專利名稱：一種無人機(jī)機(jī)載三余度電氣負(fù)載管理中心的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無人機(jī)機(jī)載三余度電氣負(fù)載管理中心，特別是涉及一種基于 “DSP+FPGA”結(jié)構(gòu)的無人機(jī)機(jī)載三余度電氣負(fù)載管理中心，它用于大型無人機(jī)機(jī)載配電系統(tǒng) 中，其技術(shù)特點表現(xiàn)為多學(xué)科融合，涉及計算機(jī)技術(shù)、航空電氣技術(shù)、電力電子技術(shù)等方面。 屬于航空電氣系統(tǒng)技術(shù)和無人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自20世紀(jì)80年代以來，隨著計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、控制技術(shù)、大功率半導(dǎo)體器件 的發(fā)展，數(shù)字化、智能化、高可靠性的多電飛機(jī)技術(shù)成為技術(shù)趨勢之一。大型無人機(jī)屬于典 型的、特殊的多電飛機(jī)，其特征是廣泛采用電作動技術(shù)、用電量大、智能化高，需要大功率、 高性能和高可靠的電器系統(tǒng)。其配電系統(tǒng)由供電系統(tǒng)處理機(jī)(Power System Processor, PSP)、電氣負(fù)載管理中心(ELMC)，電源控制器(Power Control Unit，PCU)，發(fā)電機(jī)控制裝置 (Generator Control Unit，GCU)，遠(yuǎn)程終端(Remote Terminal,RT)組成。而電氣負(fù)載管理 中心作為配電系統(tǒng)的重要組成部分，其可靠性嚴(yán)重制約著整個大型無人機(jī)機(jī)載電氣系統(tǒng)的 可靠性，而多余度設(shè)計、智能化管理等可以有效提高系統(tǒng)和設(shè)備可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
1、目的本發(fā)明的目的是提供一種無人機(jī)機(jī)載三余度電氣負(fù)載管理中心，它通過 對適用于無人機(jī)電氣系統(tǒng)的電氣負(fù)載管理中心硬件結(jié)構(gòu)以及軟件算法的設(shè)計創(chuàng)新，使所設(shè) 計的三余度電氣負(fù)載管理中心完成自動化配電控制和智能管理功能，具有可靠性高、響應(yīng) 速度快、智能化程度高、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點。2、技術(shù)方案本發(fā)明一種無人機(jī)機(jī)載三余度電氣負(fù)載管理中心，它以DSP TMS320F2812和FPGA EP2C35F484為核心，實現(xiàn)大型無人機(jī)的自動化配電控制和智能管理 功能。它包括CPU中央處理模塊、狀態(tài)量監(jiān)測控制模塊、同步模塊、交叉通道數(shù)據(jù)鏈(即 CCDL)模塊、模擬量采集調(diào)理模塊、驅(qū)動控制模塊、通訊模塊和電源模塊八個部分。它們之間 的位置連接關(guān)系是該三余度電氣負(fù)載管理中心通過通訊模塊實時接收上位機(jī)系統(tǒng)的控制 指令；經(jīng)過同步模塊完成該三余度電氣負(fù)載管理中心程序之間同步；根據(jù)上位機(jī)的控制指 令、模擬量采集調(diào)理模塊返回的系統(tǒng)電力匯流條的電壓、電流狀態(tài)，以及狀態(tài)量監(jiān)測控制模 塊返回的固態(tài)功率控制器(即SSPC)的負(fù)載狀態(tài)，求解負(fù)載方程，從而形成無人機(jī)不同飛行 狀態(tài)下的負(fù)載配電指令；經(jīng)過CCDL模塊的數(shù)據(jù)交換和監(jiān)控表決完成該三余度電氣負(fù)載管 理中心之間的切換，由主工作余度的電氣負(fù)載管理中心完成對負(fù)載的配電；同時將采集到 的負(fù)載狀態(tài)信息及電力匯流條的電壓、電流信息通過通訊模塊上傳給無人機(jī)機(jī)載供電處理 機(jī)(PSP)。所述電源模塊完成對整個電氣負(fù)載管理中心的電能供給。它的主要功能是通過多 種DC/DC轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成為滿足電氣負(fù)載管理中心各個模塊需要的穩(wěn)定電源。電源模塊主 要是由XZR05S/24S05、TPS70445、TPS75733、TPS76801芯片組成，它將機(jī)載28V直流電源轉(zhuǎn)換成+5V、+3. 3V和+1. 2V等不同供電體制的直流電源。電源模塊通過XZR05S/24S05芯片將機(jī)載+28V直流匯流條電壓轉(zhuǎn)換成+5V的直流 電源，然后通過TPS70445芯片將+5V的直流電源轉(zhuǎn)換成FPGA需要的+3. 3V和+1. 2V的直 流電源，通過TPS75733芯片將+5V的直流電源轉(zhuǎn)換成DSP需要的+3. 3V的直流電源，通過 TPS76801芯片將+5V的直流電源轉(zhuǎn)換成DSP需要的+1. 2V的直流電源。所述CPU中央處理模塊是無人機(jī)電氣負(fù)載管理中心的核心部分，負(fù)責(zé)多余度CPU 的協(xié)調(diào)工作、狀態(tài)信息的收集、系統(tǒng)指令的控制和執(zhí)行等功能。它的結(jié)構(gòu)是通過搭建數(shù)字信 號處理器(DSP)系統(tǒng)和軟件編程來實現(xiàn)的；它實時通過通訊模塊接收來自上位機(jī)的控制指 令，同時接收來自狀態(tài)量監(jiān)測控制模塊反饋的負(fù)載狀態(tài)信息，控制模擬量采集調(diào)理模塊采 集電力匯流條的電壓、電流信號，綜合求解負(fù)載方程，形成相應(yīng)負(fù)載的配電指令。CPU中央處理模塊通過中斷服務(wù)子程序?qū)崟r的接收上位機(jī)控制指令，在中斷服務(wù) 子程序中，通過在接收的數(shù)據(jù)包的后面增加一個八位的校驗位，判斷接收到的數(shù)據(jù)包是否 為有效的控制指令，如果數(shù)據(jù)包為有效的控制指令，則存入DSP中相應(yīng)的控制寄存器，否則 舍棄；經(jīng)過同步模塊完成三個余度CPU的同步，通過查詢DSP中相應(yīng)寄存器獲取狀態(tài)量監(jiān)測 控制模塊反饋的負(fù)載狀態(tài)信息，根據(jù)負(fù)載方程求解得到負(fù)載的通斷指令，并將其存入配電 指令寄存器。