范蟠果，陳凱峰，邢保毫

(西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,西安　710129)

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基于嵌入式Linux的飛機(jī)重心調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

范蟠果，陳凱峰，邢保毫

(西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,西安710129)

在飛機(jī)定型試飛時(shí)，為了測(cè)試飛機(jī)重心處于使用包線范圍內(nèi)的飛行性能和操穩(wěn)特性，需要對(duì)飛機(jī)的重心位置進(jìn)行調(diào)控;因此，設(shè)計(jì)了一套基于嵌入式Linux的飛機(jī)重心調(diào)控系統(tǒng)，詳細(xì)說(shuō)明了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及對(duì)嵌入式Linux實(shí)時(shí)性的改進(jìn)增強(qiáng);上位機(jī)采用Labwindows/CVI設(shè)計(jì)監(jiān)控界面，可實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)狀況；下位機(jī)控制器采用TI的AM4379作為主控芯片，在嵌入式Linux操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)上進(jìn)行采集、控制、傳輸?shù)热蝿?wù)；駕駛艙終端采用QT設(shè)計(jì)人機(jī)界面;經(jīng)過(guò)試驗(yàn)表明，系統(tǒng)具有可靠性高、任務(wù)響應(yīng)及時(shí)、調(diào)節(jié)速度快、調(diào)節(jié)精度高等優(yōu)點(diǎn)。

重心調(diào)控；ARM；嵌入式linux；Labwindows/CVI

0　引言

目前，在芯片發(fā)展方面，高端ARM處理器具有許多優(yōu)點(diǎn)：如集成度高、芯片上擴(kuò)展多種功能接口(如USB、網(wǎng)口、UART接口)、運(yùn)算處理速度快等；同時(shí)在操作系統(tǒng)方面，嵌入式Linux的內(nèi)核可任意裁剪、源代碼開(kāi)放、對(duì)硬件支持好。因此，已經(jīng)有許多基于ARM的嵌入式linux微控制器應(yīng)用在如工業(yè)過(guò)程控制、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)、石油化工、航空航天等系統(tǒng)中。

在本文設(shè)計(jì)的飛機(jī)重心調(diào)控系統(tǒng)的方案由三部分組成：上位機(jī)、下位機(jī)控制器、駕駛艙終端。監(jiān)控中心的上位機(jī)使用Labwindows/CVI設(shè)計(jì)，通過(guò)Labwindows/CVI簡(jiǎn)單易用的編程環(huán)境，可以高效靈活地設(shè)計(jì)出本系統(tǒng)的監(jiān)控動(dòng)畫(huà)[1]；下位機(jī)控制采用基于ARM AM4379芯片的嵌入式Linux微控制器；駕駛艙終端采用QT工具，設(shè)計(jì)了在嵌入式linux系統(tǒng)上的終端交互界面。

考慮到飛機(jī)重心調(diào)控系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求較高，而實(shí)時(shí)性是嵌入式Linux系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)之一。所以，為了減小系統(tǒng)的響應(yīng)延遲時(shí)間，在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，一方面將部分實(shí)時(shí)任務(wù)交由AM4379芯片上的PRU-ICSS(可編程實(shí)時(shí)單元子系統(tǒng)和工業(yè)通信子系統(tǒng))處理，充分利用芯片的并發(fā)處理能力；另一方面在軟件上對(duì)嵌入式Linux系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性進(jìn)行改進(jìn)增強(qiáng)。

1　系統(tǒng)整體方案

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：根據(jù)不同試飛科目要求，自動(dòng)調(diào)節(jié)飛機(jī)重心并保持在目標(biāo)值。要求系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性好、調(diào)節(jié)精度高、運(yùn)算速度快，具有良好的人機(jī)交互界面，并且能夠?qū)χ匦南嚓P(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)、傳輸。

1.1系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括上位機(jī)、下位機(jī)控制器、駕駛艙終端以及配重4個(gè)部分。

圖1　系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖

上位機(jī)以Labwindows/CVI軟件開(kāi)發(fā)監(jiān)控界面，通過(guò)RS232方式與嵌入式控制器之間進(jìn)行通信。監(jiān)控界面以圖形和動(dòng)畫(huà)的方式來(lái)呈現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)并具有故障顯示和報(bào)警功能。在系統(tǒng)啟動(dòng)后，可由操作人員進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、選擇調(diào)節(jié)方式、啟動(dòng)當(dāng)前調(diào)節(jié)等操作。

