0 引言

　　無(wú)人機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮越來(lái)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(wú)人枧蹙發(fā)展重點(diǎn)，我鏊遙年來(lái)氌魏大該方瑟磅究。垂手無(wú)入撬豹矮震特點(diǎn)，疆求其噴氣動(dòng)力的控制系統(tǒng)可靠弗鼠能實(shí)現(xiàn)無(wú)人億操縱，其中發(fā)動(dòng)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(dòng)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(jì)成為整個(gè)系統(tǒng)豹研發(fā)的重點(diǎn)。傳統(tǒng)基于DOS的編程方法，程序代碼冗長(zhǎng)，不易升級(jí)維護(hù)，兼容性差，修改調(diào)試?yán)щy。

　　近年來(lái)，實(shí)時(shí)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(guó)的F16、FA-18戰(zhàn)斗機(jī)、B2隱形轟炸機(jī)及愛(ài)國(guó)者導(dǎo)彈的控制系統(tǒng)均采用了VxWorks寅時(shí)操作系統(tǒng)秘。國(guó)內(nèi)無(wú)入巍飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方囂采強(qiáng)實(shí)爵操{謄系統(tǒng)已瘸子工程實(shí)際，在發(fā)動(dòng)稅控裁方_霹也拜震了相應(yīng)耱研究，僵未覓工程驗(yàn)證報(bào)道。

　　本文針對(duì)某光人機(jī)用單轉(zhuǎn)予渦噴發(fā)動(dòng)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(dòng)撬數(shù)控系統(tǒng)軟繹設(shè)計(jì)，并遴褥發(fā)動(dòng)規(guī)數(shù)控斌率驗(yàn)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(gè)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(gè)羧鍘周期秀令通道麓時(shí)采集發(fā)凌橇轉(zhuǎn)速和T4激度等信號(hào)，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(dòng)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(jì)算所需供油量，兩個(gè)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^(guò)余度表決邏輯穩(wěn)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行祝梅改變供瀨。

　　兩個(gè)通道同步工作，主通道進(jìn)行發(fā)動(dòng)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(shí)，從通道可以隨時(shí)接替主通道進(jìn)行控制。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)不帶機(jī)械液壓備份，為監(jiān)控電子控制器工作情況，每個(gè)通道設(shè)計(jì)有模擬電備份電路。當(dāng)飛控系統(tǒng)監(jiān)控到兩個(gè)通道均不正常工作時(shí)，可通過(guò)模擬電備份通道監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，及時(shí)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(dòng)機(jī)控制的核心單元，根據(jù)采集的發(fā)動(dòng)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行循環(huán)控制。工作時(shí)先加電進(jìn)行自檢和初始化，無(wú)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(dòng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)(轉(zhuǎn)速、T4溫度等)計(jì)算當(dāng)前周期輸出控制參數(shù)，雙通道通訊交叉?zhèn)鬏斢?jì)算結(jié)果，計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況的控制。

　　發(fā)動(dòng)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(dòng)輸出控制、地面啟動(dòng)控制、空中啟動(dòng)控制、發(fā)動(dòng)機(jī)油封、發(fā)動(dòng)機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS，Real Time Operation System)，可將復(fù)雜任務(wù)分解為多個(gè)簡(jiǎn)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(jí)別，系統(tǒng)自動(dòng)保證各模塊不沖突并實(shí)時(shí)運(yùn)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(dòng)機(jī)電子控制器軟件設(shè)計(jì)，編程平臺(tái)采用其配套的Tornad02.2開(kāi)發(fā)環(huán)境，編程語(yǔ)言采用C語(yǔ)言。

　　3.1 任務(wù)模塊劃分

　　在VxWorks下進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)控制軟件開(kāi)發(fā)，首先需要進(jìn)行任務(wù)模塊劃分和設(shè)計(jì)合理的優(yōu)先級(jí)，保證系統(tǒng)軟硬件資源得到合理的利用。

　　上述發(fā)動(dòng)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，而且發(fā)動(dòng)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(shí)時(shí)處理性。基于DOS的傳統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)將所有任務(wù)安排在一個(gè)或幾個(gè)不同優(yōu)先級(jí)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(jì)，任務(wù)劃分基于以下原則：實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的任務(wù)組成獨(dú)立的模塊；計(jì)算量大占用CPU時(shí)間多的任務(wù)捆綁到一起按時(shí)問(wèn)片輪轉(zhuǎn)方式運(yùn)行；同步驅(qū)動(dòng)同步完成的任務(wù)組成一個(gè)模塊。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)控制任務(wù)要求，將系統(tǒng)軟件總體劃分為5個(gè)模塊。系統(tǒng)軟件的優(yōu)先級(jí)基于任務(wù)越重要，優(yōu)先級(jí)越高的原則進(jìn)行分配。