所述狀態(tài)量監(jiān)測控制模塊是為CPU中央處理模塊提供無人機(jī)電氣系統(tǒng)平臺監(jiān)控 的軟件模塊。它的結(jié)構(gòu)是通過DSP軟件編程來實現(xiàn)的，DSP根據(jù)SSPC的通訊協(xié)議向SSPC 發(fā)送控制指令數(shù)據(jù)包來使SSPC完成對負(fù)載信號的采集及負(fù)載狀態(tài)信息的上傳；該模塊一 方面完成對固態(tài)功率控制器SSPC所有負(fù)載狀態(tài)信息的采集，根據(jù)CPU中央處理模塊的配電 指令控制相應(yīng)的SSPC動作，并檢測SSPC的狀態(tài)反饋，從而實現(xiàn)電氣負(fù)載管理中心的配電功 能。另一方面，將獲得的各種負(fù)載狀態(tài)信息反饋給CPU中央處理模塊和上位機(jī)，利用這些狀 態(tài)信息進(jìn)行機(jī)內(nèi)測試(即BIT)和故障診斷。狀態(tài)量監(jiān)測控制模塊從DSP的控制寄存器中獲取控制指令，向SSPC發(fā)送符合通訊 協(xié)議的控制指令數(shù)據(jù)包，使SSPC完成對負(fù)載信息的采集，SSPC將采集的負(fù)載狀態(tài)信息上傳 給狀態(tài)量監(jiān)測控制模塊，存入DSP中相應(yīng)的狀態(tài)寄存器中；狀態(tài)量監(jiān)測控制模塊從DSP中的 配電指令寄存器中獲取CPU中央處理模塊計算得到的配電指令，向SSPC發(fā)送通斷指令，完 成對相應(yīng)負(fù)載的配電控制，通過根據(jù)DSP中狀態(tài)寄存器中的負(fù)載信息進(jìn)行BIT和故障診斷， 如果完成配電的SSPC出現(xiàn)故障，則切換到備份SSPC來完成配電。所述同步模塊是該三余度電氣負(fù)載管理中心特有的模塊。它的結(jié)構(gòu)是通過在DSP 中編寫同步算法并經(jīng)過DSP的數(shù)字I/O 口和FPGA器件來實現(xiàn)的，每個余度DSP在每個任務(wù) 周期的開始通過DSP的數(shù)字I/O 口向FPGA發(fā)送一個高電平信號，F(xiàn)PGA在規(guī)定的時間內(nèi)(第 一次同步時等待的時間為0.5s，之后的同步等待時間為IOOus)檢測三個余度DSP發(fā)送的 高電平信號，當(dāng)接收到兩個或三個余度DSP的高電平信號時則FPGA向同步成功的余度DSP 回復(fù)一個高電平信號，完成第一次握手，同樣的方式完成第二次握手，從而完成三余度電氣 負(fù)載管理中心的同步；它通過“雙握手”的方式，即該三余度電氣負(fù)載管理中心通過CXDL模 塊相互進(jìn)行同步信號傳輸，發(fā)送同步時鐘請求和同步應(yīng)答信號，執(zhí)行軟件同步算法，并允許 有限的時間偏差，以使輸出信號同步。當(dāng)主電氣負(fù)載管理中心在設(shè)定時間內(nèi)不響應(yīng)熱備份 余度的同步請求，備份電氣負(fù)載管理中心優(yōu)先級高的余度將通過FPGA來完成切換控制。該模塊的創(chuàng)新之處在于通過DSP的數(shù)字I/O 口傳輸比傳統(tǒng)的總線傳送方式的響應(yīng)速度大大提
尚ο同步模塊是由DSP中的同步算法和FPGA中的同步算法構(gòu)成。在DSP中，同步算法 判斷此次同步是否為三余度DSP的第一次同步，如果為第一次同步，同步模塊設(shè)置同步等 待時間為0. 5s，否則設(shè)置同步等待時間為IOOus ；禁止DSP中所有的中斷服務(wù)子程序；DSP 通過數(shù)字I/O 口 DO向FPGA發(fā)送高電平同步信號，進(jìn)入同步循環(huán)程序，同時檢測同步等待次 數(shù)是否超過限定值，如果同步次數(shù)超過限定值則跳出同步循環(huán)，失步次數(shù)加一，重新開始同 步，否則同步等待次數(shù)加一；同步模塊檢測FPGA是否向DSP的I/O 口 DI發(fā)送高電平的反饋 信號，如果DSP收到FPGA發(fā)送的高電平信號，則表示第一次握手成功，否則表示此次同步失 敗，重新開始同步；DSP在第一次握手成功后，再次向FPGA發(fā)送高電平的同步信號，同時檢 測FPGA反饋的高電平信號，如果第二次握手成功，則同步標(biāo)志位置位，退出同步循環(huán)，否則 表示此次同步失敗，重新開始同步；跳出同步循環(huán)后，使能中斷服務(wù)子程序；檢測同步標(biāo)志 位，如果置位，表示三余度DSP同步成功，失步計數(shù)器清零，同步程序結(jié)束，否則判斷失步次 數(shù)，如果失步次數(shù)大于5次，表示該余度DSP故障，重新啟動該余度DSP。在FPGA中，同步算法實時等待三余度DSP發(fā)送的同步高電平信號，如果收到三個 余度DSP的同步高電平信號，則FPGA向三個余度DSP同步發(fā)送反饋高電平信號，表示同步 成功；如果收到二個余度DSP的同步高電平信號，則FPGA向這兩個余度DSP發(fā)送反饋高電 平信號，表示這兩個余度同步成功；如果只收到一個余度DSP的同步高電平信號，則表示三 余度DSP同步失敗，F(xiàn)PGA不向任何余度DSP反饋信號。所述CCDL模塊是該三余度電氣負(fù)載管理中心特有的模塊，包括余度數(shù)據(jù)監(jiān)控、余 度數(shù)據(jù)表決和余度切換三個部分。CCDL模塊的結(jié)構(gòu)是通過在FPGA中編寫余度數(shù)據(jù)監(jiān)控、余 度數(shù)據(jù)表決和余度切換算法來實現(xiàn)的，三余度DSP將上位機(jī)控制指令、采集的負(fù)載狀態(tài)信 息及根據(jù)負(fù)載方程求解得到的配電指令發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA將這些數(shù)據(jù)分別存入FPGA中相 應(yīng)的存儲單元中，然后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)兩個或兩個以上的余度DSP的數(shù)據(jù)相同時， 則FPGA根據(jù)三個余度電氣負(fù)載管理中心的優(yōu)先級(事先設(shè)定好的)向優(yōu)先級高的余度DSP 發(fā)送使能信號，從而完成余度切換。余度數(shù)據(jù)表決中故障的余度DSP自動重啟，進(jìn)入下一輪 的余度數(shù)據(jù)表決，如果仍然故障則該余度DSP被徹底隔離，如果恢復(fù)正常則該余度DSP優(yōu)先 級降一級成為備份余度工作；三余度電氣負(fù)載管理中心首先通過余度數(shù)據(jù)監(jiān)控程序交換主 余度和二個備份余度之間的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過余度數(shù)據(jù)表決算法決定三余度電氣負(fù)載管理中 心的余度切換。