专利名称：一种无人机机载三余度电气负载管理中心的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无人机机载三余度电气负载管理中心，特别是涉及一种基于 “DSP+FPGA”结构的无人机机载三余度电气负载管理中心，它用于大型无人机机载配电系统 中，其技术特点表现为多学科融合，涉及计算机技术、航空电气技术、电力电子技术等方面。 属于航空电气系统技术和无人机系统技术领域。
背景技术：
自20世纪80年代以来，随着计算机技术、通讯技术、控制技术、大功率半导体器件 的发展，数字化、智能化、高可靠性的多电飞机技术成为技术趋势之一。大型无人机属于典 型的、特殊的多电飞机，其特征是广泛采用电作动技术、用电量大、智能化高，需要大功率、 高性能和高可靠的电器系统。其配电系统由供电系统处理机(Power System Processor, PSP)、电气负载管理中心(ELMC)，电源控制器(Power Control Unit，PCU)，发电机控制装置 (Generator Control Unit，GCU)，远程终端(Remote Terminal,RT)组成。而电气负载管理 中心作为配电系统的重要组成部分，其可靠性严重制约着整个大型无人机机载电气系统的 可靠性，而多余度设计、智能化管理等可以有效提高系统和设备可靠性。
发明内容
1、目的本发明的目的是提供一种无人机机载三余度电气负载管理中心，它通过 对适用于无人机电气系统的电气负载管理中心硬件结构以及软件算法的设计创新，使所设 计的三余度电气负载管理中心完成自动化配电控制和智能管理功能，具有可靠性高、响应 速度快、智能化程度高、体积小、质量轻等优点。2、技术方案本发明一种无人机机载三余度电气负载管理中心，它以DSP TMS320F2812和FPGA EP2C35F484为核心，实现大型无人机的自动化配电控制和智能管理 功能。它包括CPU中央处理模块、状态量监测控制模块、同步模块、交叉通道数据链(即 CCDL)模块、模拟量采集调理模块、驱动控制模块、通讯模块和电源模块八个部分。它们之间 的位置连接关系是该三余度电气负载管理中心通过通讯模块实时接收上位机系统的控制 指令；经过同步模块完成该三余度电气负载管理中心程序之间同步；根据上位机的控制指 令、模拟量采集调理模块返回的系统电力汇流条的电压、电流状态，以及状态量监测控制模 块返回的固态功率控制器(即SSPC)的负载状态，求解负载方程，从而形成无人机不同飞行 状态下的负载配电指令；经过CCDL模块的数据交换和监控表决完成该三余度电气负载管 理中心之间的切换，由主工作余度的电气负载管理中心完成对负载的配电；同时将采集到 的负载状态信息及电力汇流条的电压、电流信息通过通讯模块上传给无人机机载供电处理 机(PSP)。所述电源模块完成对整个电气负载管理中心的电能供给。它的主要功能是通过多 种DC/DC转换模块转换成为满足电气负载管理中心各个模块需要的稳定电源。电源模块主 要是由XZR05S/24S05、TPS70445、TPS75733、TPS76801芯片组成，它将机载28V直流电源转换成+5V、+3. 3V和+1. 2V等不同供电体制的直流电源。电源模块通过XZR05S/24S05芯片将机载+28V直流汇流条电压转换成+5V的直流 电源，然后通过TPS70445芯片将+5V的直流电源转换成FPGA需要的+3. 3V和+1. 2V的直 流电源，通过TPS75733芯片将+5V的直流电源转换成DSP需要的+3. 3V的直流电源，通过 TPS76801芯片将+5V的直流电源转换成DSP需要的+1. 2V的直流电源。所述CPU中央处理模块是无人机电气负载管理中心的核心部分，负责多余度CPU 的协调工作、状态信息的收集、系统指令的控制和执行等功能。它的结构是通过搭建数字信 号处理器(DSP)系统和软件编程来实现的；它实时通过通讯模块接收来自上位机的控制指 令，同时接收来自状态量监测控制模块反馈的负载状态信息，控制模拟量采集调理模块采 集电力汇流条的电压、电流信号，综合求解负载方程，形成相应负载的配电指令。CPU中央处理模块通过中断服务子程序实时的接收上位机控制指令，在中断服务 子程序中，通过在接收的数据包的后面增加一个八位的校验位，判断接收到的数据包是否 为有效的控制指令，如果数据包为有效的控制指令，则存入DSP中相应的控制寄存器，否则 舍弃；经过同步模块完成三个余度CPU的同步，通过查询DSP中相应寄存器获取状态量监测 控制模块反馈的负载状态信息，根据负载方程求解得到负载的通断指令，并将其存入配电 指令寄存器。所述状态量监测控制模块是为CPU中央处理模块提供无人机电气系统平台监控 的软件模块。