基于MCU的機(jī)載通用健康管理單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：綜合化架構(gòu)下，航空電子系統(tǒng)內(nèi)部的模塊設(shè)計(jì)復(fù)雜度、集成度顯著提高，需要專(zhuān)用電路進(jìn)行模塊級(jí)健康管理[1]。該研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于MCU的機(jī)載通用健康管理單元，可以采集系統(tǒng)內(nèi)不同類(lèi)型模塊的健康信息，并通過(guò)CAN總線完成數(shù)據(jù)傳輸和上報(bào)，實(shí)現(xiàn)了模塊狀態(tài)的有效監(jiān)控。項(xiàng)目驗(yàn)證表明，該健康管理單元運(yùn)行穩(wěn)定，工作可靠，通用性強(qiáng)，具有良好的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：健康管理；MCU；機(jī)載平臺(tái)；通用設(shè)計(jì)；CAN總線

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277；TP315文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）20-0112-03

0引言

當(dāng)前機(jī)載航空電子系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)硬件設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、綜合化、小型化提出了更高的要求，高性能、高集成度的硬件電路在提升產(chǎn)品性能的同時(shí)，也引入了故障率提升、故障綜合性強(qiáng)、復(fù)雜度高、定位困難等問(wèn)題[2]。如何更準(zhǔn)確、更穩(wěn)定地監(jiān)控和管理設(shè)備的工作狀態(tài)是機(jī)載平臺(tái)健康管理領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)之一[3]。

航空電子設(shè)備內(nèi)部通常包含若干個(gè)功能模塊，這些模塊在架構(gòu)、功能和核心指標(biāo)上均有較大差異。系統(tǒng)在進(jìn)行模塊級(jí)健康管理電路設(shè)計(jì)時(shí)，要先經(jīng)過(guò)收集系統(tǒng)內(nèi)各模塊硬件上報(bào)能力、擬制系統(tǒng)級(jí)健康管理軟件協(xié)議要求兩個(gè)步驟，之后設(shè)計(jì)方根據(jù)各自的設(shè)計(jì)習(xí)慣開(kāi)展相應(yīng)的軟、硬件設(shè)計(jì)，這就導(dǎo)致同一系統(tǒng)內(nèi)部的健康管理電路設(shè)計(jì)在核心器件選型、軟件架構(gòu)上樣式不一，通用性差，設(shè)計(jì)和維護(hù)成本高，且前期擬制軟件協(xié)議的周期長(zhǎng)。另一方面，各設(shè)計(jì)單位對(duì)設(shè)計(jì)要求理解的偏差會(huì)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中引入個(gè)性化錯(cuò)誤，容易出現(xiàn)單模塊調(diào)試時(shí)健康管理功能驗(yàn)證均正常，接入系統(tǒng)后卻無(wú)法正常工作，甚至影響系統(tǒng)運(yùn)行的情況，排查起來(lái)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

基于以上分析，本文提出一種基于MCU的通用健康管理單元設(shè)計(jì)方案，旨在提高模塊級(jí)健康管理的效率和可靠性，并降低設(shè)計(jì)和維護(hù)成本。

1總體設(shè)計(jì)思路

為保證健康管理功能不會(huì)影響系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)運(yùn)行，通常會(huì)設(shè)計(jì)專(zhuān)用的高速系統(tǒng)總線和低速維護(hù)總線[4]。圖1為某機(jī)載通信系統(tǒng)總線架構(gòu)框圖，該系統(tǒng)由一個(gè)主控模塊和若干個(gè)功能模塊組成，以RapidIO總線作為系統(tǒng)總線實(shí)現(xiàn)模塊組網(wǎng)，該總線具有帶寬大、延遲低、效率高等特點(diǎn)，支持各功能模塊以最高6.25Gbps的線速率進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；而CAN傳輸速率最高可達(dá)1Mbps，實(shí)時(shí)性強(qiáng)、應(yīng)用成熟、穩(wěn)定度高，滿足維護(hù)總線的使用要求。