余度數(shù)據(jù)監(jiān)控主要是完成三余度電氣負(fù)載管理中心之間數(shù)據(jù)的交叉?zhèn)鬟f， 以實現(xiàn)三余度之間數(shù)據(jù)的共享；余度數(shù)據(jù)表決根據(jù)三余度電氣負(fù)載管理中心之間共享的數(shù) 據(jù)經(jīng)過相應(yīng)的表決算策略，判斷三余度電氣負(fù)載管理中心工作狀態(tài)是否正常；余度切換根 據(jù)余度數(shù)據(jù)表決的結(jié)果切換到工作狀態(tài)正常的余度來完成負(fù)載的配電，同時根據(jù)余度處理 策略重啟或屏蔽故障的余度。該模塊的創(chuàng)新之處在于CCDL模塊在現(xiàn)場可編程門陣列中(即 FPGA)利用VHDL語言編寫基于硬件邏輯電路實現(xiàn)的表決算法來實現(xiàn)，這種基于硬件邏輯電 路實現(xiàn)的余度監(jiān)控表決方式比傳統(tǒng)的基于軟件算法實現(xiàn)的監(jiān)控表決方式具有更高的可靠 性、更快的響應(yīng)速度。余度數(shù)據(jù)監(jiān)控算法利用DSP與FPGA之間的數(shù)據(jù)總線和地址總線，將三個余度DSP 發(fā)送的負(fù)載狀態(tài)信息和配電指令依次存入相應(yīng)的寄存器中，以實現(xiàn)三余度DSP數(shù)據(jù)的共享；余度數(shù)據(jù)表決算法通過查詢相應(yīng)寄存器獲得三余度DSP共享的數(shù)據(jù)，比較三個余度DSP 的數(shù)據(jù)是否相同(假設(shè)三個余度DSP通道分別為A、B、C，優(yōu)先級從高到低依次為A > B > C)。如果三個余度DSP的數(shù)據(jù)相同，余度切換算法根據(jù)三個余度DSP的優(yōu)先級切換到A通 道，由A通道的DSP最終完成對負(fù)載配電；如果有兩個余度DSP的數(shù)據(jù)相同，假如是A通道和 B通道的DSP數(shù)據(jù)相同，則余度切換算法根據(jù)兩個余度DSP的優(yōu)先級切換到A通道，由A通 道DSP最終完成對負(fù)載配電，同時余度切換算法令故障余度C通道DSP重新啟動，進(jìn)入下一 輪的余度數(shù)據(jù)表決，如果下一輪的余度數(shù)據(jù)表決C通道DSP依然故障則徹底屏蔽次通道，否 則恢復(fù)正常；如果三個余度DSP數(shù)據(jù)都不相同，余度切換算法根據(jù)三個余度DSP的優(yōu)先級選 擇高優(yōu)先級的A通道完成對負(fù)載的配電。當(dāng)三個余度中有一個余度被徹底屏蔽之后，余度 切換算法降級工作，即當(dāng)兩個余度DSP數(shù)據(jù)相同的時候，選擇高優(yōu)先級的通道完成對負(fù)載 的配電，當(dāng)兩個余度DSP數(shù)據(jù)不相同的時候，依然選擇高優(yōu)先級的通道完成對負(fù)載的配電。所述模擬量采集與調(diào)理模塊，它主要是由典型運放電壓采集電路、霍爾電流互感 器HX10-P、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7865組成的，通過采集和調(diào)理的信號量通過IO數(shù)據(jù)線傳送給 DSP器件處理；其間的位置連接關(guān)系是運放電壓采集電路采集電力匯流條的電壓信號，霍 爾電流互感器采集電力匯流條的電流信號，經(jīng)過調(diào)理電路送到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn) 換。它根據(jù)CPU中央處理模塊的控制指令采集相應(yīng)電力匯流條的電壓、電流信號，并經(jīng)過調(diào) 理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，把系統(tǒng)級和設(shè)備的狀態(tài)信息傳送到CPU中央處理模塊進(jìn)行故障診 斷和處理。所述驅(qū)動控制模塊，它是由ULN2003功率驅(qū)動芯片構(gòu)成；其間的位置連接關(guān)系是 CPU中央處理模塊向ULN2003發(fā)送控制指令，功率芯片ULN2003將控制指令進(jìn)行功率放大， 驅(qū)動大功率接觸器來完成配電。它根據(jù)CPU中央處理模塊的控制指令，驅(qū)動控制相應(yīng)的大 功率接觸器來完成對匯流條等大功率用電負(fù)載的配電控制。所述通訊模塊，它是由MAXIM公司的RS-422串行總線通訊芯片MAXIM3160完成。 本三余度電氣負(fù)載管理中心通過該模塊完成三方面功能1.與上位機(jī)通訊，接收上位機(jī)發(fā) 送的控制指令，同時向上位機(jī)發(fā)送電力匯流條和負(fù)載的各種狀態(tài)信息；2.完成與固態(tài)功率 控制器(SSPC)的通訊，接收SSPC發(fā)送的各種負(fù)載狀態(tài)信息，向SSPC發(fā)送配電指令；3.完 成三余度電氣負(fù)載管理中心之間的數(shù)據(jù)交換共享。其中，所述CPU中央處理模塊的處理器，為主頻至少150M Hz的數(shù)字信號處理器。其中，所述同步模塊中的FPGA即現(xiàn)場可編程門陣列主頻至少100M Hz0其中，所述CCDL模塊的余度監(jiān)控、表決和切換策略是所有電氣負(fù)載管理中心的 余度單元加電工作，當(dāng)主CPU工作正常時，備份CPU不進(jìn)行任何控制，只負(fù)責(zé)監(jiān)視數(shù)據(jù)總線 的消息傳輸，并接受相應(yīng)數(shù)據(jù)；當(dāng)主余度發(fā)生故障時，切換到備份余度工作；當(dāng)故障CPU通 過內(nèi)部自檢測程序確定恢復(fù)正常后，成為備份CPU進(jìn)入比較表決和監(jiān)控模式。本發(fā)明一種無人機(jī)機(jī)載三余度電氣負(fù)載管理中心的工作原理或流程是該三余度 電氣負(fù)載管理中心通過通訊模塊實時接收無人機(jī)機(jī)載上位機(jī)系統(tǒng)的控制指令；經(jīng)過同步模 塊完成該三余度電氣負(fù)載管理中心程序之間同步；根據(jù)上位機(jī)的控制指令、模擬量采集調(diào) 理模塊返回的系統(tǒng)電力匯流條的電壓、電流狀態(tài)，以及狀態(tài)量監(jiān)測控制模塊返回的SSPC的 負(fù)載狀態(tài)，求解負(fù)載方程，從而形成不同飛行狀態(tài)下的負(fù)載配電指令；經(jīng)過CCDL模塊的數(shù) 據(jù)交換和監(jiān)控表決完成該三余度電氣負(fù)載管理中心之間的切換，由主工作余度的電氣負(fù)載管理中心完成對負(fù)載的配電；同時將采集到的負(fù)載狀態(tài)信息及電力匯流條的電壓、電流信 息通過通訊模塊上傳給供電處理機(jī)(PSP)。