下位機(jī)控制器采用了基于ARM Cortex-A9的32位RISC處理器AM4379，運(yùn)行嵌入式Linux系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)?？刂破魃吓渲糜幸蕴W(wǎng)物理層芯片、MAX232以及MAX422電平轉(zhuǎn)換芯片分別用來(lái)與機(jī)載數(shù)據(jù)、上位機(jī)、駕駛艙終端的通信。

駕駛艙觸摸屏上顯示飛機(jī)實(shí)時(shí)重心和系統(tǒng)當(dāng)前調(diào)節(jié)模式，飛行員可以通過(guò)觸摸屏設(shè)定飛機(jī)重心和切換調(diào)節(jié)方式。

配重部分由傳感器、三相變頻驅(qū)動(dòng)器、配重物、電磁閥、電氣設(shè)備、三相電機(jī)等組成。傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后接入核心板，用于計(jì)算配重物各部分的重量及坐標(biāo)位置；核心板輸出的控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)輸出驅(qū)動(dòng)電路后輸出給變頻器、電磁閥等設(shè)備。三相電機(jī)通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，電機(jī)運(yùn)行時(shí)由三相變頻器的變頻調(diào)速來(lái)控制重心調(diào)節(jié)的速度及精度。

1.2系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。控制器通過(guò)以太網(wǎng)總線通信方式獲取飛機(jī)當(dāng)前的姿態(tài)、燃油消耗、飛機(jī)起落架狀態(tài)等數(shù)據(jù)，同時(shí)采集配重部分的傳感器信號(hào)獲得系統(tǒng)配重物的分布情況，根據(jù)以上信息解算出飛機(jī)實(shí)時(shí)重量和重心并與預(yù)設(shè)重心比較；然后根據(jù)上位機(jī)或者駕駛艙終端的調(diào)控指令，選擇相應(yīng)的控制策略來(lái)調(diào)節(jié)配重物的分布，從而改變飛機(jī)重心位置。

圖2　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1下位機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)

圖4　以太網(wǎng)接口電路原理圖

控制器的處理芯片選用TI的AM4379，芯片的主頻高達(dá)1 000 MHz，32KB L1指令緩存和數(shù)據(jù)緩存、256KB L2緩存以及256KB可訪問(wèn)所有主機(jī)的片上RAM。芯片上包含有一個(gè)可編程實(shí)時(shí)PRU-ICSS(單元子系統(tǒng)和工業(yè)通信子系統(tǒng))。

PRU-ICSS子系統(tǒng)的特點(diǎn)：它與ARM內(nèi)核分離，允許單獨(dú)操作和計(jì)時(shí)，支持UART等多種外設(shè)接口，支持EtherCat、Ethernet Powerlink等多種高速實(shí)時(shí)通信協(xié)議。

該子系統(tǒng)的可編程特性及其對(duì)引腳事件和SoC資源的訪問(wèn)權(quán)限，使得它可以靈活地實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)響應(yīng)、專用數(shù)據(jù)處理操作以及自定義外設(shè)接口，并減輕片上處理器內(nèi)核的任務(wù)負(fù)擔(dān)[2]。

在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，綜合考慮了系統(tǒng)任務(wù)的實(shí)時(shí)性和主處理器的任務(wù)量?jī)蓚€(gè)方面，在硬件上即對(duì)系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行劃分：由PRU-ICSS子系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集傳感器輸入的信號(hào)、讀取以太網(wǎng)總線上的數(shù)據(jù)、通過(guò)RS422協(xié)議與駕駛艙終端進(jìn)行通信；由處理器內(nèi)核負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理、傳輸以及輸出控制信號(hào)。從而使得任務(wù)可以在內(nèi)核處理器和PRU-ICSS子系統(tǒng)上并發(fā)地被執(zhí)行處理。

下位機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　下位機(jī)控制器結(jié)構(gòu)框圖

控制器采用2片16位寬的SDRAM DDR3芯片MT41K256M16HA并聯(lián)為32位數(shù)據(jù)寬的1G內(nèi)存；并配置了64M的NOR FLASH芯片MX66L51235F作為非易失性存儲(chǔ)器。