3.2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)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(dòng)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(jí)CPU提供的板級(jí)支持包所支持，可自動(dòng)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(wèn)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(gè)通道之間建立握手控制標(biāo)志，當(dāng)每一個(gè)通道完成相應(yīng)的步驟后自動(dòng)設(shè)置步驟完成標(biāo)志，同時(shí)，查詢另一通道任務(wù)是否完成，再啟動(dòng)下一功能的任務(wù)執(zhí)行。通過(guò)在消息通信時(shí)設(shè)置同步等待周期，在交換消息的過(guò)程中實(shí)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(jì)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?duì)方通道中，并在兩個(gè)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(gè)通道的結(jié)果進(jìn)行比較，兩個(gè)通道結(jié)果之差超過(guò)設(shè)定值時(shí)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(jì)為兩套獨(dú)立的系統(tǒng)，控制輸出通過(guò)表決邏輯執(zhí)行。在工作過(guò)程中，通道A和通道B同時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，在系統(tǒng)內(nèi)部每個(gè)控制周期兩個(gè)通道通過(guò)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(méi)有故障的通道控制輸出，并與飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊傳參。兩個(gè)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(shí)現(xiàn)方法基本一致。在VxWorks下，利用多任務(wù)的方法，設(shè)計(jì)的通訊程序包括以下8個(gè)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(shí)(SendTimer)、消息定時(shí)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(guò)RS422進(jìn)行串行通訊，接收來(lái)自飛控系統(tǒng)的控制指令和飛行狀態(tài)參數(shù)，同時(shí)向飛控系統(tǒng)傳輸發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前工作參數(shù)。RS422通訊波特率為9600，采用一個(gè)起始位，一個(gè)停止位，在Vxworks下通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)相應(yīng)的串口打開(kāi)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(lái)完成串口操作與數(shù)據(jù)傳輸。

　　3.2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)控制軟件模塊

　　發(fā)動(dòng)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(guò)控制軟件完成復(fù)雜的控制規(guī)律的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制。控制器在接收到由傳感器采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和T4溫度后進(jìn)行計(jì)算處理，依據(jù)飛控指令，基于信號(hào)量機(jī)制，調(diào)度某一發(fā)動(dòng)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(dòng)輸出控制，地面啟動(dòng)控制，空中啟動(dòng)控制，發(fā)動(dòng)機(jī)油封，發(fā)動(dòng)機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn))，輸出控制參數(shù)的計(jì)算結(jié)果和開(kāi)關(guān)量，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控處理。其中發(fā)動(dòng)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(dòng)、任務(wù)調(diào)度和任務(wù)執(zhí)行。啟動(dòng)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(jí)的搶占式任務(wù)調(diào)度策略，每隔一定的時(shí)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(jí)逆轉(zhuǎn)，系統(tǒng)采用了優(yōu)先級(jí)繼承算法。

　　高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)之間以及低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)之間通過(guò)信號(hào)量進(jìn)行通信。系統(tǒng)啟動(dòng)之后，引導(dǎo)操作系統(tǒng)等后臺(tái)任務(wù)，然后進(jìn)行同步操作任務(wù)，接著通過(guò)信號(hào)量機(jī)制出發(fā)高優(yōu)先級(jí)的輸入數(shù)據(jù)任務(wù)，若系統(tǒng)出錯(cuò)，則高優(yōu)先級(jí)任務(wù)堵塞，啟動(dòng)系統(tǒng)重構(gòu)或者故障診斷等低優(yōu)先級(jí)任務(wù)。同樣，當(dāng)輸出數(shù)據(jù)比較結(jié)果不一致時(shí)，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(yàn)驗(yàn)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(dòng)機(jī)數(shù)控試車驗(yàn)證。試驗(yàn)中控制器指令與發(fā)動(dòng)機(jī)工作數(shù)據(jù)通過(guò)試車實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件記錄。

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

　　多次試驗(yàn)結(jié)果證明，記錄的數(shù)據(jù)與與要求的試車過(guò)程吻合，電子控制系統(tǒng)工作可靠，可實(shí)現(xiàn)改型發(fā)動(dòng)機(jī)電控試車，滿足無(wú)人機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制要求。

5 結(jié)論

　　以某無(wú)人機(jī)用單軸噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)研制為背景，采用自行設(shè)計(jì)的486級(jí)PC／104架構(gòu)雙余度硬件，重點(diǎn)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(jì)，將系統(tǒng)軟件劃分為多個(gè)任務(wù)，基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度算法，CPU將運(yùn)行時(shí)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(tái)上，保證程序任務(wù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)行。軟硬件系統(tǒng)結(jié)合裝機(jī)并進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，多次試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)控制軟件與電子控制器配合良好，能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制。該軟件系統(tǒng)能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制任務(wù)進(jìn)行可靠的管理和調(diào)度。