3、優(yōu)點及功效本發(fā)明是一種基于“DSP+FPGA”結(jié)構(gòu)的無人機(jī)機(jī)載三余度電氣負(fù) 載管理中心的創(chuàng)新之處在于(1)在國內(nèi)首次將三余度計算機(jī)智能控制與管理結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用于無人機(jī)機(jī)載配電 系統(tǒng)設(shè)備中。在該系統(tǒng)中，電氣負(fù)載管理中心的所有余度單元加電工作，當(dāng)主CPU工作正常 時，備份CPU不進(jìn)行任何控制，只負(fù)責(zé)監(jiān)視數(shù)據(jù)總線的消息傳輸，并接受相應(yīng)數(shù)據(jù)；當(dāng)主余 度發(fā)生故障時，切換到備份余度工作；當(dāng)故障CPU通過內(nèi)部自檢測程序確定恢復(fù)正常后，成 為備份CPU進(jìn)入比較表決和監(jiān)控模式。這種結(jié)構(gòu)自動化程度高，處理機(jī)在切換前后工作一 致性好，任務(wù)可靠性大大提高；(2)三余度電氣負(fù)載管理中心的余度監(jiān)控、表決與切換控制在FPGA(現(xiàn)場可編程 門陣列)中實現(xiàn)，大大提高了電氣負(fù)載管理中心余度故障的處理速度；(3)建立了適用于無人機(jī)電氣系統(tǒng)的狀態(tài)量監(jiān)測控制模塊和模擬量采集調(diào)理模 塊，可以有效提高系統(tǒng)的檢測能力和故障診斷準(zhǔn)確性；(4)該電氣負(fù)載管理中心特別適合用于大型無人機(jī)的集散式配電系統(tǒng)，為機(jī)內(nèi)各 種用電負(fù)載提高滿足其需要的電源。智能電氣負(fù)載管理中心代替飛行員的全部操作，按照 設(shè)定方式自動控制和管理負(fù)載，實現(xiàn)飛機(jī)的智能配電、余度控制及故障處理，極大的提高大 型無人機(jī)配電系統(tǒng)的可靠性、可維修性和使用壽命；當(dāng)無人機(jī)出現(xiàn)故障時，按照設(shè)定的控制 策略進(jìn)行容錯處理，提高大型無人機(jī)在有限的功率下安全返航的概率。本發(fā)明通過對電氣負(fù)載管理中心硬件結(jié)構(gòu)及軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計創(chuàng)新，使應(yīng)用于無人 機(jī)電氣系統(tǒng)的三余度智能電氣負(fù)載管理中心具有高可靠性、快響應(yīng)速度、體積小、質(zhì)量輕的 優(yōu)點。該電氣負(fù)載管理中心與高性能的供電系統(tǒng)處理機(jī)配合，可以實現(xiàn)對機(jī)載用電設(shè)備的 智能化管理，可以用于高可靠性機(jī)載配電系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明電源模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的主程序軟件流程示意圖；圖4是本發(fā)明的主程序流程圖中斷服務(wù)子程序的示意圖；圖5是本發(fā)明同步程序在DSP中的算法示意圖；圖6是本發(fā)明同步程序在FPGA中的算法示意圖；圖7是本發(fā)明的CXDL通訊示意圖。圖中符號說明如下圖中A、B、C表示三余度DSP中的三個余度分別為A余度、B余度和C余度；圖中M表示圖中兩個M處的連線是連接在一起的；圖中T表示圖中兩個T處的連線是連接在一起的；圖中PSP表示供電處理機(jī)；
圖中DSP表示數(shù)字信號處理器；
圖中CXDL表示交叉通道數(shù)據(jù)鏈；
圖中SSPC表示固態(tài)功率控制器。 具體實施例方式見圖1，本發(fā)明一種無人機(jī)機(jī)載三余度電氣負(fù)載管理中心，以DSP TMS320F2812和 FPGAEP2C35F484為核心，它包括CPU中央處理模塊、狀態(tài)量監(jiān)測控制模塊、同步模塊、CXDL 模塊、模擬量采集調(diào)理模塊、驅(qū)動控制模塊、通訊模塊和電源模塊八個部分。見圖3和圖4， 該三余度電氣負(fù)載管理中心利用DSP TMS320F2812的中斷服務(wù)子程序?qū)崟r接收上位機(jī)的控 制指令，并實時的更新上位機(jī)指令寄存器；經(jīng)過DSP中的同步算法完成該三余度電氣負(fù)載 管理中心程序之間同步；根據(jù)中斷服務(wù)子程序接收的上位機(jī)控制指令、模擬量采集調(diào)理模 塊返回的系統(tǒng)電力匯流條的電壓、電流狀態(tài)，及其狀態(tài)量監(jiān)測控制模塊返回的SSPC的負(fù)載 狀態(tài)，求解負(fù)載方程，從而形成不同飛行狀態(tài)下的負(fù)載配電指令；經(jīng)過FPGA EP2C35F484中 的數(shù)據(jù)交換、監(jiān)控表決和余度切換算法完成該三余度電氣負(fù)載管理中心之間的切換，并由 主余度電氣負(fù)載管理中心中余度管理算法完成對負(fù)載的智能配電并將采集到的負(fù)載狀態(tài) 信息及電力匯流條的電壓、電流信息上傳給上位機(jī)。見圖2，所述電源模塊完成對整個電氣負(fù)載管理中心的電能供給。它的主要功能是 通過多種DC/DC轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成為滿足電氣負(fù)載管理中心各個模塊需要的穩(wěn)定電源。電源 模塊主要是由XZR05S/24S05、TPS70445、TPS75733、TPS76801芯片組成，它將機(jī)載28V直流 電源轉(zhuǎn)換成+5V、+3. 3V和+1. 2V等不同供電體制的直流電源。電源模塊通過XZR05S/24S05芯片將機(jī)載+28V直流匯流條電壓轉(zhuǎn)換成+5V的直流 電源，然后通過TPS70445芯片將+5V的直流電源轉(zhuǎn)換成FPGA需要的+3. 3V和+1. 2V的直 流電源，通過TPS75733芯片將+5V的直流電源轉(zhuǎn)換成DSP需要的+3. 3V的直流電源，通過 TPS76801芯片將+5V的直流電源轉(zhuǎn)換成DSP需要的+1. 2V的直流電源。所述CPU中央處理模塊是電氣負(fù)載管理中心的核心部分，負(fù)責(zé)多余度CPU的協(xié)調(diào) 工作、狀態(tài)信息的收集、系統(tǒng)指令的控制和執(zhí)行等功能。