飛機(jī)上的直流電源為28 V，經(jīng)過(guò)TPS5402D電源芯片轉(zhuǎn)換成3.3 V和1.8 V給處理器內(nèi)核及外設(shè)供電。

1 Gb以太網(wǎng)收發(fā)器KSZ9031RN(以太網(wǎng)物理層芯片)為控制器提供以太網(wǎng)的收發(fā)功能，以太網(wǎng)芯片的接口電路原理如圖4所示。

2.2駕駛艙終端硬件設(shè)計(jì)

駕駛艙終端由AM4379核心板、4.3寸的觸摸屏以及MAX422電平轉(zhuǎn)換芯片組成，通過(guò)RS422方式和嵌入式控制器之間進(jìn)行通信。

觸摸LCD與處理器的接口電路原理如圖5所示。

圖5　駕駛艙LCD接口電路原理圖

2.3上位機(jī)硬件

上位機(jī)采用工業(yè)平板電腦，CPU為雙核處理器，2G內(nèi)存，256G固態(tài)硬盤(pán)，具有串口、網(wǎng)口等通信接口，滿足系統(tǒng)需求。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括三部分：利用Labwindows/CVI設(shè)計(jì)的上位機(jī)監(jiān)控軟件、控制器端的軟件(PRU-ICSS子系統(tǒng)程序、內(nèi)核軟件)、駕駛艙終端的交互界面。

3.1上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控端的程序流程如圖6所示。啟動(dòng)監(jiān)控軟件后需要選擇是否進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，如果選擇設(shè)置參數(shù)則進(jìn)入系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面，由操作員進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，否則程序使用默認(rèn)的系統(tǒng)參數(shù)；接著，進(jìn)入監(jiān)控界面來(lái)選擇調(diào)節(jié)方式，啟動(dòng)重心調(diào)節(jié)。

在重心調(diào)節(jié)過(guò)程中，為了提高程序的執(zhí)行效率，減少主進(jìn)程的負(fù)擔(dān)，由主進(jìn)程來(lái)完成界面的動(dòng)畫(huà)顯示以及數(shù)據(jù)的分析、存儲(chǔ)任務(wù)；同時(shí)創(chuàng)建了一個(gè)20 ms周期的異步定時(shí)器來(lái)完成與控制器的通信任務(wù)：獲取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息，并將操作員輸入的指令發(fā)送給控制器。

監(jiān)控界面上顯示的內(nèi)容包括：飛機(jī)實(shí)時(shí)重量重心、配重物各部分質(zhì)量及坐標(biāo)、飛機(jī)姿態(tài)、當(dāng)前系統(tǒng)的工作模式以及動(dòng)畫(huà)演示系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)過(guò)程等。

圖6　上位機(jī)軟件流程圖

3.2下位機(jī)控制器軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)控制器端軟件開(kāi)發(fā)任務(wù)包括PRU-ICSS子系統(tǒng)程序和內(nèi)核軟件。

3.2.1PRU-ICSS子系統(tǒng)程序

在前面硬件設(shè)計(jì)時(shí)，從硬件上對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)任務(wù)和并發(fā)處理進(jìn)行了優(yōu)化，即將一部分實(shí)時(shí)任務(wù)交由PRU-ICSS子系統(tǒng)獨(dú)立處理，PRU-ICSS子系統(tǒng)能夠消除由于Linux進(jìn)程環(huán)境切換所造成的開(kāi)銷，同時(shí)也分擔(dān)了主處理器的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)效率。主處理器上運(yùn)行的進(jìn)程和PRU-ICSS子系統(tǒng)上的進(jìn)程之間通過(guò)共享的256K RAM實(shí)現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)共享。

該子系統(tǒng)的主要任務(wù)是采集傳感器信號(hào)、獲取機(jī)載數(shù)據(jù)以及與駕駛艙終端進(jìn)行通信，并將接收到的數(shù)據(jù)和指令存放在指定的內(nèi)存位置處，提供給內(nèi)核程序讀取處理。子系統(tǒng)軟件每隔10 ms對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行一次讀取，脈沖信號(hào)則通過(guò)該子系統(tǒng)中的增強(qiáng)型輸入捕獲引腳進(jìn)行計(jì)數(shù)。程序流程如圖7所示。