它的结构是通过DSP软件编程来实现的，DSP根据SSPC的通讯协议向SSPC 发送控制指令数据包来使SSPC完成对负载信号的采集及负载状态信息的上传；该模块一 方面完成对固态功率控制器SSPC所有负载状态信息的采集，根据CPU中央处理模块的配电 指令控制相应的SSPC动作，并检测SSPC的状态反馈，从而实现电气负载管理中心的配电功 能。另一方面，将获得的各种负载状态信息反馈给CPU中央处理模块和上位机，利用这些状 态信息进行机内测试(即BIT)和故障诊断。状态量监测控制模块从DSP的控制寄存器中获取控制指令，向SSPC发送符合通讯 协议的控制指令数据包，使SSPC完成对负载信息的采集，SSPC将采集的负载状态信息上传 给状态量监测控制模块，存入DSP中相应的状态寄存器中；状态量监测控制模块从DSP中的 配电指令寄存器中获取CPU中央处理模块计算得到的配电指令，向SSPC发送通断指令，完 成对相应负载的配电控制，通过根据DSP中状态寄存器中的负载信息进行BIT和故障诊断， 如果完成配电的SSPC出现故障，则切换到备份SSPC来完成配电。所述同步模块是该三余度电气负载管理中心特有的模块。它的结构是通过在DSP 中编写同步算法并经过DSP的数字I/O 口和FPGA器件来实现的，每个余度DSP在每个任务 周期的开始通过DSP的数字I/O 口向FPGA发送一个高电平信号，FPGA在规定的时间内(第 一次同步时等待的时间为0.5s，之后的同步等待时间为IOOus)检测三个余度DSP发送的 高电平信号，当接收到两个或三个余度DSP的高电平信号时则FPGA向同步成功的余度DSP 回复一个高电平信号，完成第一次握手，同样的方式完成第二次握手，从而完成三余度电气 负载管理中心的同步；它通过“双握手”的方式，即该三余度电气负载管理中心通过CXDL模 块相互进行同步信号传输，发送同步时钟请求和同步应答信号，执行软件同步算法，并允许 有限的时间偏差，以使输出信号同步。当主电气负载管理中心在设定时间内不响应热备份 余度的同步请求，备份电气负载管理中心优先级高的余度将通过FPGA来完成切换控制。该模块的创新之处在于通过DSP的数字I/O 口传输比传统的总线传送方式的响应速度大大提
尚ο同步模块是由DSP中的同步算法和FPGA中的同步算法构成。在DSP中，同步算法 判断此次同步是否为三余度DSP的第一次同步，如果为第一次同步，同步模块设置同步等 待时间为0. 5s，否则设置同步等待时间为IOOus ；禁止DSP中所有的中断服务子程序；DSP 通过数字I/O 口 DO向FPGA发送高电平同步信号，进入同步循环程序，同时检测同步等待次 数是否超过限定值，如果同步次数超过限定值则跳出同步循环，失步次数加一，重新开始同 步，否则同步等待次数加一；同步模块检测FPGA是否向DSP的I/O 口 DI发送高电平的反馈 信号，如果DSP收到FPGA发送的高电平信号，则表示第一次握手成功，否则表示此次同步失 败，重新开始同步；DSP在第一次握手成功后，再次向FPGA发送高电平的同步信号，同时检 测FPGA反馈的高电平信号，如果第二次握手成功，则同步标志位置位，退出同步循环，否则 表示此次同步失败，重新开始同步；跳出同步循环后，使能中断服务子程序；检测同步标志 位，如果置位，表示三余度DSP同步成功，失步计数器清零，同步程序结束，否则判断失步次 数，如果失步次数大于5次，表示该余度DSP故障，重新启动该余度DSP。在FPGA中，同步算法实时等待三余度DSP发送的同步高电平信号，如果收到三个 余度DSP的同步高电平信号，则FPGA向三个余度DSP同步发送反馈高电平信号，表示同步 成功；如果收到二个余度DSP的同步高电平信号，则FPGA向这两个余度DSP发送反馈高电 平信号，表示这两个余度同步成功；如果只收到一个余度DSP的同步高电平信号，则表示三 余度DSP同步失败，FPGA不向任何余度DSP反馈信号。所述CCDL模块是该三余度电气负载管理中心特有的模块，包括余度数据监控、余 度数据表决和余度切换三个部分。CCDL模块的结构是通过在FPGA中编写余度数据监控、余 度数据表决和余度切换算法来实现的，三余度DSP将上位机控制指令、采集的负载状态信 息及根据负载方程求解得到的配电指令发送给FPGA，FPGA将这些数据分别存入FPGA中相 应的存储单元中，然后对这些数据进行比较，当两个或两个以上的余度DSP的数据相同时， 则FPGA根据三个余度电气负载管理中心的优先级(事先设定好的)向优先级高的余度DSP 发送使能信号，从而完成余度切换。余度数据表决中故障的余度DSP自动重启，进入下一轮 的余度数据表决，如果仍然故障则该余度DSP被彻底隔离，如果恢复正常则该余度DSP优先 级降一级成为备份余度工作；三余度电气负载管理中心首先通过余度数据监控程序交换主 余度和二个备份余度之间的数据，然后经过余度数据表决算法决定三余度电气负载管理中 心的余度切换。