它的結(jié)構(gòu)是通過搭建數(shù)字信號處理 器(DSP)系統(tǒng)和軟件編程來實現(xiàn)的；它實時通過通訊模塊接收來自上位機(jī)的控制指令，同 時接收來自狀態(tài)量監(jiān)測控制模塊反饋的負(fù)載狀態(tài)信息，控制模擬量采集調(diào)理模塊采集電力 匯流條的電壓、電流信號，綜合求解負(fù)載方程，形成相應(yīng)負(fù)載的配電指令。CPU中央處理模塊通過中斷服務(wù)子程序?qū)崟r的接收上位機(jī)控制指令，在中斷服務(wù) 子程序中，通過在接收的數(shù)據(jù)包的后面增加一個八位的校驗位，判斷接收到的數(shù)據(jù)包是否 為有效的控制指令，如果數(shù)據(jù)包為有效的控制指令，則存入DSP中相應(yīng)的控制寄存器，否則 舍棄；經(jīng)過同步模塊完成三個余度CPU的同步，通過查詢DSP中相應(yīng)寄存器獲取狀態(tài)量監(jiān)測 控制模塊反饋的負(fù)載狀態(tài)信息，根據(jù)負(fù)載方程求解得到負(fù)載的通斷指令，并將其存入配電 指令寄存器。所述狀態(tài)量監(jiān)測控制模塊是為CPU中央處理模塊提供系統(tǒng)平臺監(jiān)控的軟件模塊。 它的結(jié)構(gòu)是通過DSP軟件編程來實現(xiàn)的，DSP根據(jù)SSPC的通訊協(xié)議向SSPC發(fā)送控制指令數(shù) 據(jù)包來使SSPC完成對負(fù)載信號的采集及負(fù)載狀態(tài)信息的上傳；該模塊一方面完成對固態(tài) 功率控制器SSPC所有負(fù)載狀態(tài)信息的采集，根據(jù)CPU中央處理模塊的配電指令控制相應(yīng)的 SSPC動作，并檢測SSPC的狀態(tài)反饋，從而實現(xiàn)電氣負(fù)載管理中心的配電功能。另一方面，將 獲得的各種負(fù)載狀態(tài)信息反饋給CPU中央處理模塊和上位機(jī)，利用這些狀態(tài)信息進(jìn)行機(jī)內(nèi)測試(即BIT)和故障診斷。狀態(tài)量監(jiān)測控制模塊從DSP的控制寄存器中獲取控制指令，向SSPC發(fā)送符合通訊 協(xié)議的控制指令數(shù)據(jù)包，使SSPC完成對負(fù)載信息的采集，SSPC將采集的負(fù)載狀態(tài)信息上傳 給狀態(tài)量監(jiān)測控制模塊，存入DSP中相應(yīng)的狀態(tài)寄存器中；狀態(tài)量監(jiān)測控制模塊從DSP中的 配電指令寄存器中獲取CPU中央處理模塊計算得到的配電指令，向SSPC發(fā)送通斷指令，完 成對相應(yīng)負(fù)載的配電控制，通過根據(jù)DSP中狀態(tài)寄存器中的負(fù)載信息進(jìn)行BIT和故障診斷， 如果完成配電的SSPC出現(xiàn)故障，則切換到備份SSPC來完成配電。見圖5和圖6，所述同步模塊是該三余度電氣負(fù)載管理中心特有的模塊。它的結(jié) 構(gòu)是通過在DSP中編寫同步算法并經(jīng)過DSP的數(shù)字I/O 口和FPGA器件來實現(xiàn)的，每個余度 DSP在每個任務(wù)周期的開始通過DSP的數(shù)字I/O 口向FPGA發(fā)送一個高電平信號，F(xiàn)PGA在規(guī) 定的時間內(nèi)(第一次同步時等待的時間為0. 5s，之后的同步等待時間為IOOus)檢測三個余 度DSP發(fā)送的高電平信號，當(dāng)接收到兩個或三個余度DSP的高電平信號時則FPGA向同步成 功的余度DSP回復(fù)一個高電平信號，完成第一次握手，同樣的方式完成第二次握手，從而完 成三余度電氣負(fù)載管理中心的同步；它通過“雙握手”的方式，即該三余度電氣負(fù)載管理中 心通過CCDL模塊相互進(jìn)行同步信號傳輸，發(fā)送同步時鐘請求和同步應(yīng)答信號，執(zhí)行軟件同 步算法，并允許有限的時間偏差，以使輸出信號同步。當(dāng)主電氣負(fù)載管理中心在設(shè)定時間內(nèi) 不響應(yīng)熱備份余度的同步請求，備份電氣負(fù)載管理中心優(yōu)先級高的余度將通過FPGA來完 成切換控制。該模塊的創(chuàng)新之處在于通過DSP的數(shù)字I/O 口傳輸比傳統(tǒng)的總線傳送方式的 響應(yīng)速度大大提高。同步模塊是由DSP中的同步算法和FPGA中的同步算法構(gòu)成。在DSP中，同步算法 判斷此次同步是否為三余度DSP的第一次同步，如果為第一次同步，同步模塊設(shè)置同步等 待時間為0. 5s，否則設(shè)置同步等待時間為IOOus ；禁止DSP中所有的中斷服務(wù)子程序；DSP 通過數(shù)字I/O 口 DO向FPGA發(fā)送高電平同步信號，進(jìn)入同步循環(huán)程序，同時檢測同步等待次 數(shù)是否超過限定值，如果同步次數(shù)超過限定值則跳出同步循環(huán)，失步次數(shù)加一，重新開始同 步，否則同步等待次數(shù)加一；同步模塊檢測FPGA是否向DSP的I/O 口 DI發(fā)送高電平的反饋 信號，如果DSP收到FPGA發(fā)送的高電平信號，則表示第一次握手成功，否則表示此次同步失 敗，重新開始同步；DSP在第一次握手成功后，再次向FPGA發(fā)送高電平的同步信號，同時檢 測FPGA反饋的高電平信號，如果第二次握手成功，則同步標(biāo)志位置位，退出同步循環(huán)，否則 表示此次同步失敗，重新開始同步；跳出同步循環(huán)后，使能中斷服務(wù)子程序；檢測同步標(biāo)志 位，如果置位，表示三余度DSP同步成功，失步計數(shù)器清零，同步程序結(jié)束，否則判斷失步次 數(shù)，如果失步次數(shù)大于5次，表示該余度DSP故障，重新啟動該余度DSP。在FPGA中，同步算法實時等待三余度DSP發(fā)送的同步高電平信號，如果收到三個 余度DSP的同步高電平信號，則FPGA向三個余度DSP同步發(fā)送反饋高電平信號，表示同步 成功；如果收到二個余度DSP的同步高電平信號，則FPGA向這兩個余度DSP發(fā)送反饋高電 平信號，表示這兩個余度同步成功；如果只收到一個余度DSP的同步高電平信號，則表示三 余度DSP同步失敗，F(xiàn)PGA不向任何余度DSP反饋信號。見圖7，所述CCDL模塊是該三余度電氣負(fù)載管理中心特有的模塊，包括余度數(shù)據(jù) 監(jiān)控、余度數(shù)據(jù)表決和余度切換三個部分。