考慮電路的統(tǒng)一性和通用性，健康管理單元應(yīng)能夠覆蓋模塊硬件電路的常見(jiàn)測(cè)試要素，既可以采集核心器件的溫度、供電電壓和狀態(tài)指示信息，也能夠通過(guò)內(nèi)部串口通信對(duì)相對(duì)復(fù)雜的由多芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)上報(bào)。

MCU集成了處理器核心和多種外設(shè)接口，適用于數(shù)模混合應(yīng)用場(chǎng)景，可有效降低系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。

基于MCU設(shè)計(jì)的健康管理單元原理框圖如圖2所示，采用一片MCU芯片作為管理核心，搭配少量外圍電路，可靈活部署在不同模塊中。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，主控模塊作為CAN總線主節(jié)點(diǎn)，功能模塊作為CAN總線從節(jié)點(diǎn)，各模塊內(nèi)的健康管理單元負(fù)責(zé)收集各自的健康信息，主控模塊內(nèi)的健康管理單元?jiǎng)t可以通過(guò)CAN總線對(duì)所有信息進(jìn)行收集和匯總，并通過(guò)SPI接口上報(bào)核心處理器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控、仲裁和管理。

2健康管理單元硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)選用的MCU芯片架構(gòu)框圖如圖3所示，其采用高性能32位ARMCortex?-M4F內(nèi)核，集成浮點(diǎn)運(yùn)算單元和數(shù)字信號(hào)處理，支持并行計(jì)算指令，主頻最高144MHz，同時(shí)自帶I2C、UART、SPI、GPIO、ADC采樣和CAN總線等外設(shè)接口，這些接口可直接用于采集模塊信息，使用靈活方便。在此基礎(chǔ)上，只需要額外一路3.3V/600mA電壓用于單元供電，一片晶振作為工作時(shí)鐘，一片F(xiàn)LASH芯片用作程序存儲(chǔ)、外加兩片CAN接口芯片和溫度傳感器芯片，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)健康管理單元的正常運(yùn)行。與采用DSP芯片、可編程邏輯器件或CPU芯片進(jìn)行健康管理相比，采用MCU芯片極大簡(jiǎn)化了健康管理單元的電路復(fù)雜度，電路體積更小，功耗更低，資源浪費(fèi)更少，安全性能更高，通用特性更好，硬件成本上能夠降低30%以上。

3健康管理軟件設(shè)計(jì)

MCU芯片上運(yùn)行一套基于RT-ThreadNano嵌入式操作系統(tǒng)（界面顯示見(jiàn)圖4所示）的通用健康管理軟件，對(duì)硬件電路采集到的數(shù)據(jù)、信息作進(jìn)一步處理，健康管理軟件架構(gòu)示意圖見(jiàn)圖5所示，包括BSP、操作系統(tǒng)、接口驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用層4個(gè)層級(jí)。

1）BSP層：底層板級(jí)支持包，提供加電引導(dǎo)、內(nèi)核架構(gòu)與接口驅(qū)動(dòng)固件庫(kù)等功能。

2）操作系統(tǒng)層：提供MCU程序運(yùn)行管理所需要的任務(wù)調(diào)度、同步機(jī)制、中斷處理等基本功能，同時(shí)支持精簡(jiǎn)shell，為軟件調(diào)試提供便利。

3）驅(qū)動(dòng)層：提供健康管理功能涉及的內(nèi)外部驅(qū)動(dòng)，包含I2C、SPI、ADC、UART、GPIO、MARK、CAN、FLASH等接口，是軟、硬件數(shù)據(jù)交互的橋梁。

4）應(yīng)用層：實(shí)現(xiàn)健康管理單元的核心業(yè)務(wù)需求，包括BIT信息的查詢(xún)和上報(bào)，電子標(biāo)簽信息的查詢(xún)和上報(bào)、維護(hù)日志的接收和存儲(chǔ)，默認(rèn)參數(shù)的下發(fā)與查詢(xún)，CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)，程序在線升級(jí)等功能。