余度数据监控主要是完成三余度电气负载管理中心之间数据的交叉传递， 以实现三余度之间数据的共享；余度数据表决根据三余度电气负载管理中心之间共享的数 据经过相应的表决算策略，判断三余度电气负载管理中心工作状态是否正常；余度切换根 据余度数据表决的结果切换到工作状态正常的余度来完成负载的配电，同时根据余度处理 策略重启或屏蔽故障的余度。该模块的创新之处在于CCDL模块在现场可编程门阵列中(即 FPGA)利用VHDL语言编写基于硬件逻辑电路实现的表决算法来实现，这种基于硬件逻辑电 路实现的余度监控表决方式比传统的基于软件算法实现的监控表决方式具有更高的可靠 性、更快的响应速度。余度数据监控算法利用DSP与FPGA之间的数据总线和地址总线，将三个余度DSP 发送的负载状态信息和配电指令依次存入相应的寄存器中，以实现三余度DSP数据的共享；余度数据表决算法通过查询相应寄存器获得三余度DSP共享的数据，比较三个余度DSP 的数据是否相同(假设三个余度DSP通道分别为A、B、C，优先级从高到低依次为A > B > C)。如果三个余度DSP的数据相同，余度切换算法根据三个余度DSP的优先级切换到A通 道，由A通道的DSP最终完成对负载配电；如果有两个余度DSP的数据相同，假如是A通道和 B通道的DSP数据相同，则余度切换算法根据两个余度DSP的优先级切换到A通道，由A通 道DSP最终完成对负载配电，同时余度切换算法令故障余度C通道DSP重新启动，进入下一 轮的余度数据表决，如果下一轮的余度数据表决C通道DSP依然故障则彻底屏蔽次通道，否 则恢复正常；如果三个余度DSP数据都不相同，余度切换算法根据三个余度DSP的优先级选 择高优先级的A通道完成对负载的配电。当三个余度中有一个余度被彻底屏蔽之后，余度 切换算法降级工作，即当两个余度DSP数据相同的时候，选择高优先级的通道完成对负载 的配电，当两个余度DSP数据不相同的时候，依然选择高优先级的通道完成对负载的配电。所述模拟量采集与调理模块，它主要是由典型运放电压采集电路、霍尔电流互感 器HX10-P、模数转换芯片AD7865组成的，通过采集和调理的信号量通过IO数据线传送给 DSP器件处理；其间的位置连接关系是运放电压采集电路采集电力汇流条的电压信号，霍 尔电流互感器采集电力汇流条的电流信号，经过调理电路送到模数转换芯片进行模数转 换。它根据CPU中央处理模块的控制指令采集相应电力汇流条的电压、电流信号，并经过调 理电路和模数转换电路，把系统级和设备的状态信息传送到CPU中央处理模块进行故障诊 断和处理。所述驱动控制模块，它是由ULN2003功率驱动芯片构成；其间的位置连接关系是 CPU中央处理模块向ULN2003发送控制指令，功率芯片ULN2003将控制指令进行功率放大， 驱动大功率接触器来完成配电。它根据CPU中央处理模块的控制指令，驱动控制相应的大 功率接触器来完成对汇流条等大功率用电负载的配电控制。所述通讯模块，它是由MAXIM公司的RS-422串行总线通讯芯片MAXIM3160完成。 本三余度电气负载管理中心通过该模块完成三方面功能1.与上位机通讯，接收上位机发 送的控制指令，同时向上位机发送电力汇流条和负载的各种状态信息；2.完成与固态功率 控制器(SSPC)的通讯，接收SSPC发送的各种负载状态信息，向SSPC发送配电指令；3.完 成三余度电气负载管理中心之间的数据交换共享。其中，所述CPU中央处理模块的处理器，为主频至少150M Hz的数字信号处理器。其中，所述同步模块中的FPGA即现场可编程门阵列主频至少100M Hz0其中，所述CCDL模块的余度监控、表决和切换策略是所有电气负载管理中心的 余度单元加电工作，当主CPU工作正常时，备份CPU不进行任何控制，只负责监视数据总线 的消息传输，并接受相应数据；当主余度发生故障时，切换到备份余度工作；当故障CPU通 过内部自检测程序确定恢复正常后，成为备份CPU进入比较表决和监控模式。本发明一种无人机机载三余度电气负载管理中心的工作原理或流程是该三余度 电气负载管理中心通过通讯模块实时接收无人机机载上位机系统的控制指令；经过同步模 块完成该三余度电气负载管理中心程序之间同步；根据上位机的控制指令、模拟量采集调 理模块返回的系统电力汇流条的电压、电流状态，以及状态量监测控制模块返回的SSPC的 负载状态，求解负载方程，从而形成不同飞行状态下的负载配电指令；经过CCDL模块的数 据交换和监控表决完成该三余度电气负载管理中心之间的切换，由主工作余度的电气负载管理中心完成对负载的配电；同时将采集到的负载状态信息及电力汇流条的电压、电流信 息通过通讯模块上传给供电处理机(PSP)。