CCDL模塊的結(jié)構(gòu)是通過在FPGA中編寫余度數(shù) 據(jù)監(jiān)控、余度數(shù)據(jù)表決和余度切換算法來實現(xiàn)的，三余度DSP將上位機(jī)控制指令、采集的負(fù)載狀態(tài)信息及根據(jù)負(fù)載方程求解得到的配電指令發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA將這些數(shù)據(jù)分別存入 FPGA中相應(yīng)的存儲單元中，然后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)兩個或兩個以上的余度DSP的數(shù) 據(jù)相同時，則FPGA根據(jù)三個余度電氣負(fù)載管理中心的優(yōu)先級(事先設(shè)定好的)向優(yōu)先級 高的余度DSP發(fā)送使能信號，從而完成余度切換。余度數(shù)據(jù)表決中故障的余度DSP自動重 啟，進(jìn)入下一輪的余度數(shù)據(jù)表決，如果仍然故障則該余度DSP被徹底隔離，如果恢復(fù)正常則 該余度DSP優(yōu)先級降一級成為備份余度工作；三余度電氣負(fù)載管理中心首先通過余度數(shù)據(jù) 監(jiān)控程序交換主余度和二個備份余度之間的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過余度數(shù)據(jù)表決算法決定三余度 電氣負(fù)載管理中心的余度切換。余度數(shù)據(jù)監(jiān)控主要是完成三余度電氣負(fù)載管理中心之間數(shù) 據(jù)的交叉?zhèn)鬟f，以實現(xiàn)三余度之間數(shù)據(jù)的共享；余度數(shù)據(jù)表決根據(jù)三余度電氣負(fù)載管理中 心之間共享的數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)的表決算策略，判斷三余度電氣負(fù)載管理中心工作狀態(tài)是否正 常；余度切換根據(jù)余度數(shù)據(jù)表決的結(jié)果切換到工作狀態(tài)正常的余度來完成負(fù)載的配電，同 時根據(jù)余度處理策略重啟或屏蔽故障的余度。該模塊的創(chuàng)新之處在于CCDL模塊在現(xiàn)場可 編程門陣列中(即FPGA)利用VHDL語言編寫基于硬件邏輯電路實現(xiàn)的表決算法來實現(xiàn)，這 種基于硬件邏輯電路實現(xiàn)的余度監(jiān)控表決方式比傳統(tǒng)的基于軟件算法實現(xiàn)的監(jiān)控表決方 式具有更高的可靠性、更快的響應(yīng)速度。余度數(shù)據(jù)監(jiān)控算法利用DSP與FPGA之間的數(shù)據(jù)總線和地址總線，將三個余度DSP 發(fā)送的負(fù)載狀態(tài)信息和配電指令依次存入相應(yīng)的寄存器中，以實現(xiàn)三余度DSP數(shù)據(jù)的共 享；余度數(shù)據(jù)表決算法通過查詢相應(yīng)寄存器獲得三余度DSP共享的數(shù)據(jù)，比較三個余度DSP 的數(shù)據(jù)是否相同(假設(shè)三個余度DSP通道分別為A、B、C，優(yōu)先級從高到低依次為A > B > C)。如果三個余度DSP的數(shù)據(jù)相同，余度切換算法根據(jù)三個余度DSP的優(yōu)先級切換到A通 道，由A通道的DSP最終完成對負(fù)載配電；如果有兩個余度DSP的數(shù)據(jù)相同，假如是A通道和 B通道的DSP數(shù)據(jù)相同，則余度切換算法根據(jù)兩個余度DSP的優(yōu)先級切換到A通道，由A通 道DSP最終完成對負(fù)載配電，同時余度切換算法令故障余度C通道DSP重新啟動，進(jìn)入下一 輪的余度數(shù)據(jù)表決，如果下一輪的余度數(shù)據(jù)表決C通道DSP依然故障則徹底屏蔽次通道，否 則恢復(fù)正常；如果三個余度DSP數(shù)據(jù)都不相同，余度切換算法根據(jù)三個余度DSP的優(yōu)先級選 擇高優(yōu)先級的A通道完成對負(fù)載的配電。當(dāng)三個余度中有一個余度被徹底屏蔽之后，余度 切換算法降級工作，即當(dāng)兩個余度DSP數(shù)據(jù)相同的時候，選擇高優(yōu)先級的通道完成對負(fù)載 的配電，當(dāng)兩個余度DSP數(shù)據(jù)不相同的時候，依然選擇高優(yōu)先級的通道完成對負(fù)載的配電。所述模擬量采集與調(diào)理模塊，它主要是由運放電壓采集電路、霍爾電流互感器 HX10-P、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7865 ；通過采集和調(diào)理的信號量通過IO數(shù)據(jù)線傳送給DSP器件處 理；其間的位置連接關(guān)系是運放電壓采集電路采集電力匯流條的電壓信號，霍爾電流互 感器采集電力匯流條的電流信號，經(jīng)過調(diào)理電路送到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7865進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。 它利用運放電壓采集電路、霍爾電流互感器轉(zhuǎn)換相應(yīng)電力匯流條的電壓、電流，然后調(diào)理電 路把互感器得到的電平信號轉(zhuǎn)換成適合模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7865轉(zhuǎn)換的信號，通過AD7865進(jìn) 行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的14位數(shù)字信號送入DSP中。所述驅(qū)動控制模塊，它是由ULN2003功率驅(qū)動芯片構(gòu)成；其間的位置連接關(guān)系是 CPU中央處理模塊向ULN2003發(fā)送控制指令，功率芯片ULN2003將控制指令進(jìn)行功率放大， 驅(qū)動大功率接觸器來完成配電；它根據(jù)CPU中央處理模塊的控制指令，驅(qū)動控制相應(yīng)的大 功率接觸器來完成對匯流條等大功率用電負(fù)載的配電控制。
所述通訊模塊，它是由傳統(tǒng)的RS-422和MIL-1553B芯片組成通訊模塊電路。本三 余度電氣負(fù)載管理中心通過該模塊完成三方面功能1.與上位機(jī)通訊，接收上位機(jī)發(fā)送的 控制指令，同時向上位機(jī)發(fā)送電力匯流條和負(fù)載的各種狀態(tài)信息；2.完成與固態(tài)功率控制 器(SSPC)的通訊，接收SSPC發(fā)送的各種負(fù)載狀態(tài)信息，向SSPC發(fā)送配電指令；3.完成三 余度電氣負(fù)載管理中心之間的數(shù)據(jù)交換共享。其中，所述CPU中央處理模塊的處理器，為主頻150M Hz的數(shù)字信號處理器。其中，所述同步模塊中的FPGA即現(xiàn)場可編程門陣列主頻100M Hz0其中，所述CCDL模塊的余度監(jiān)控、表決和切換策略是所有電氣負(fù)載管理中心的 余度單元加電工作，當(dāng)主CPU工作正常時，備份CPU不進(jìn)行任何控制，只負(fù)責(zé)監(jiān)視數(shù)據(jù)總線 的消息傳輸，并接受相應(yīng)數(shù)據(jù)；當(dāng)主余度發(fā)生故障時，切換到備份余度工作；當(dāng)故障CPU通 過內(nèi)部自檢測程序確定恢復(fù)正常后，成為備份CPU進(jìn)入比較表決和監(jiān)控模式。
