[發(fā)明專利]一種基于嵌入式CPU與FPGA的異構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)的飛機(jī)模擬電負(fù)載控制系統(tǒng)

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010194216.1
• 申請(qǐng)日: 2020-03-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111475926A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-07-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魏德寶;喬立巖;馮驊;徐敦;楊春霞;孫科;彭喜元
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20;G06F30/15
• 代理公司: 哈爾濱市陽(yáng)光惠遠(yuǎn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23211
• 代理人: 劉景祥

本發(fā)明是一種基于嵌入式CPU與FPGA的異構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)的飛機(jī)模擬電負(fù)載控制系統(tǒng)。基于嵌入式CPU與可重構(gòu)的FPGA架構(gòu)的控制器，根據(jù)需求配置了不同I/O功能模塊，搭建飛機(jī)模擬點(diǎn)負(fù)載功率計(jì)算與調(diào)節(jié)系統(tǒng)平臺(tái)，提升系統(tǒng)性能并簡(jiǎn)化了嵌入式控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本發(fā)明對(duì)軟、硬件分別實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行合理劃分，充分利用了FPGA可完全重配置與提供硬件定時(shí)的快速性與穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制邏輯；也充分利用了嵌入式CPU能夠完成復(fù)雜算法計(jì)算優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了差值匹配算法與良好的交互界面。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及飛機(jī)定型試飛科目模擬電負(fù)載技術(shù)領(lǐng)域，是一種基于嵌入式CPU與FPGA的異構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)的飛機(jī)模擬電負(fù)載控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)

飛機(jī)定型試飛科目模擬電負(fù)載領(lǐng)域中，需要設(shè)計(jì)一套完整的系統(tǒng)用于將飛機(jī)電源系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的輸出功率達(dá)到特定狀態(tài)，以滿足部分試飛科目要求。而通過(guò)控制可變負(fù)載的阻值參數(shù)實(shí)現(xiàn)與發(fā)電機(jī)功率匹配，同時(shí)為了保證系統(tǒng)在發(fā)生緊急情況部分功能失效后，飛機(jī)可以中斷發(fā)電機(jī)與負(fù)載的連接，還需設(shè)計(jì)應(yīng)急卸載機(jī)制。一般民用飛機(jī)常使用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心的控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制測(cè)量，即可編程邏輯控制器(簡(jiǎn)稱PLC)，該系統(tǒng)中包括CPU模塊、模擬量輸入(AI)模塊、開(kāi)關(guān)量輸入(DI)模塊、模擬量輸出(AO)模塊、開(kāi)關(guān)量輸出(DO)模塊及電源模塊以及通訊模塊通過(guò)“搭積木”的方式共存于專用的底板上，通過(guò)內(nèi)部總線交換信息。工控機(jī)在飛機(jī)試飛科目中應(yīng)用有較為明顯的弊端，其抗干擾能力與電磁兼容的能力直接影響其工作的穩(wěn)定性。

飛機(jī)試飛定型過(guò)程中，安全性是所有試飛科目中需要考慮的關(guān)鍵，控制器的可靠性、抗干擾能力與電磁兼容能力是設(shè)計(jì)控制器的前提條件，其次為了滿足不同試飛科目的需求，滿足基本功能需求外，還要有通用性強(qiáng)、易于擴(kuò)展與維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。控制飛機(jī)負(fù)載的系統(tǒng)需滿足電負(fù)載試飛科目中所有的任務(wù)以及指標(biāo)要求。指標(biāo)要求主要包括模擬負(fù)載與飛機(jī)抽引口的功率匹配、模擬負(fù)載的加載梯度、卸載梯度以及卸載不平衡度、根據(jù)飛機(jī)發(fā)電機(jī)的輸出功率可自動(dòng)調(diào)控保持負(fù)載總加載值。需要實(shí)現(xiàn)較為精確的電壓電流采集與功率因數(shù)的計(jì)算、穩(wěn)定的閉環(huán)控制算法測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)回放、與飛機(jī)通訊以及簡(jiǎn)單便捷的人機(jī)交互界面。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)負(fù)載系統(tǒng)的自動(dòng)化調(diào)節(jié)程度不斷提高，系統(tǒng)調(diào)節(jié)的高精度、可靠性，本發(fā)明提供了一種基于嵌入式CPU與FPGA的異構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)的飛機(jī)模擬電負(fù)載控制系統(tǒng)，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：

一種基于嵌入式CPU與FPGA的異構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)的飛機(jī)模擬電負(fù)載控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括嵌入式CPU、FPGA、數(shù)字I/O模塊、ARINC 429模塊、RTD測(cè)溫模塊、接觸器執(zhí)行模塊、指示燈、應(yīng)急卸載模塊、模擬電壓和電流采集模塊；

所述嵌入式CPU連接FPGA，所述FPGA連接數(shù)字I/O模塊，所述數(shù)字I/O模塊連接指示燈、應(yīng)急卸載模塊，所述FPGA連接ARINC 429模塊、RTD測(cè)溫模塊，所述FPGA連接模擬電壓和電流采集模塊，所述FPGA連接接觸器執(zhí)行模塊。

優(yōu)選地，所述嵌入式CPU通過(guò)USB連接鍵盤(pán)、鼠標(biāo)和U盤(pán)。

優(yōu)選地，所述數(shù)字I/O模塊直接采集負(fù)載箱出入水口的輸出信號(hào)和接觸器執(zhí)行模塊的反饋信號(hào)，傳輸至FPGA進(jìn)行邏輯運(yùn)算后轉(zhuǎn)換為可供處理的數(shù)據(jù)，并將可供處理的數(shù)據(jù)發(fā)送至嵌入式CPU。

優(yōu)選地，通過(guò)所述模擬電壓和電流采集模塊采集三相交流電抽引口的電壓和電流數(shù)據(jù)，將所述電壓和電流數(shù)據(jù)經(jīng)緩沖和調(diào)理后通過(guò)FPGA進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理之后傳送給嵌入式CPU。

優(yōu)選地，通過(guò)ARINC 429模塊與飛機(jī)測(cè)試系統(tǒng)通訊，采集到總線數(shù)據(jù)并進(jìn)行解碼，將飛行狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換為可供處理的數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，所述RTD測(cè)溫模塊采集每個(gè)負(fù)載箱內(nèi)的空氣溫度和飛機(jī)盤(pán)箱溫度，當(dāng)每個(gè)RTD通道經(jīng)濾波、A/D轉(zhuǎn)換采樣后經(jīng)FPGA邏輯運(yùn)算處理之后傳給嵌入式CPU。

優(yōu)選地，所述嵌入式CPU內(nèi)置硬件看門(mén)狗。