3、优点及功效本发明是一种基于“DSP+FPGA”结构的无人机机载三余度电气负 载管理中心的创新之处在于(1)在国内首次将三余度计算机智能控制与管理结构设计应用于无人机机载配电 系统设备中。在该系统中，电气负载管理中心的所有余度单元加电工作，当主CPU工作正常 时，备份CPU不进行任何控制，只负责监视数据总线的消息传输，并接受相应数据；当主余 度发生故障时，切换到备份余度工作；当故障CPU通过内部自检测程序确定恢复正常后，成 为备份CPU进入比较表决和监控模式。这种结构自动化程度高，处理机在切换前后工作一 致性好，任务可靠性大大提高；(2)三余度电气负载管理中心的余度监控、表决与切换控制在FPGA(现场可编程 门阵列)中实现，大大提高了电气负载管理中心余度故障的处理速度；(3)建立了适用于无人机电气系统的状态量监测控制模块和模拟量采集调理模 块，可以有效提高系统的检测能力和故障诊断准确性；(4)该电气负载管理中心特别适合用于大型无人机的集散式配电系统，为机内各 种用电负载提高满足其需要的电源。智能电气负载管理中心代替飞行员的全部操作，按照 设定方式自动控制和管理负载，实现飞机的智能配电、余度控制及故障处理，极大的提高大 型无人机配电系统的可靠性、可维修性和使用寿命；当无人机出现故障时，按照设定的控制 策略进行容错处理，提高大型无人机在有限的功率下安全返航的概率。本发明通过对电气负载管理中心硬件结构及软件结构的设计创新，使应用于无人 机电气系统的三余度智能电气负载管理中心具有高可靠性、快响应速度、体积小、质量轻的 优点。该电气负载管理中心与高性能的供电系统处理机配合，可以实现对机载用电设备的 智能化管理，可以用于高可靠性机载配电系统。
图1是本发明的整体结构示意图；图2是本发明电源模块的结构示意图；图3是本发明的主程序软件流程示意图；图4是本发明的主程序流程图中断服务子程序的示意图；图5是本发明同步程序在DSP中的算法示意图；图6是本发明同步程序在FPGA中的算法示意图；图7是本发明的CXDL通讯示意图。图中符号说明如下图中A、B、C表示三余度DSP中的三个余度分别为A余度、B余度和C余度；图中M表示图中两个M处的连线是连接在一起的；图中T表示图中两个T处的连线是连接在一起的；图中PSP表示供电处理机；
图中DSP表示数字信号处理器；
图中CXDL表示交叉通道数据链；
图中SSPC表示固态功率控制器。 具体实施例方式见图1，本发明一种无人机机载三余度电气负载管理中心，以DSP TMS320F2812和 FPGAEP2C35F484为核心，它包括CPU中央处理模块、状态量监测控制模块、同步模块、CXDL 模块、模拟量采集调理模块、驱动控制模块、通讯模块和电源模块八个部分。见图3和图4， 该三余度电气负载管理中心利用DSP TMS320F2812的中断服务子程序实时接收上位机的控 制指令，并实时的更新上位机指令寄存器；经过DSP中的同步算法完成该三余度电气负载 管理中心程序之间同步；根据中断服务子程序接收的上位机控制指令、模拟量采集调理模 块返回的系统电力汇流条的电压、电流状态，及其状态量监测控制模块返回的SSPC的负载 状态，求解负载方程，从而形成不同飞行状态下的负载配电指令；经过FPGA EP2C35F484中 的数据交换、监控表决和余度切换算法完成该三余度电气负载管理中心之间的切换，并由 主余度电气负载管理中心中余度管理算法完成对负载的智能配电并将采集到的负载状态 信息及电力汇流条的电压、电流信息上传给上位机。见图2，所述电源模块完成对整个电气负载管理中心的电能供给。它的主要功能是 通过多种DC/DC转换模块转换成为满足电气负载管理中心各个模块需要的稳定电源。电源 模块主要是由XZR05S/24S05、TPS70445、TPS75733、TPS76801芯片组成，它将机载28V直流 电源转换成+5V、+3. 3V和+1. 2V等不同供电体制的直流电源。电源模块通过XZR05S/24S05芯片将机载+28V直流汇流条电压转换成+5V的直流 电源，然后通过TPS70445芯片将+5V的直流电源转换成FPGA需要的+3. 3V和+1. 2V的直 流电源，通过TPS75733芯片将+5V的直流电源转换成DSP需要的+3. 3V的直流电源，通过 TPS76801芯片将+5V的直流电源转换成DSP需要的+1. 2V的直流电源。所述CPU中央处理模块是电气负载管理中心的核心部分，负责多余度CPU的协调 工作、状态信息的收集、系统指令的控制和执行等功能。它的结构是通过搭建数字信号处理 器(DSP)系统和软件编程来实现的；它实时通过通讯模块接收来自上位机的控制指令，同 时接收来自状态量监测控制模块反馈的负载状态信息，控制模拟量采集调理模块采集电力 汇流条的电压、电流信号，综合求解负载方程，形成相应负载的配电指令。