淺談冗余飛控系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

孫剛

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

飛控系統(tǒng)用于提高直升機(jī)飛行的穩(wěn)定性并減輕飛行員的負(fù)擔(dān)，通過(guò)硬件余度配置和軟件的相應(yīng)余度設(shè)計(jì)提高飛控系統(tǒng)的可靠性。本文設(shè)計(jì)了可使用于多余度硬件配置的冗余飛控系統(tǒng)的軟件架構(gòu)。

1 硬件配置

對(duì)于冗余飛控系統(tǒng)，硬件配置包括：傳感器、飛控計(jì)算機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的余度：（1）傳感器的余度：選用多余度傳感器，提供多組直升機(jī)姿態(tài)及操縱信號(hào)，同時(shí)，可引入外圍航電系統(tǒng)的信號(hào)作為飛控的信號(hào)輸入。（2）飛控計(jì)算機(jī)：多余度飛控計(jì)算機(jī)，涉及計(jì)算機(jī)的輸入、輸出的余度，由系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的安全性等級(jí)等確定。（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的余度：涉及到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電氣及機(jī)械的余度。飛行系統(tǒng)軟件駐留和運(yùn)行在飛控計(jì)算機(jī)中，在多余度飛控計(jì)算機(jī)中同時(shí)運(yùn)行，在系統(tǒng)軟件的架構(gòu)需要保證在多余度硬件的同步和一致性，由周期觸發(fā)的多余度間時(shí)鐘同步來(lái)保證，而軟件運(yùn)行的一致性需保證傳感器信號(hào)選擇，檢測(cè)的系統(tǒng)內(nèi)部的故障等都需進(jìn)行交叉?zhèn)鬏敚袆e故障類(lèi)型，進(jìn)行相應(yīng)的故障隔離和處理，保證多余度硬件中的軟件運(yùn)行的一致性。

2 功能劃分

飛控系統(tǒng)軟件按功能可劃分為硬件驅(qū)動(dòng)功能、飛行控制功能、BIT功能。硬件驅(qū)動(dòng)功能：對(duì)于飛控計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)，軟件需要設(shè)備驅(qū)動(dòng)來(lái)調(diào)度和管理硬件資源，包括加電引導(dǎo)、中斷管理、接口板卡驅(qū)動(dòng)(散量接口板、模擬量接口板、數(shù)字量接口板)、通道數(shù)據(jù)傳輸驅(qū)動(dòng)、存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)等。在飛控計(jì)算機(jī)接通電源后，完成計(jì)算機(jī)相關(guān)硬件電路模塊資源的初始化、加電狀態(tài)的識(shí)別及系統(tǒng)工作方式的選擇，并引導(dǎo)操作系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件的執(zhí)行，系統(tǒng)軟件在運(yùn)行中處理和存儲(chǔ)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并調(diào)用驅(qū)動(dòng)功能輸入和輸出相應(yīng)的信號(hào)。飛行控制功能是系統(tǒng)應(yīng)用軟件的核心，負(fù)責(zé)控制信息的處理。按照功能的細(xì)分為不同的任務(wù)，主要包括系統(tǒng)管理任務(wù)和周期任務(wù)。

（1）系統(tǒng)管理任務(wù)：控制軟件運(yùn)行不同的功能模式。一般包括正常的控制模式，PBIT模式、MBIT模式等。

（2）周期任務(wù)在正常控制模式下運(yùn)行，包含以下功能點(diǎn)：①數(shù)據(jù)采集，從各接口板卡更新數(shù)據(jù)。②狀態(tài)監(jiān)控：對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的有效性、狀態(tài)和硬件本身的狀態(tài)的監(jiān)控。③信號(hào)表決：依據(jù)監(jiān)控任務(wù)的的結(jié)果對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行表決，依據(jù)信號(hào)表決策略從多余度數(shù)據(jù)中選取合適的數(shù)據(jù)供控制律計(jì)算。④控制結(jié)算任務(wù)：控制律計(jì)算直升機(jī)需要的信號(hào)，來(lái)控制直升機(jī)達(dá)到預(yù)期的響應(yīng)。⑤輸出表決：對(duì)不同余度計(jì)算的控制輸出進(jìn)行表決，選取合適的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。