圖7　下位機(jī)PRU-ICSS子系統(tǒng)軟件流程圖

3.2.2內(nèi)核程序

內(nèi)核程序運(yùn)行于嵌入式Linux軟件平臺(tái)上，主要完成數(shù)據(jù)處理、重心計(jì)算、輸出控制指令以及與上位機(jī)通信的任務(wù)。

考慮到嵌入式Linux系統(tǒng)本身是一個(gè)分時(shí)操作系統(tǒng)，其系統(tǒng)目標(biāo)為較友好的平均響應(yīng)時(shí)間和較高的吞吐量，而實(shí)時(shí)系統(tǒng)則主要考慮任務(wù)的按時(shí)完成，盡量減少進(jìn)程運(yùn)行的不可預(yù)測(cè)性。Linux 2.6版本之后的內(nèi)核在支持嵌入式方面作了大量改進(jìn)，對(duì)多核的支持、內(nèi)存管理、進(jìn)程調(diào)度、搶占性和響應(yīng)時(shí)間等多方面性能都有顯著提高[3]，但嵌入式linux還不是硬實(shí)時(shí)，因此為了滿足本系統(tǒng)實(shí)時(shí)性方面的要求，需要對(duì)其作一些相關(guān)的改進(jìn)。

針對(duì)嵌入式Linux系統(tǒng)時(shí)鐘中斷的精度不高、核心態(tài)進(jìn)程不可被搶占、虛擬內(nèi)存的內(nèi)存管理方式所帶來(lái)的實(shí)時(shí)性不足，進(jìn)行以下優(yōu)化：

1)修改系統(tǒng)時(shí)鐘粒度：系統(tǒng)時(shí)鐘粒度是整個(gè)操作系統(tǒng)的節(jié)拍，決定了該系統(tǒng)調(diào)度的分辨率。linux系統(tǒng)中在每一個(gè)時(shí)鐘tick的中斷服務(wù)程序中，都會(huì)對(duì)所有進(jìn)程的可運(yùn)行標(biāo)志和權(quán)值等進(jìn)行檢查，并對(duì)時(shí)間片進(jìn)行處理，這將直接影響到能否及時(shí)地把CPU分配給需要及時(shí)運(yùn)行的進(jìn)程。在未經(jīng)修改的嵌入式Linux操作系統(tǒng)中每間隔20 ms，硬件定時(shí)器會(huì)產(chǎn)生一次中斷，引發(fā)新的進(jìn)程調(diào)度時(shí)機(jī)，本系統(tǒng)中，我們將時(shí)鐘粒度修改為1 ms，來(lái)提高實(shí)時(shí)性能。

2)系統(tǒng)時(shí)鐘每隔1 ms會(huì)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘中斷，該中斷進(jìn)程是運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)的，本文將計(jì)算飛機(jī)重心以及輸出控制任務(wù)放入處于內(nèi)核態(tài)的該中斷處理程序中。

因此，內(nèi)核程序每隔1 ms會(huì)根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)解算一次飛機(jī)當(dāng)前重心并與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后選擇對(duì)應(yīng)的控制策略來(lái)調(diào)整配重系統(tǒng)從而調(diào)節(jié)飛機(jī)重心。由于該實(shí)時(shí)任務(wù)融合進(jìn)了操作系統(tǒng)內(nèi)核的時(shí)鐘中斷程序中，因而能夠?qū)ζ渌菍?shí)時(shí)任務(wù)進(jìn)行內(nèi)核搶占，滿足實(shí)時(shí)解算、輸出控制信號(hào)的要求。

3.3駕駛艙終端軟件設(shè)計(jì)

駕駛艙終端軟件分為：終端交互界面開(kāi)發(fā)、PRU-ICSS子系統(tǒng)程序兩部分。

終端交互界面是以嵌入式LINUX作為軟件平臺(tái)，利用QT工具開(kāi)發(fā)圖形化用戶界面：一方面顯示當(dāng)前飛機(jī)重心數(shù)據(jù)和可進(jìn)行的操作選項(xiàng)，另一方面飛行員通過(guò)觸摸LCD可以選擇調(diào)節(jié)模式、設(shè)定飛機(jī)重心。