采用CAN2.0B擴(kuò)展幀定義CAN通信報(bào)文，報(bào)文格式見(jiàn)表1。該報(bào)文前5個(gè)byte為CAN總線傳輸層幀頭，其中ID10-ID0和EID17-EID0共29個(gè)bit標(biāo)識(shí)符用于傳輸層通信協(xié)議信息的字段定義，其他bit位為CAN2.0B擴(kuò)展幀定義相關(guān)字段；后8個(gè)byte屬于應(yīng)用層協(xié)議報(bào)文，報(bào)文內(nèi)容按照健康管理單元的最大采集能力進(jìn)行擬制，具有良好的通用性和可擴(kuò)展性，可以實(shí)現(xiàn)協(xié)議格式和協(xié)議內(nèi)容統(tǒng)一，有效減少各模塊在開(kāi)發(fā)健康管理軟件時(shí)引入的錯(cuò)誤，提高了程序運(yùn)行的穩(wěn)定性。健康管理軟件在運(yùn)行時(shí)可根據(jù)其所在模塊的MARK地址區(qū)分CAN總線ID，既可將來(lái)自CAN總線主控節(jié)點(diǎn)的控制指令分發(fā)給各從節(jié)點(diǎn)，也可將各從節(jié)點(diǎn)的消息內(nèi)容通過(guò)CAN總線上報(bào)給主控節(jié)點(diǎn)。

4應(yīng)用實(shí)例

以某系統(tǒng)內(nèi)主控模塊為例，該模塊由電源、CPU處理器、FPGA、交換芯片、健康管理單元、1394子卡和FC子卡等組成，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)、外部數(shù)據(jù)交互和控制的核心。對(duì)模塊內(nèi)部的健康管理需求統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

該健康管理單元能夠覆蓋主控模塊的監(jiān)測(cè)需求，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，主控模塊的健康管理單元通過(guò)CAN總線以周期查詢(xún)方式對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行狀態(tài)查詢(xún)和信息收集，并通過(guò)SPI接口上報(bào)CPU處理器，由其統(tǒng)一進(jìn)行故障診斷隔離、維護(hù)自檢管理和構(gòu)型管理[5]。同時(shí)系統(tǒng)也可以通過(guò)MCU的調(diào)試串口或上位機(jī)查詢(xún)各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的健康信息、電子標(biāo)簽等，有利于對(duì)系統(tǒng)異常或故障進(jìn)行初步定位，主控模塊的查詢(xún)結(jié)果見(jiàn)圖6和圖7所示。

5結(jié)論

本文介紹了一種基于MCU的機(jī)載通用健康管理單元的軟、硬件設(shè)計(jì)，其豐富的外設(shè)資源能夠滿足航空電子設(shè)備中的模塊級(jí)健康管理要求，同時(shí)以通用化、小型化和低成本的設(shè)計(jì)思想提升了產(chǎn)品的可靠性、可控性和經(jīng)濟(jì)性。在某機(jī)載通信系統(tǒng)中廣泛部署了該管理單元，聯(lián)試過(guò)程中，該單元運(yùn)行穩(wěn)定，為監(jiān)控模塊狀態(tài)和故障定位提供了有效支撐，可在相似機(jī)載平臺(tái)中進(jìn)行推廣和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]阮天翔，楊玻，宮婷，等.基于MCU的機(jī)載電子設(shè)備健康管理系統(tǒng)[J].信息技術(shù)與信息化，2023（4）：145-148.

[2]邱凱強(qiáng)，王軒，包文帆.基于FT2000/4處理器的健康管理硬件設(shè)計(jì)[J].電子制作，2023，31（14）：7-9.

[3]張雷，李志棟，孫波.航天器健康管理平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2019，27（10）：5-7.

[4]雷宇宏，李鍵，劉軍偉.一種基于SPI接口實(shí)現(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)健康管理電路的方法與研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2018，14（7）：216-217，222.

[5]王娟，張崇剛.航空電子設(shè)備健康管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)試，2017（11）：86-87.

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