CPU中央处理模块通过中断服务子程序实时的接收上位机控制指令，在中断服务 子程序中，通过在接收的数据包的后面增加一个八位的校验位，判断接收到的数据包是否 为有效的控制指令，如果数据包为有效的控制指令，则存入DSP中相应的控制寄存器，否则 舍弃；经过同步模块完成三个余度CPU的同步，通过查询DSP中相应寄存器获取状态量监测 控制模块反馈的负载状态信息，根据负载方程求解得到负载的通断指令，并将其存入配电 指令寄存器。所述状态量监测控制模块是为CPU中央处理模块提供系统平台监控的软件模块。 它的结构是通过DSP软件编程来实现的，DSP根据SSPC的通讯协议向SSPC发送控制指令数 据包来使SSPC完成对负载信号的采集及负载状态信息的上传；该模块一方面完成对固态 功率控制器SSPC所有负载状态信息的采集，根据CPU中央处理模块的配电指令控制相应的 SSPC动作，并检测SSPC的状态反馈，从而实现电气负载管理中心的配电功能。另一方面，将 获得的各种负载状态信息反馈给CPU中央处理模块和上位机，利用这些状态信息进行机内测试(即BIT)和故障诊断。状态量监测控制模块从DSP的控制寄存器中获取控制指令，向SSPC发送符合通讯 协议的控制指令数据包，使SSPC完成对负载信息的采集，SSPC将采集的负载状态信息上传 给状态量监测控制模块，存入DSP中相应的状态寄存器中；状态量监测控制模块从DSP中的 配电指令寄存器中获取CPU中央处理模块计算得到的配电指令，向SSPC发送通断指令，完 成对相应负载的配电控制，通过根据DSP中状态寄存器中的负载信息进行BIT和故障诊断， 如果完成配电的SSPC出现故障，则切换到备份SSPC来完成配电。见图5和图6，所述同步模块是该三余度电气负载管理中心特有的模块。它的结 构是通过在DSP中编写同步算法并经过DSP的数字I/O 口和FPGA器件来实现的，每个余度 DSP在每个任务周期的开始通过DSP的数字I/O 口向FPGA发送一个高电平信号，FPGA在规 定的时间内(第一次同步时等待的时间为0. 5s，之后的同步等待时间为IOOus)检测三个余 度DSP发送的高电平信号，当接收到两个或三个余度DSP的高电平信号时则FPGA向同步成 功的余度DSP回复一个高电平信号，完成第一次握手，同样的方式完成第二次握手，从而完 成三余度电气负载管理中心的同步；它通过“双握手”的方式，即该三余度电气负载管理中 心通过CCDL模块相互进行同步信号传输，发送同步时钟请求和同步应答信号，执行软件同 步算法，并允许有限的时间偏差，以使输出信号同步。当主电气负载管理中心在设定时间内 不响应热备份余度的同步请求，备份电气负载管理中心优先级高的余度将通过FPGA来完 成切换控制。该模块的创新之处在于通过DSP的数字I/O 口传输比传统的总线传送方式的 响应速度大大提高。同步模块是由DSP中的同步算法和FPGA中的同步算法构成。在DSP中，同步算法 判断此次同步是否为三余度DSP的第一次同步，如果为第一次同步，同步模块设置同步等 待时间为0. 5s，否则设置同步等待时间为IOOus ；禁止DSP中所有的中断服务子程序；DSP 通过数字I/O 口 DO向FPGA发送高电平同步信号，进入同步循环程序，同时检测同步等待次 数是否超过限定值，如果同步次数超过限定值则跳出同步循环，失步次数加一，重新开始同 步，否则同步等待次数加一；同步模块检测FPGA是否向DSP的I/O 口 DI发送高电平的反馈 信号，如果DSP收到FPGA发送的高电平信号，则表示第一次握手成功，否则表示此次同步失 败，重新开始同步；DSP在第一次握手成功后，再次向FPGA发送高电平的同步信号，同时检 测FPGA反馈的高电平信号，如果第二次握手成功，则同步标志位置位，退出同步循环，否则 表示此次同步失败，重新开始同步；跳出同步循环后，使能中断服务子程序；检测同步标志 位，如果置位，表示三余度DSP同步成功，失步计数器清零，同步程序结束，否则判断失步次 数，如果失步次数大于5次，表示该余度DSP故障，重新启动该余度DSP。在FPGA中，同步算法实时等待三余度DSP发送的同步高电平信号，如果收到三个 余度DSP的同步高电平信号，则FPGA向三个余度DSP同步发送反馈高电平信号，表示同步 成功；如果收到二个余度DSP的同步高电平信号，则FPGA向这两个余度DSP发送反馈高电 平信号，表示这两个余度同步成功；如果只收到一个余度DSP的同步高电平信号，则表示三 余度DSP同步失败，FPGA不向任何余度DSP反馈信号。见图7，所述CCDL模块是该三余度电气负载管理中心特有的模块，包括余度数据 监控、余度数据表决和余度切换三个部分。