基于RTOS的无人机发动机数控系统软件设计

0 引言

　　无人机在现代战争中发挥越来越重要的作用，鼹到各军事天送重视并大力辨展研发，其中态空毫速喷气无人枧蹙发展重点，我鏊遥年来氇魏大该方瑟磅究。垂手无入撬豹矮震特点，疆求其喷气动力的控制系统可靠弗鼠能实现无人亿操纵，其中发动机控制最好深用数控系统。

　　随着电子技术的发展和发动机数控系统的研发，数控系统硬件已基本成熟，软件设计成为整个系统豹研发的重点。传统基于DOS的编程方法，程序代码冗长，不易升级维护，兼容性差，修改调试困难。

　　近年来，实时操作系统(RTOS)在军用电子控制装置中得到广泛应用，如美国的F16、FA-18战斗机、B2隐形轰炸机及爱国者导弹的控制系统均采用了VxWorks寅时操作系统秘。国内无入巍飞控系统设计方嚣采强实爵操{誊系统已瘸子工程实际，在发动税控裁方_霹也拜震了相应耱研究，僵未觅工程验证报道。

　　本文针对某光人机用单转予涡喷发动机数控系统要求及现有电子控制器硬件结构，进行基于嵌入式操作系统VxWorks豹发动撬数控系统软绎设计，并遴褥发动规数控斌率验涯。

1 电子控裁器硬件系统

　　电子控制器原理方框如图1，硬件层采用基于相似余度技术的双通道、双CPU模块化结构，每个通道由采集模块和控制模块组成，通道之间采用UDP网络通讯，控制模块与飞控系统之间采塌RS422串行通讯。系统中，CPU采用486PC／104结构，王终瞬，在每一个羧铡周期秀令通道麓时采集发凌橇转速和T4激度等信号，接收飞控系统传输豹飞行状态(高度、马赫数)和控制任务指令，根据发动机当前工作状态和飞控指令，由设定的控制算法计算所需供油量，两个通道通道UDP网络通讯方式进行数据交叉传输，并通过余度表决逻辑稳出控制信号驱动执行祝梅改变供濑。

图1 电子控制器硬件结构 

　　两个通道同步工作，主通道进行发动机任务的控制，从通道作为热备份通道，当主通道发生故障时，从通道可以随时接替主通道进行控制。

　　系统设计不带机械液压备份，为监控电子控制器工作情况，每个通道设计有模拟电备份电路。当飞控系统监控到两个通道均不正常工作时，可通过模拟电备份通道监控发动机工作状态，及时采取相应的应急措施。

2 系统需求

　　电子控制器是发动机控制的核心单元，根据采集的发动机当前工作状态参数和接收的飞控指令参数对发动机进行循环控制。工作时先加电进行自检和初始化，无故障后进入20ms主控循环，首先双机同步接收飞控指令，然后进行数据采集与处理，控制器依据当前飞控指令，调度相应的控制任务，并根据发动机状态参数(转速、T4温度等)计算当前周期输出控制参数，双通道通讯交叉传输计算结果，计算结果送入表决器进行余度表决，余度控制电路根据表决结果接通相应的控制输出模块，实现对发动机不同工况的控制。

　　发动机控制需调度的任务如图2所示，具体包括主燃油控制、驱动输出控制、地面启动控制、空中启动控制、发动机油封、发动机冷运转。

图2发动机调度任务 

3 系统软件设计

　　基于优先级调度算法的嵌入式实时操作系统(RTOS，Real Time Operation System)，可将复杂任务分解为多个简单任务，在操作系统环境下，用户只需定义各任务模块的优先级别，系统自动保证各模块不冲突并实时运行，目前在航空航天领域得到成功应用。VxWorks是其中最为优秀的软件之一。

　　本系统采用VxWorks操作系统进行发动机电子控制器软件设计，编程平台采用其配套的Tornad02.2开发环境，编程语言采用C语言。

　　3.1 任务模块划分

　　在VxWorks下进行发动机实时控制软件开发，首先需要进行任务模块划分和设计合理的优先级，保证系统软硬件资源得到合理的利用。

　　上述发动机控制任务中，不仅要求双机同步，与飞控的通讯以及双机通讯实现实时数据传输，而且发动机控制器的控制算法必须在给定的控制周期完成。所有任务要求有很强的实时处理性。基于DOS的传统控制软件设计将所有任务安排在一个或几个不同优先级别的中断程序中，任务调度困难，随着任务量增多，各模块有可能冲突，软件的可靠性不能有效保证。

本系统采用Vxworks设计，任务划分基于以下原则：实时性要求严格的任务组成独立的模块；计算量大占用CPU时间多的任务捆绑到一起按时问片轮转方式运行；同步驱动同步完成的任务组成一个模块。结合发动机控制任务要求，将系统软件总体划分为如图3所示的5个模块。系统软件的优先级基于任务越重要，优先级越高的原则进行分配。

图3系统软件总体结构 

3.2 软件设计与实现

　　3.2.1 数据IO模块

　　数据IO模块主要指相关设备驱动程序。系统中PC／104板配置的CPU为X86体系结构，板载网络芯片Intel82559，均为VxWorks给X86级CPU提供的板级支持包所支持，可自动分配合适的硬件接口参数。硬件的行为和特性由内部寄存器控制，系统采用内存映射访问寄存器。

　　3.2.2 余度管理软件模块

　　余度管理模块如图4所示，包括双机同步模块、故障处理模块、交叉传输模块和余度表决模块。双机同步是在两个通道之间建立握手控制标志，当每一个通道完成相应的步骤后自动设置步骤完成标志，同时，查询另一通道任务是否完成，再启动下一功能的任务执行。通过在消息通信时设置同步等待周期，在交换消息的过程中实现同步。同步的工作包括双通道CPU采集数据、控制律计算和同步表决输出数据。

　　主从通道在每一次同步后，进行数据采集，然后将采集的结果传输到对方通道中，并在两个通道中各自进行故障判断。本系统使用的判断方法是将两个通道的结果进行比较，两个通道结果之差超过设定值时认为发生故障，随即调用相应的故障处理模块。

　　电子控制器在硬件上设计为两套独立的系统，控制输出通过表决逻辑执行。在工作过程中，通道A和通道B同时采集发动机参数，在系统内部每个控制周期两个通道通过网络UDP方式互相传输参数并进行逻辑判断，根据判断结果由表决电路选通当前没有故障的通道控制输出，并与飞控计算机进行通讯传参。两个表决逻辑遵守其一优先的原则。