技术标签： 飞控计算机硬件设计方案
摘要：
近年来,随着航空和电子信息技术的发展,无人机的性能有很大的提升,已经成为军事和民用领域中的重要组成部分.但是随着无人机飞行任务的增多,飞行控制系统出现故障的频率也随之提高.飞控计算机是飞行控制系统的核心,它的质量直接决定无人机的性能,进而影响无人机任务执行能力和飞行安全状态.目前大多数无人机提升可靠性的手段还是采用高质量的元器件设计,但是这种方法对系统可靠性的提升很有限,已经不能满足当前飞行的需求.本文将余度技术应用在飞控计算机设计上,提出一种基于PowerPC处理器的相似三余度架构的飞控计算机硬件平台,为未来无人机中通用飞控计算机的设计提供一种参考.本文首先对国内外无人机的发展进行了介绍,提出了设计余度飞控计算机的意义.根据余度系统的概念和系统的功能指标确定了相似三余度飞控计算机的总体设计框架.飞控计算机是硬件和软件相结合的系统,按照系统总体功能,飞控计算机的硬件主要由主处理器模块,ARINC659总线模块,输入/输出(I/O,Input and Output)模块,余度管理模块和电源模块组成.对于系统软件,本文重点介绍支持飞控计算机启动的操作系统系统软件和底层驱动软件的设计与实现.然后,根据系统总体硬件架构,本文按照模块化的设计思想逐一实现各个部件的功能.主处理器模块通过三块相同的中央处理器(CPU,Central Processing Unit)板卡实现,本文对CPU板卡的硬件电路,器件选型和现场可编程门阵列(FPGA,Field Programmable Gate Array)逻辑进行重点研究;ARINC659总线是本文设计的创新点,与传统飞控计算机的通信总线不同,ARINC659总线吞吐量高,容错性强,是实现数据互传和余度切换的重要途径;余度管理模块是实现飞控计算机通道隔离和通道切换的关键,本文通过FPGA实现;I/O模块由离散量板卡,模拟量板卡和外部接口综合板卡组成,它们主要用于处理飞控计算机系统外部的离散量数据,模拟量数据和接口总线数据,本文对I/O模块中每一块板卡的电路设计,器件选型和FPGA逻辑进行重点研究.最后在完成系统总体硬件设计后,需要为每块板卡移植开发对应的操作系统以实对自身硬件资源的控制管理.基于VxWorks操作系统实时性高,稳定性强和可移植性好等优点,本文重点介绍基于MPC8270处理器的VxWorks操作系统移植和底层驱动程序设计.系统软件设计分为板级支持包(BSP,Board Support Package)设计与驱动程序设计两部分,本文以模拟量板卡为例,根据板卡的硬件资源修改配置BSP代码,同时设计串行通信控制器(SCC,Serial Communication Controller)的驱动程序和Intel82557网卡的驱动程序,保证了板卡的正常启动.为了实现模拟量板卡处理器对模数转换(A/D,Analog to Digital)模块和数模转换(D/A,Digital to Analog)模块的数据访问,本文还设计了模拟量板卡的读写驱动函数.完成模拟量板卡的底层函数设计后,为了便于测试板卡的功能,本文编写A/D模块和D/A模块的测试程序,并通过仿真验证了设计的合理性.在系统软硬件设计完成之后,为了满足三余度飞控计算机研发生产需要,本文设计一款与之对应的物理测试平台,通过测试平台对飞控计算机的各部分功能进行真实的数据测试,实验结果表明本文三余度飞控计算机的设计能够满足工程上的应用需求.
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