孫沛+郭警濤

摘 要：針對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)電系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性和靈活性越來(lái)越高的要求，該文通過(guò)對(duì)機(jī)電管理計(jì)算機(jī)總體方案的分析和研究，依據(jù)模塊化設(shè)計(jì)思路，分別對(duì)機(jī)電管理計(jì)算機(jī)的硬件平臺(tái)和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，闡述了硬件電路和軟件流程的設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)在某無(wú)人機(jī)上的實(shí)踐應(yīng)用證明，該機(jī)電管理計(jì)算機(jī)具有高精度、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，且易于升級(jí)和功能擴(kuò)展，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī) 機(jī)電管理計(jì)算機(jī) 飛行器管理計(jì)算機(jī) 電磁干擾 外場(chǎng)可更換部件

中圖分類(lèi)號(hào)：V243 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 文章編號(hào)：1672-3791（2016）11（b）-0005-02

無(wú)人機(jī)是一種由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、機(jī)上無(wú)人駕駛、可重復(fù)使用的航空器的簡(jiǎn)稱(chēng)。它以其重量輕、體積小、造價(jià)低、隱蔽性好的性能特點(diǎn)， 更適于完成危險(xiǎn)性大、機(jī)動(dòng)性高的那些普通飛機(jī)難以完成的任務(wù)， 越來(lái)越廣泛應(yīng)用于軍需民用的各個(gè)方面。

UMC（Utility Management Computer/機(jī)電管理計(jì)算機(jī)）是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制，其中UMC完成信息采集、信息處理、信息輸出的功能。UMC的性能要求做到快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確，通常采用基于嵌入式系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，核心是嵌入式處理器，功能完善的機(jī)電管理計(jì)算機(jī)已成為現(xiàn)代飛機(jī)的標(biāo)志[1-2]。

該文通過(guò)對(duì)機(jī)電管理計(jì)算機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)機(jī)電管理系統(tǒng)對(duì)于高精度、高可靠性和實(shí)時(shí)性的要求。

1 UMC總體方案

UMC是一個(gè)外場(chǎng)可更換部件（LRU），對(duì)液壓系統(tǒng)、火警系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、EPU等系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)1553B總線傳給VMC（Vehicle Management Computer/飛行器管理計(jì)算機(jī)）和飛參。具體的UMC原理如圖1所示。

2 UMC硬件設(shè)計(jì)

UMC硬件設(shè)計(jì)遵循模塊化設(shè)計(jì)原則，主要包括數(shù)據(jù)處理模塊、總線接口模塊、串行通訊模塊、離散量采集模塊、離散量驅(qū)動(dòng)模塊、模擬量采集模塊[3-4]。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.1 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理模塊完成對(duì)UMC的控制和管理、與其他功能模塊進(jìn)行信息交換并完成解算和控制等任務(wù)，實(shí)現(xiàn)與VMC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞功能，完成UMC數(shù)據(jù)的記錄和輸出等功能。數(shù)據(jù)處理模塊由中央處理器CPU、程序存儲(chǔ)器、非易失存貯器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、中斷控制器、計(jì)時(shí)器、看門(mén)狗電路、自測(cè)試電路及控制電路等組成。數(shù)據(jù)處理模塊和其他模塊間握手方法為查詢、中斷或無(wú)條件讀寫(xiě)。具有兩路用于軟件調(diào)試的RS-232接口。

2.2 總線接口模塊設(shè)計(jì)

總線接口模塊主要完成UMC與VMC和飛參之間的數(shù)據(jù)通訊，總線接口模塊的功能電路主要由通信控制器、總線協(xié)議處理器、雙端口存儲(chǔ)器、主機(jī)接口電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、看門(mén)狗計(jì)時(shí)器、雙通道收發(fā)電路組成。其中，通信控制器主要完成總線協(xié)議處理器的初始化、多消息組織及傳輸管理工作，并響應(yīng)主機(jī)命令，負(fù)責(zé)與主機(jī)進(jìn)行信息交換等。通信控制器具有16位的微處理器、8K×16 位的EPROM及8K×16位的RAM。通信控制器具有中斷處理功能；總線協(xié)議處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的全部功能；雙端口存儲(chǔ)器容量為8 kB，用于存放從多路傳輸數(shù)據(jù)總線接收或發(fā)送到多路傳輸數(shù)據(jù)總線上的所有消息和存放協(xié)議執(zhí)行過(guò)程中所使用的通信命令表。