CCDL模块的结构是通过在FPGA中编写余度数 据监控、余度数据表决和余度切换算法来实现的，三余度DSP将上位机控制指令、采集的负载状态信息及根据负载方程求解得到的配电指令发送给FPGA，FPGA将这些数据分别存入 FPGA中相应的存储单元中，然后对这些数据进行比较，当两个或两个以上的余度DSP的数 据相同时，则FPGA根据三个余度电气负载管理中心的优先级(事先设定好的)向优先级 高的余度DSP发送使能信号，从而完成余度切换。余度数据表决中故障的余度DSP自动重 启，进入下一轮的余度数据表决，如果仍然故障则该余度DSP被彻底隔离，如果恢复正常则 该余度DSP优先级降一级成为备份余度工作；三余度电气负载管理中心首先通过余度数据 监控程序交换主余度和二个备份余度之间的数据，然后经过余度数据表决算法决定三余度 电气负载管理中心的余度切换。余度数据监控主要是完成三余度电气负载管理中心之间数 据的交叉传递，以实现三余度之间数据的共享；余度数据表决根据三余度电气负载管理中 心之间共享的数据经过相应的表决算策略，判断三余度电气负载管理中心工作状态是否正 常；余度切换根据余度数据表决的结果切换到工作状态正常的余度来完成负载的配电，同 时根据余度处理策略重启或屏蔽故障的余度。该模块的创新之处在于CCDL模块在现场可 编程门阵列中(即FPGA)利用VHDL语言编写基于硬件逻辑电路实现的表决算法来实现，这 种基于硬件逻辑电路实现的余度监控表决方式比传统的基于软件算法实现的监控表决方 式具有更高的可靠性、更快的响应速度。余度数据监控算法利用DSP与FPGA之间的数据总线和地址总线，将三个余度DSP 发送的负载状态信息和配电指令依次存入相应的寄存器中，以实现三余度DSP数据的共 享；余度数据表决算法通过查询相应寄存器获得三余度DSP共享的数据，比较三个余度DSP 的数据是否相同(假设三个余度DSP通道分别为A、B、C，优先级从高到低依次为A > B > C)。如果三个余度DSP的数据相同，余度切换算法根据三个余度DSP的优先级切换到A通 道，由A通道的DSP最终完成对负载配电；如果有两个余度DSP的数据相同，假如是A通道和 B通道的DSP数据相同，则余度切换算法根据两个余度DSP的优先级切换到A通道，由A通 道DSP最终完成对负载配电，同时余度切换算法令故障余度C通道DSP重新启动，进入下一 轮的余度数据表决，如果下一轮的余度数据表决C通道DSP依然故障则彻底屏蔽次通道，否 则恢复正常；如果三个余度DSP数据都不相同，余度切换算法根据三个余度DSP的优先级选 择高优先级的A通道完成对负载的配电。当三个余度中有一个余度被彻底屏蔽之后，余度 切换算法降级工作，即当两个余度DSP数据相同的时候，选择高优先级的通道完成对负载 的配电，当两个余度DSP数据不相同的时候，依然选择高优先级的通道完成对负载的配电。所述模拟量采集与调理模块，它主要是由运放电压采集电路、霍尔电流互感器 HX10-P、模数转换芯片AD7865 ；通过采集和调理的信号量通过IO数据线传送给DSP器件处 理；其间的位置连接关系是运放电压采集电路采集电力汇流条的电压信号，霍尔电流互 感器采集电力汇流条的电流信号，经过调理电路送到模数转换芯片AD7865进行模数转换。 它利用运放电压采集电路、霍尔电流互感器转换相应电力汇流条的电压、电流，然后调理电 路把互感器得到的电平信号转换成适合模数转换芯片AD7865转换的信号，通过AD7865进 行模数转换，并将转换得到的14位数字信号送入DSP中。所述驱动控制模块，它是由ULN2003功率驱动芯片构成；其间的位置连接关系是 CPU中央处理模块向ULN2003发送控制指令，功率芯片ULN2003将控制指令进行功率放大， 驱动大功率接触器来完成配电；它根据CPU中央处理模块的控制指令，驱动控制相应的大 功率接触器来完成对汇流条等大功率用电负载的配电控制。
所述通讯模块，它是由传统的RS-422和MIL-1553B芯片组成通讯模块电路。本三 余度电气负载管理中心通过该模块完成三方面功能1.与上位机通讯，接收上位机发送的 控制指令，同时向上位机发送电力汇流条和负载的各种状态信息；2.完成与固态功率控制 器(SSPC)的通讯，接收SSPC发送的各种负载状态信息，向SSPC发送配电指令；3.完成三 余度电气负载管理中心之间的数据交换共享。其中，所述CPU中央处理模块的处理器，为主频150M Hz的数字信号处理器。其中，所述同步模块中的FPGA即现场可编程门阵列主频100M Hz0其中，所述CCDL模块的余度监控、表决和切换策略是所有电气负载管理中心的 余度单元加电工作，当主CPU工作正常时，备份CPU不进行任何控制，只负责监视数据总线 的消息传输，并接受相应数据；当主余度发生故障时，切换到备份余度工作；当故障CPU通 过内部自检测程序确定恢复正常后，成为备份CPU进入比较表决和监控模式。