權(quán)利要求
一種無人機(jī)機(jī)載三余度電氣負(fù)載管理中心，其特征在于它以DSP TMS320F2812和FPGA EP2C35F484為核心，實現(xiàn)大型無人機(jī)的自動化配電控制和智能管理功能；它包括CPU中央處理模塊、狀態(tài)量監(jiān)測控制模塊、同步模塊、交叉通道數(shù)據(jù)鏈即CCDL模塊、模擬量采集調(diào)理模塊、驅(qū)動控制模塊、通訊模塊和電源模塊八部分；它們之間的位置連接關(guān)系是該三余度電氣負(fù)載管理中心通過通訊模塊實時接收上位機(jī)系統(tǒng)的控制指令；經(jīng)過同步模塊完成該三余度電氣負(fù)載管理中心程序之間同步；根據(jù)上位機(jī)的控制指令、模擬量采集調(diào)理模塊返回的系統(tǒng)電力匯流條的電壓、電流狀態(tài)，以及狀態(tài)量監(jiān)測控制模塊返回的固態(tài)功率控制器即SSPC的負(fù)載狀態(tài)，求解負(fù)載方程，從而形成不同飛行狀態(tài)下的負(fù)載配電指令；經(jīng)過CCDL模塊的數(shù)據(jù)交換和監(jiān)控表決完成該三余度電氣負(fù)載管理中心之間的切換，由主工作余度的電氣負(fù)載管理中心完成對負(fù)載的配電；同時將采集到的負(fù)載狀態(tài)信息及電力匯流條的電壓、電流信息通過通訊模塊上傳給供電處理機(jī)；所述電源模塊是通過多種DC/DC轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成為滿足電氣負(fù)載管理中心各個模塊需要的穩(wěn)定電源；電源模塊是由XZR05S/24S05、TPS70445、TPS75733、TPS76801芯片組成，電源模塊通過XZR05S/24S05芯片將機(jī)載+28V直流匯流條電壓轉(zhuǎn)換成+5V的直流電源，然后通過TPS70445芯片將+5V的直流電源轉(zhuǎn)換成FPGA需要的+3.3V和+1.2V的直流電源，通過TPS75733芯片將+5V的直流電源轉(zhuǎn)換成DSP需要的+3.3V的直流電源，通過TPS76801芯片將+5V的直流電源轉(zhuǎn)換成DSP需要的+1.2V的直流電源；所述CPU中央處理模塊是負(fù)責(zé)多余度CPU的協(xié)調(diào)工作、狀態(tài)信息的收集、系統(tǒng)指令的控制和執(zhí)行功能；它的結(jié)構(gòu)是通過搭建數(shù)字信號處理器即DSP系統(tǒng)和軟件編程來實現(xiàn)的；它實時通過通訊模塊接收來自上位機(jī)的控制指令，同時接收來自狀態(tài)量監(jiān)測控制模塊反饋的負(fù)載狀態(tài)信息，控制模擬量采集調(diào)理模塊采集電力匯流條的電壓、電流信號，綜合求解負(fù)載方程，形成相應(yīng)負(fù)載的配電指令；CPU中央處理模塊通過中斷服務(wù)子程序?qū)崟r的接收上位機(jī)控制指令，在中斷服務(wù)子程序中，通過在接收的數(shù)據(jù)包的后面增加一個八位的校驗位，判斷接收到的數(shù)據(jù)包是否為有效的控制指令，如果數(shù)據(jù)包為有效的控制指令，則存入DSP中相應(yīng)的控制寄存器，否則舍棄；經(jīng)過同步模塊完成三個余度CPU的同步，通過查詢DSP中相應(yīng)寄存器獲取狀態(tài)量監(jiān)測控制模塊反饋的負(fù)載狀態(tài)信息，根據(jù)負(fù)載方程求解得到負(fù)載的通斷指令，并將其存入配電指令寄存器；所述狀態(tài)量監(jiān)測控制模塊是為CPU中央處理模塊提供無人機(jī)電氣系統(tǒng)平臺監(jiān)控的軟件模塊，它的結(jié)構(gòu)是通過DSP軟件編程來實現(xiàn)的，DSP根據(jù)SSPC的通訊協(xié)議向SSPC發(fā)送控制指令數(shù)據(jù)包來使SSPC完成對負(fù)載信號的采集及負(fù)載狀態(tài)信息的上傳；該模塊一方面完成對固態(tài)功率控制器SSPC所有負(fù)載狀態(tài)信息的采集，根據(jù)CPU中央處理模塊的配電指令控制相應(yīng)的SSPC動作，并檢測SSPC的狀態(tài)反饋，從而實現(xiàn)電氣負(fù)載管理中心的配電功能；另一方面，將獲得的各種負(fù)載狀態(tài)信息反饋給CPU中央處理模塊和上位機(jī)，利用這些狀態(tài)信息進(jìn)行機(jī)內(nèi)測試即BIT和故障診斷；如果完成配電的SSPC出現(xiàn)故障，則切換到備份SSPC來完成配電；所述同步模塊是由DSP中的同步算法和FPGA中的同步算法構(gòu)成，它的結(jié)構(gòu)是通過在DSP中編寫同步算法并經(jīng)過DSP的數(shù)字I/O口和FPGA器件來實現(xiàn)的；在DSP中，同步算法判斷此次同步是否為三余度DSP的第一次同步，如果為第一次同步，同步模塊設(shè)置同步等待時間為0.5s，否則設(shè)置同步等待時間為100us；禁止DSP中所有的中斷服務(wù)子程序；DSP通過數(shù)字I/O口DO向FPGA發(fā)送高電平同步信號，進(jìn)入同步循環(huán)程序，同時檢測同步等待次數(shù)是否超過限定值，如果同步次數(shù)超過限定值則跳出同步循環(huán)，失步次數(shù)加一，重新開始同步，否則同步等待次數(shù)加一；同步模塊檢測FPGA是否向DSP的I/O口DI發(fā)送高電平的反饋信號，如果DSP收到FPGA發(fā)送的高電平信號，則表示第一次握手成功，否則表示此次同步失敗，重新開始同步；DSP在第一次握手成功后，再次向FPGA發(fā)送高電平的同步信號，同時檢測FPGA反饋的高電平信號，如果第二次握手成功，則同步標(biāo)志位置位，退出同步循環(huán)，否則表示此次同步失敗，重新開始同步；跳出同步循環(huán)后，使能中斷服務(wù)子程序；檢測同步標(biāo)志位，如果置位，表示三余度DSP同步成功，失步計數(shù)器清零，同步程序結(jié)束，否則判斷失步次數(shù)，如果失步次數(shù)大于5次，表示該余度DSP故障，重新啟動該余度DSP；在FPGA中，同步算法實時等待三余度DSP發(fā)送的同步高電平信號，如果收到三個余度DSP的同步高電平信號，則FPGA向三個