2.3 串行通訊模塊設(shè)計(jì)

串行通訊模塊用于完成RS-422A異步串行數(shù)據(jù)通信接口。異步串行數(shù)據(jù)通信接口傳輸率：9 600 bps。在串行通訊模塊中包括緩沖驅(qū)動(dòng)電路，譯碼控制電路，時(shí)鐘電路，串行通信電路。串行通信控制電路由88C681芯片構(gòu)成。88C681與CPU之間的握手方式為中斷方式。該電路的主要功能是完成數(shù)據(jù)通信過(guò)程信息的編碼格式及數(shù)據(jù)串/并轉(zhuǎn)換等。時(shí)鐘電路由晶體振蕩器、驅(qū)動(dòng)電路組成，用于產(chǎn)生88C681的工作時(shí)鐘。采用3.686 4 MHz的晶體振蕩器，由54HCT244進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。接收和發(fā)送電路由MAX488、MAX483芯片分別構(gòu)成RS422的全雙工/半雙工通信鏈路。保護(hù)電路由電阻、電容和穩(wěn)壓網(wǎng)絡(luò)組成，可防止電磁干擾。

2.4 離散量采集模塊設(shè)計(jì)

離散量模塊主要完成離散量信號(hào)的輸入及變換。通過(guò)設(shè)計(jì)激勵(lì)電路、狀態(tài)回讀電路實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能。離散量模塊主要由EMI電路、電平轉(zhuǎn)換電路、緩沖驅(qū)動(dòng)電路、譯碼控制電路、BIT支持電路等組成。BIT電路按CPU要求執(zhí)行自測(cè)試。譯碼電路控制離散量模塊和CPU 的數(shù)據(jù)傳送和指令譯碼，控制離散量模塊的動(dòng)作。當(dāng)上電復(fù)位時(shí)，從子系統(tǒng)來(lái)的信號(hào)經(jīng)EMI濾波，并經(jīng)電平變換電路變換成一個(gè)TTL兼容電平，經(jīng)數(shù)據(jù)緩沖器，等待CPU讀取，數(shù)據(jù)傳送方式為無(wú)條件傳送，供CPU處理。

2.5 模擬量采集模塊設(shè)計(jì)

模擬量模塊主要完成模擬量信號(hào)的輸入及變換等功能。離散量模塊主要由LBE總線接口電路、A/D轉(zhuǎn)換電路接口電路、模擬多路開(kāi)關(guān)、隔離/濾波放大電路、譯碼控制電路、譯碼/控制電路、自測(cè)試支持電路。

3 UMC軟件設(shè)計(jì)

UMC軟件主要完成對(duì)供電系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、火警系統(tǒng)、EPU系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，并將監(jiān)測(cè)到的機(jī)電系統(tǒng)狀態(tài)信息上傳VMC和飛參，并接受VMC的控制指令。軟件的設(shè)計(jì)重點(diǎn)主要是任務(wù)的劃分及優(yōu)先級(jí)的設(shè)定，該系統(tǒng)選用國(guó)產(chǎn)天脈操作系統(tǒng)，以充分滿足UMC實(shí)時(shí)通訊的要求。

UMC軟件的工作流程如圖3所示， UMC加電啟動(dòng)后執(zhí)行主程序進(jìn)行自檢測(cè)，若有錯(cuò)誤，則報(bào)UMC自身故障，若成功，則創(chuàng)建主任務(wù)并執(zhí)行，包括數(shù)據(jù)的采集和處理、數(shù)據(jù)的控制解算、總線通訊、周期BIT測(cè)試等，最終完成對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理。

4 結(jié)語(yǔ)

該文研究了典型機(jī)電管理計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)架構(gòu)與軟硬件實(shí)現(xiàn)，并將該機(jī)電管理計(jì)算機(jī)應(yīng)用于某無(wú)人機(jī)機(jī)電管理系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)聯(lián)試試驗(yàn)，機(jī)電管理計(jì)算機(jī)穩(wěn)定可靠，實(shí)踐結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案合理可行，能夠滿足無(wú)人機(jī)機(jī)電管理計(jì)算機(jī)對(duì)于高精度和實(shí)時(shí)性的要求。

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