BIT功能用于檢測(cè)飛控系統(tǒng)的內(nèi)部各部件的狀態(tài)和外部傳感器的信號(hào)，分為PBIT、PUBIT、MBIT、IFBIT。①PUBIT：上電自檢測(cè)。飛控系統(tǒng)內(nèi)各部件上電后所做的檢測(cè)，檢測(cè)各部件上電后的運(yùn)行狀態(tài)是否正常，并將檢測(cè)結(jié)果上報(bào)給飛控計(jì)算機(jī)。②PBIT：飛行前自檢測(cè)。飛控系統(tǒng)在飛行前所做的檢測(cè)，檢測(cè)系統(tǒng)及部件是否具備飛行的功能。③MBIT：維護(hù)自檢測(cè)。飛控系統(tǒng)在地面所做的檢測(cè)，用于測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)。④IFBIT：飛行中自檢測(cè)。在飛行中飛控系統(tǒng)所做的檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，需斷開(kāi)與該故障相關(guān)聯(lián)的功能。

3 運(yùn)行

系統(tǒng)應(yīng)用軟件的運(yùn)行需要考慮執(zhí)行周期和優(yōu)先級(jí)。周期運(yùn)行依賴(lài)硬件時(shí)鐘或中斷，由高精度的時(shí)間寄存器硬件來(lái)確定，保證周期的準(zhǔn)確度。由于多余度的硬件存在的時(shí)鐘漂移和差異，在軟件的周期運(yùn)行開(kāi)始后還需進(jìn)行余度間的同步，同時(shí)，每個(gè)周期也需進(jìn)行同步確保軟件運(yùn)行的一致性。軟件運(yùn)行的確定性是由軟件的周期執(zhí)行，在同一時(shí)刻的時(shí)間門(mén)限內(nèi)進(jìn)行相同的執(zhí)行操作。按運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行劃分為1T（T為一個(gè)基本周期）周期任務(wù)、2T周期任務(wù)及后臺(tái)任務(wù)，其執(zhí)行過(guò)程如下圖所示。在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要考慮各任務(wù)的速率周期，在同一速率組中進(jìn)行優(yōu)先級(jí)的設(shè)計(jì)。在周期任務(wù)的運(yùn)行中，盡量避免后臺(tái)任務(wù)等的交叉運(yùn)行，會(huì)破壞軟件運(yùn)行的確定性。

圖1

在運(yùn)行中還需考慮軟件的數(shù)據(jù)流，周期任務(wù)組產(chǎn)生傳感器輸入數(shù)據(jù)和監(jiān)控狀態(tài)數(shù)據(jù)的更新，在每個(gè)功能模塊中處理內(nèi)部數(shù)據(jù)。多余度需要考慮的是每個(gè)余度模塊軟件運(yùn)行的內(nèi)部數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行交叉?zhèn)鬏敗⒚總€(gè)余度的內(nèi)部監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行交叉?zhèn)鬏敚瑑?nèi)部監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包括本余度采集傳感器監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、本余度硬件狀態(tài)數(shù)據(jù)，來(lái)保證每個(gè)余度間運(yùn)行的狀態(tài)一致。在多余度硬件配置中涉及多余度數(shù)據(jù)表決。在本余度及其他余度產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不一致時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)表決，對(duì)產(chǎn)生故障的情況要考慮到多數(shù)服從少數(shù)的表決原則。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以多余度硬件配置的冗余飛控系統(tǒng)為軟件的運(yùn)行環(huán)境，軟件架構(gòu)以功能和運(yùn)行狀態(tài)的設(shè)計(jì)為主要的內(nèi)容。該軟件架構(gòu)已應(yīng)用在飛控系統(tǒng)產(chǎn)品中，結(jié)果表明，能有效的管理和協(xié)調(diào)系統(tǒng)的余度，提升飛控系統(tǒng)的可靠性。