权利要求
一种无人机机载三余度电气负载管理中心，其特征在于它以DSP TMS320F2812和FPGA EP2C35F484为核心，实现大型无人机的自动化配电控制和智能管理功能；它包括CPU中央处理模块、状态量监测控制模块、同步模块、交叉通道数据链即CCDL模块、模拟量采集调理模块、驱动控制模块、通讯模块和电源模块八部分；它们之间的位置连接关系是该三余度电气负载管理中心通过通讯模块实时接收上位机系统的控制指令；经过同步模块完成该三余度电气负载管理中心程序之间同步；根据上位机的控制指令、模拟量采集调理模块返回的系统电力汇流条的电压、电流状态，以及状态量监测控制模块返回的固态功率控制器即SSPC的负载状态，求解负载方程，从而形成不同飞行状态下的负载配电指令；经过CCDL模块的数据交换和监控表决完成该三余度电气负载管理中心之间的切换，由主工作余度的电气负载管理中心完成对负载的配电；同时将采集到的负载状态信息及电力汇流条的电压、电流信息通过通讯模块上传给供电处理机；所述电源模块是通过多种DC/DC转换模块转换成为满足电气负载管理中心各个模块需要的稳定电源；电源模块是由XZR05S/24S05、TPS70445、TPS75733、TPS76801芯片组成，电源模块通过XZR05S/24S05芯片将机载+28V直流汇流条电压转换成+5V的直流电源，然后通过TPS70445芯片将+5V的直流电源转换成FPGA需要的+3.3V和+1.2V的直流电源，通过TPS75733芯片将+5V的直流电源转换成DSP需要的+3.3V的直流电源，通过TPS76801芯片将+5V的直流电源转换成DSP需要的+1.2V的直流电源；所述CPU中央处理模块是负责多余度CPU的协调工作、状态信息的收集、系统指令的控制和执行功能；它的结构是通过搭建数字信号处理器即DSP系统和软件编程来实现的；它实时通过通讯模块接收来自上位机的控制指令，同时接收来自状态量监测控制模块反馈的负载状态信息，控制模拟量采集调理模块采集电力汇流条的电压、电流信号，综合求解负载方程，形成相应负载的配电指令；CPU中央处理模块通过中断服务子程序实时的接收上位机控制指令，在中断服务子程序中，通过在接收的数据包的后面增加一个八位的校验位，判断接收到的数据包是否为有效的控制指令，如果数据包为有效的控制指令，则存入DSP中相应的控制寄存器，否则舍弃；经过同步模块完成三个余度CPU的同步，通过查询DSP中相应寄存器获取状态量监测控制模块反馈的负载状态信息，根据负载方程求解得到负载的通断指令，并将其存入配电指令寄存器；所述状态量监测控制模块是为CPU中央处理模块提供无人机电气系统平台监控的软件模块，它的结构是通过DSP软件编程来实现的，DSP根据SSPC的通讯协议向SSPC发送控制指令数据包来使SSPC完成对负载信号的采集及负载状态信息的上传；该模块一方面完成对固态功率控制器SSPC所有负载状态信息的采集，根据CPU中央处理模块的配电指令控制相应的SSPC动作，并检测SSPC的状态反馈，从而实现电气负载管理中心的配电功能；另一方面，将获得的各种负载状态信息反馈给CPU中央处理模块和上位机，利用这些状态信息进行机内测试即BIT和故障诊断；如果完成配电的SSPC出现故障，则切换到备份SSPC来完成配电；所述同步模块是由DSP中的同步算法和FPGA中的同步算法构成，它的结构是通过在DSP中编写同步算法并经过DSP的数字I/O口和FPGA器件来实现的；在DSP中，同步算法判断此次同步是否为三余度DSP的第一次同步，如果为第一次同步，同步模块设置同步等待时间为0.5s，否则设置同步等待时间为100us；禁止DSP中所有的中断服务子程序；DSP通过数字I/O口DO向FPGA发送高电平同步信号，进入同步循环程序，同时检测同步等待次数是否超过限定值，如果同步次数超过限定值则跳出同步循环，失步次数加一，重新开始同步，否则同步等待次数加一；同步模块检测FPGA是否向DSP的I/O口DI发送高电平的反馈信号，如果DSP收到FPGA发送的高电平信号，则表示第一次握手成功，否则表示此次同步失败，重新开始同步；DSP在第一次握手成功后，再次向FPGA发送高电平的同步信号，同时检测FPGA反馈的高电平信号，如果第二次握手成功，则同步标志位置位，退出同步循环，否则表示此次同步失败，重新开始同步；跳出同步循环后，使能中断服务子程序；检测同步标志位，如果置位，表示三余度DSP同步成功，失步计数器清零，同步程序结束，否则判断失步次数，如果失步次数大于5次，表示该余度DSP故障，重新启动该余度DSP；在FPGA中，同步算法实时等待三余度DSP发送的同步高电平信号，如果收到三个余度DSP的同步高电平信号，则FPGA向三个余度DSP同步发送反馈高电平信号，表示同步成功；如果收到二个余度DSP的同步高电平信号，则FPGA向这两个余度DSP发送反馈高电平信号，表示这两个余度同步成功；如果只收到一个余度DSP的同步高电平信号，则表示三余度DSP同步失败，FPGA不向任何余度DSP反馈信号；所述CCDL模块包括余度数据监控、余度数据表决和余度切换三个部分；CCDL模块的结构是通过在FPGA中编写余度数据监控算法、余度数据表决算法和余度切换算法来实现的；余度数据监控算法利用DSP与FPGA之间的数据总线和地址总线，将三个余度DSP发送的负载状态信息和配电指令依次存入相应的寄存器中，以实现三余度DSP数据的共享；余度数据表决算法通过查询相应寄存器获得三余度DSP共享的数据，比较三个余度DSP的数据是否相同；如果三个余度DSP的数据相同，余度切换算法根据三个余度DSP的优先级切换到A通道，由A通道的DSP最终完成对负载配电；如果有两个余度DSP的数据相同，假如是A通道和B通道的DSP数据相同，则余度切换算法根据两个余度DSP的优先级切换到A通道，由A通道DSP最终完成对负载配电，同时余度切换算法令故障余度C通道DSP重新启动，进入下一轮的余度数据表决，如果下一轮的余度数据表决C通道DSP依然故障则彻底屏蔽次通道，否则恢复正常；如果三个余度DSP数据都不相同，余度切换算法根据三个余度DSP的优先级选择高优先级的A通道完成对负载的配电；当三个余度中有一个余度被彻底屏蔽之后，余度切换算法降级工作，即当两个余度DSP数据相同的时候，选择高优先级的通道完成对负载的配电，当两个余度DSP数据不相同的时候，依然选择高优先级的通道完成对负载的配电；所述模拟量采集与调理模块，它是由典型运放电压采集电路、霍尔电流互感器HX10 P、模数转换芯片AD7865组成的，通过采集和调理的信号量通过IO数据线传送给DSP器件处理；其间的位置连接关系是运放电压采集电路采集电力汇流条的电压信号，霍尔电流互感器采集电力汇流条的电流信号，经过调理电路送到模数转换芯片进行模数转换；它根据CPU中央处理模块的控制指令采集相应电力汇流条的电压、电流信号，并经过调理电路和模数转换电路，把系统级和设备的状态信息传送到CPU中央处理模块进行故障诊断和处理；所述驱动控制模块，它是由ULN2003功率驱动芯片构成；其间的位置连接关系是CPU中央处理模块向ULN2003发送控制指令，功率芯片ULN2003将控制指令进行功率放大，驱动大功率接触器来完成配电；它根据CPU中央处理模块的控制指令，驱动控制相应的大功率接触器来完成对汇流条等大功率用电负载的配电控制；所述通讯模块，它是由MAXIM公司的RS 422串行总线通讯芯片MAXIM3160完成。
2.根据权利要求1所述的一种无人机机载三余度电气负载管理中心，其特征在于该 CPU中央处理模块的处理器为主频至少150M Hz的数字信号处理器。
3.根据权利要求1所述的一种无人机机载三余度电气负载管理中心，其特征在于该 同步模块中的FPGA即现场可编程门阵列主频至少100M Hz0
4.根据权利要求1所述的一种无人机机载三余度电气负载管理中心，其特征在于该 CCDL模块的余度监控、表决和切换策略是所有电气负载管理中心的余度单元加电工作， 当主CPU工作正常时，备份CPU不进行任何控制，只负责监视数据总线的消息传输，并接受 相应数据；当主余度发生故障时，切换到备份余度工作；当故障CPU通过内部自检测程序确 定恢复正常后，成为备份CPU进入比较表决和监控模式。
全文摘要
一种无人机机载三余度电气负载管理中心，它包括CPU中央处理模块、状态量监测控制模块、同步模块、CCDL模块、模拟量采集调理模块、驱动控制模块、通讯模块和电源模块八部分。该三余度电气负载管理中心通过通讯模块接收上位机的控制指令；经过同步模块完成程序之间同步；根据上位机的控制指令、模拟量采集调理模块返回的系统电力汇流条的电压电流状态，以及状态量监测控制模块返回的SSPC的负载状态，求解负载方程，从而形成无人机不同飞行状态下的负载配电指令；经过CCDL模块的数据交换和监控表决完成该管理中心之间的切换，由主工作余度的电气负载管理中心完成对负载的配电；本发明在航空电气系统和无人机技术领域里具有实用价值和广阔的应用前景。
文档编号G05B19/418GK101916090SQ20101023115
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月14日 优先权日2010年7月14日
发明者刑伟, 张秦岭, 徐金全, 郭宏 申请人:北京航空航天大学