余度DSP同步發(fā)送反饋高電平信號，表示同步成功；如果收到二個余度DSP的同步高電平信號，則FPGA向這兩個余度DSP發(fā)送反饋高電平信號，表示這兩個余度同步成功；如果只收到一個余度DSP的同步高電平信號，則表示三余度DSP同步失敗，F(xiàn)PGA不向任何余度DSP反饋信號；所述CCDL模塊包括余度數(shù)據(jù)監(jiān)控、余度數(shù)據(jù)表決和余度切換三個部分；CCDL模塊的結(jié)構(gòu)是通過在FPGA中編寫余度數(shù)據(jù)監(jiān)控算法、余度數(shù)據(jù)表決算法和余度切換算法來實現(xiàn)的；余度數(shù)據(jù)監(jiān)控算法利用DSP與FPGA之間的數(shù)據(jù)總線和地址總線，將三個余度DSP發(fā)送的負(fù)載狀態(tài)信息和配電指令依次存入相應(yīng)的寄存器中，以實現(xiàn)三余度DSP數(shù)據(jù)的共享；余度數(shù)據(jù)表決算法通過查詢相應(yīng)寄存器獲得三余度DSP共享的數(shù)據(jù)，比較三個余度DSP的數(shù)據(jù)是否相同；如果三個余度DSP的數(shù)據(jù)相同，余度切換算法根據(jù)三個余度DSP的優(yōu)先級切換到A通道，由A通道的DSP最終完成對負(fù)載配電；如果有兩個余度DSP的數(shù)據(jù)相同，假如是A通道和B通道的DSP數(shù)據(jù)相同，則余度切換算法根據(jù)兩個余度DSP的優(yōu)先級切換到A通道，由A通道DSP最終完成對負(fù)載配電，同時余度切換算法令故障余度C通道DSP重新啟動，進(jìn)入下一輪的余度數(shù)據(jù)表決，如果下一輪的余度數(shù)據(jù)表決C通道DSP依然故障則徹底屏蔽次通道，否則恢復(fù)正常；如果三個余度DSP數(shù)據(jù)都不相同，余度切換算法根據(jù)三個余度DSP的優(yōu)先級選擇高優(yōu)先級的A通道完成對負(fù)載的配電；當(dāng)三個余度中有一個余度被徹底屏蔽之后，余度切換算法降級工作，即當(dāng)兩個余度DSP數(shù)據(jù)相同的時候，選擇高優(yōu)先級的通道完成對負(fù)載的配電，當(dāng)兩個余度DSP數(shù)據(jù)不相同的時候，依然選擇高優(yōu)先級的通道完成對負(fù)載的配電；所述模擬量采集與調(diào)理模塊，它是由典型運放電壓采集電路、霍爾電流互感器HX10 P、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7865組成的，通過采集和調(diào)理的信號量通過IO數(shù)據(jù)線傳送給DSP器件處理；其間的位置連接關(guān)系是運放電壓采集電路采集電力匯流條的電壓信號，霍爾電流互感器采集電力匯流條的電流信號，經(jīng)過調(diào)理電路送到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；它根據(jù)CPU中央處理模塊的控制指令采集相應(yīng)電力匯流條的電壓、電流信號，并經(jīng)過調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，把系統(tǒng)級和設(shè)備的狀態(tài)信息傳送到CPU中央處理模塊進(jìn)行故障診斷和處理；所述驅(qū)動控制模塊，它是由ULN2003功率驅(qū)動芯片構(gòu)成；其間的位置連接關(guān)系是CPU中央處理模塊向ULN2003發(fā)送控制指令，功率芯片ULN2003將控制指令進(jìn)行功率放大，驅(qū)動大功率接觸器來完成配電；它根據(jù)CPU中央處理模塊的控制指令，驅(qū)動控制相應(yīng)的大功率接觸器來完成對匯流條等大功率用電負(fù)載的配電控制；所述通訊模塊，它是由MAXIM公司的RS 422串行總線通訊芯片MAXIM3160完成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無人機(jī)機(jī)載三余度電氣負(fù)載管理中心，其特征在于該 CPU中央處理模塊的處理器為主頻至少150M Hz的數(shù)字信號處理器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無人機(jī)機(jī)載三余度電氣負(fù)載管理中心，其特征在于該 同步模塊中的FPGA即現(xiàn)場可編程門陣列主頻至少100M Hz0
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無人機(jī)機(jī)載三余度電氣負(fù)載管理中心，其特征在于該 CCDL模塊的余度監(jiān)控、表決和切換策略是所有電氣負(fù)載管理中心的余度單元加電工作， 當(dāng)主CPU工作正常時，備份CPU不進(jìn)行任何控制，只負(fù)責(zé)監(jiān)視數(shù)據(jù)總線的消息傳輸，并接受 相應(yīng)數(shù)據(jù)；當(dāng)主余度發(fā)生故障時，切換到備份余度工作；當(dāng)故障CPU通過內(nèi)部自檢測程序確 定恢復(fù)正常后，成為備份CPU進(jìn)入比較表決和監(jiān)控模式。
全文摘要
一種無人機(jī)機(jī)載三余度電氣負(fù)載管理中心，它包括CPU中央處理模塊、狀態(tài)量監(jiān)測控制模塊、同步模塊、CCDL模塊、模擬量采集調(diào)理模塊、驅(qū)動控制模塊、通訊模塊和電源模塊八部分。該三余度電氣負(fù)載管理中心通過通訊模塊接收上位機(jī)的控制指令；經(jīng)過同步模塊完成程序之間同步；根據(jù)上位機(jī)的控制指令、模擬量采集調(diào)理模塊返回的系統(tǒng)電力匯流條的電壓電流狀態(tài)，以及狀態(tài)量監(jiān)測控制模塊返回的SSPC的負(fù)載狀態(tài)，求解負(fù)載方程，從而形成無人機(jī)不同飛行狀態(tài)下的負(fù)載配電指令；經(jīng)過CCDL模塊的數(shù)據(jù)交換和監(jiān)控表決完成該管理中心之間的切換，由主工作余度的電氣負(fù)載管理中心完成對負(fù)載的配電；本發(fā)明在航空電氣系統(tǒng)和無人機(jī)技術(shù)領(lǐng)域里具有實用價值和廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號G05B19/418GK101916090SQ20101023115
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月14日
發(fā)明者刑偉, 張秦嶺, 徐金全, 郭宏 申請人:北京航空航天大學(xué)