PRU-ICSS子系統(tǒng)程序通過(guò)RS422串口完成與下位機(jī)控制器的通信：將飛行員設(shè)定的調(diào)節(jié)模式、飛機(jī)重心數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)控制器，并從下位機(jī)控制器中獲取實(shí)時(shí)重心相關(guān)數(shù)據(jù)以及調(diào)節(jié)進(jìn)度信息。

4　試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證飛機(jī)重心調(diào)控系統(tǒng)功能的正確性以及各項(xiàng)指標(biāo)是否達(dá)到要求，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做了多次地面試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。一方面記錄下飛機(jī)實(shí)時(shí)重心、系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間等數(shù)據(jù)，并計(jì)算出重心的調(diào)節(jié)誤差、調(diào)節(jié)速度；另一方面通過(guò)上位機(jī)記錄并繪制出重心的動(dòng)態(tài)保持曲線，分析動(dòng)態(tài)保持時(shí)的重心誤差。

4.1調(diào)節(jié)速度及誤差分析

通過(guò)駕駛艙終端或者監(jiān)控中心設(shè)定目標(biāo)重心值，此時(shí)實(shí)時(shí)重心偏離設(shè)定重心，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)調(diào)節(jié)，將飛機(jī)重心調(diào)節(jié)到預(yù)設(shè)值。多次試驗(yàn)的記錄數(shù)據(jù)如表1所示，分析表中數(shù)據(jù)可知系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度大于0.9%MAC/min，調(diào)節(jié)誤差小于0.03%MAC，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

4.2重心動(dòng)態(tài)保持誤差分析

表1中第二次試驗(yàn)的重心動(dòng)態(tài)保持曲線如圖8所示：系統(tǒng)啟動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，飛機(jī)初始重心值為21%MAC，預(yù)設(shè)重心設(shè)定為22%MAC，到1 min時(shí)，飛機(jī)重心被調(diào)節(jié)到22.02%MAC。但之后隨著飛機(jī)燃油(或者飛機(jī)姿態(tài)、起落架狀態(tài)等)的影響，重心值發(fā)生改變；此時(shí)，調(diào)控系統(tǒng)朝燃油影響的相反方向調(diào)節(jié)配重物，將重心穩(wěn)定在22%MAC到22.2%MAC的范圍內(nèi)。

表1　重心自動(dòng)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)記錄表

圖8　重心動(dòng)態(tài)保持曲線

5　總結(jié)

本文以飛機(jī)重心調(diào)控系統(tǒng)為項(xiàng)目背景，設(shè)計(jì)了整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控方案，包括上位機(jī)、下位機(jī)控制器、駕駛艙終端3個(gè)方面的硬件及軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)下位機(jī)控制器時(shí)，一方面利用AM4379芯片上自帶的PRU-ICSS子系統(tǒng)來(lái)分擔(dān)處理器任務(wù)，使得多個(gè)任務(wù)可以并發(fā)執(zhí)行，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能；另一方面，通過(guò)對(duì)嵌入式Linux操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性改進(jìn)增強(qiáng)來(lái)滿足響應(yīng)時(shí)間的要求。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)的性能指標(biāo)均能達(dá)到要求。

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Barycentre Control System of Trial Flight Based on Embedded Linux

Fan Panguo，Chen Kaifeng，Xing Baohao

(College of Automation, Northwestern Polytechnical University,Xi′an710129,China)

in order to test the control-stability and performances of the airplane,adjusting the barycentre of the trial flight is needed.So a set of barycentre control system is presented,which consists of the main computer,the controller and the cockpit terminal.the main computer is used to monitor the system,and the monitoring screen is designed by Labwindows/CVI;The controller runs Linux OS on the AM4379 processor chip,completing tasks such as datas acquisition,I/O control and transmission.The cockpit terminal uses QT tool to design the HMI.The hardware design,software design and the RT-performance improvements of the embedded Linux are mainly introduced.Tests show that this system has advantages of high reliability,short-time delay and fast control speed.

barycentre control;ARM;embedded Linux;Labwindows/CVI

1671-4598(2016)04-0091-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.027

V249.1

A

2015-10-28；

2015-11-24。

范蟠果(1960-)，男，陜西西安人，碩士生導(dǎo)師，副教授，主要從事計(jì)算機(jī)測(cè)控方向的研究。