控制任務(wù)(執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主燃油控制，I／O模塊的驅(qū)動輸出控制，地面啟動控制，空中啟動控制，發(fā)動機(jī)油封，發(fā)動機(jī)冷運轉(zhuǎn))，輸出控制參數(shù)的計算結(jié)果和開關(guān)量，同時進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控處理。其中發(fā)動機(jī)燃油控制規(guī)律為：

　　3.2.5 系統(tǒng)管理軟件模塊

　　系統(tǒng)管理軟件模塊包括軟件啟動、任務(wù)調(diào)度和任務(wù)執(zhí)行。啟動包括操作系統(tǒng)加載、硬件自檢、軟件初始化等操作。

　　3.3 電子控制器任務(wù)調(diào)度策略與管理

　　VxWorks基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調(diào)度策略，每隔一定的時間便進(jìn)行周期同步校準(zhǔn)及20ms采樣的輸入輸出任務(wù)刷新。為了避免任務(wù)優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)，系統(tǒng)采用了優(yōu)先級繼承算法。

　　高優(yōu)先級的任務(wù)之間以及低優(yōu)先級的任務(wù)之間通過信號量進(jìn)行通信。系統(tǒng)啟動之后，引導(dǎo)操作系統(tǒng)等后臺任務(wù)，然后進(jìn)行同步操作任務(wù)，接著通過信號量機(jī)制出發(fā)高優(yōu)先級的輸入數(shù)據(jù)任務(wù)，若系統(tǒng)出錯，則高優(yōu)先級任務(wù)堵塞，啟動系統(tǒng)重構(gòu)或者故障診斷等低優(yōu)先級任務(wù)。同樣，當(dāng)輸出數(shù)據(jù)比較結(jié)果不一致時，亦必須調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)故障診斷及通道故障邏輯等任務(wù)。

4 系統(tǒng)試驗驗證

　　系統(tǒng)軟件調(diào)試完畢，與電子控制器硬件結(jié)合進(jìn)行某發(fā)動機(jī)數(shù)控試車驗證。試驗中控制器指令與發(fā)動機(jī)工作數(shù)據(jù)通過試車實時監(jiān)控軟件記錄。

　　試車監(jiān)控記錄發(fā)動機(jī)各工作參數(shù)，其中圖9～10為發(fā)動機(jī)從起動一慢車一額定一最大一額定一停車的一個完整試車過程轉(zhuǎn)速與T4溫度試驗結(jié)果。

　　多次試驗結(jié)果證明，記錄的數(shù)據(jù)與與要求的試車過程吻合，電子控制系統(tǒng)工作可靠，可實現(xiàn)改型發(fā)動機(jī)電控試車，滿足無人機(jī)對發(fā)動機(jī)的電子控制要求。

5 結(jié)論

　　以某無人機(jī)用單軸噴氣發(fā)動機(jī)數(shù)控系統(tǒng)研制為背景，采用自行設(shè)計的486級PC／104架構(gòu)雙余度硬件，重點進(jìn)行基于嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks的電子控制器系統(tǒng)軟件設(shè)計，將系統(tǒng)軟件劃分為多個任務(wù)，基于優(yōu)先級的調(diào)度算法，CPU將運行時間分配給不同的任務(wù)，形成宏觀上多任務(wù)并發(fā)進(jìn)行的效果，在已有的電子控制器硬件平臺上，保證程序任務(wù)實現(xiàn)實時運行。軟硬件系統(tǒng)結(jié)合裝機(jī)并進(jìn)行發(fā)動機(jī)臺架試驗驗證，多次試驗表明，所設(shè)計的實時控制軟件與電子控制器配合良好，能實現(xiàn)發(fā)動機(jī)電子控制。該軟件系統(tǒng)能對發(fā)動機(jī)控制任務(wù)進(jìn)行可靠的管理和調(diào)度。