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(中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙 410200)

0 引言

隨著全新的多電/全電飛機(jī)技術(shù)的深入研究及其在多種機(jī)型中的驗(yàn)證與實(shí)際應(yīng)用，推動(dòng)了飛機(jī)起落架系統(tǒng)的收放裝置、前輪轉(zhuǎn)彎以及機(jī)輪剎車(chē)等重要功能部件從傳統(tǒng)的液壓機(jī)械式控制向數(shù)字電子控制的方式轉(zhuǎn)變。數(shù)字電子控制方式有效的實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)重量減負(fù)，同時(shí)也提升了起落架控制系統(tǒng)的響應(yīng)速率和靈活性。研究實(shí)現(xiàn)具有高可靠、高安全性的機(jī)載起落架控制系統(tǒng)成為迫切需要解決的問(wèn)題。

數(shù)字電子控制系統(tǒng)由于其電子器件固有的失效概率，在實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中主要采用功能部件的冗余部分及有效管理來(lái)彌補(bǔ)其不足。系統(tǒng)工作時(shí)，冗余部件分別正常的獨(dú)立工作，任意時(shí)刻僅有一個(gè)部件完成系統(tǒng)輸出控制。冗余部件間能夠?qū)Ρ舜碎g的重要信息進(jìn)行共享、監(jiān)控及功能故障時(shí)重構(gòu)，必然要求有高效、可靠的數(shù)據(jù)通信作為基礎(chǔ)支撐。

RS485作為一種串行通信接口，具有傳輸距離較長(zhǎng)、速度較高、低成本、可靠度高等特點(diǎn)，已在智能管理[1]、在線控制[2]等眾多領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用[3]。RS485提供并保障了硬件層面Bit位數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，?yīng)用系統(tǒng)則可以在利用RS485總線組建主從式或總線式通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行應(yīng)用邏輯層面的通信協(xié)議/算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，可以有效提高應(yīng)用系統(tǒng)的靈活性，同時(shí)也滿足了實(shí)際應(yīng)用需求的便捷性。

本文以AG600水陸兩棲飛機(jī)的起落架系統(tǒng)綜合試驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，針對(duì)多路傳感器信息采集與傳輸、主備單元之間信息重構(gòu)、邏輯解算和驅(qū)動(dòng)控制的信息共享需求，組建了一種RS485主從式通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了以幀為單位的數(shù)據(jù)解析算法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了以幀元為單位的算法優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該算法具備較好的實(shí)時(shí)性，滿足起落架控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信控制需求。

1 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

起落架控制系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 起落架控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

控制系統(tǒng)主要由主控單元(主控1路、備控1路)、驅(qū)動(dòng)單元(前起驅(qū)動(dòng)主驅(qū)1路、前起驅(qū)動(dòng)備驅(qū)1路、左主起驅(qū)動(dòng)主驅(qū)1路、左主起驅(qū)動(dòng)備驅(qū)1路、右主起驅(qū)動(dòng)主驅(qū)1路、右主起驅(qū)動(dòng)備驅(qū)1路)共8路組成。

1.1 主控單元

作為控制系統(tǒng)的核心調(diào)度部件，主控單元實(shí)現(xiàn)的主要功能及工作原理：

1)負(fù)責(zé)接收和響應(yīng)飛控主機(jī)下達(dá)的收放控制及系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)控指令；

2)將接收的控制指令轉(zhuǎn)化為實(shí)際需要執(zhí)行的驅(qū)動(dòng)指令，下達(dá)給各相關(guān)驅(qū)動(dòng)單元；

3)接收各驅(qū)動(dòng)單元反饋的邏輯解算及狀態(tài)信息；

4)對(duì)各驅(qū)動(dòng)單元的反饋信息進(jìn)行綜合，執(zhí)行起落架系統(tǒng)級(jí)控制邏輯解算；

5)將飛控主機(jī)的指令執(zhí)行及控制系統(tǒng)的健康狀態(tài)通過(guò)ARINC429總線反饋給飛控主機(jī)；

6)默認(rèn)狀態(tài)下，主控單元正常工作輸出，備控單元正常工作但不輸出控制信號(hào)，僅在主控單元出現(xiàn)故障時(shí)才接管輸出控制。

1.2 驅(qū)動(dòng)單元

作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行驅(qū)動(dòng)部件，驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)的主要功能及工作原理：

1)負(fù)責(zé)接收主控單元下達(dá)的驅(qū)動(dòng)指令和單元工作狀態(tài)監(jiān)控指令；

2)將接收的驅(qū)動(dòng)指令轉(zhuǎn)化為實(shí)際需要執(zhí)行的驅(qū)動(dòng)指令；

3)負(fù)責(zé)完成所連接的位置傳感器信息采集及傳感器校準(zhǔn)，連接的傳感器包括前起驅(qū)動(dòng)主/備單元各7路，左主起驅(qū)動(dòng)主/備單元各6路、右主起驅(qū)動(dòng)主/備單元各6路，共38路(7×2+6×2+6×2)；

4)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)單元級(jí)邏輯解算，驅(qū)動(dòng)作動(dòng)部件完成驅(qū)動(dòng)功能；

5)將主控單元下達(dá)指令的執(zhí)行情況及驅(qū)動(dòng)單元自身的健康狀態(tài)通過(guò)RS485總線反饋給主控單元；

6)默認(rèn)狀態(tài)下，主驅(qū)單元正常工作輸出，備驅(qū)單元正常工作但不輸出控制信號(hào)，僅在主驅(qū)單元出現(xiàn)故障時(shí)才接管輸出控制。

1.3 數(shù)據(jù)通訊與共享

1)主控單元與飛控主機(jī)之間通過(guò)ARINC429總線(采用總線及通信協(xié)議由飛控主機(jī)方確定)進(jìn)行通信，具體的ARINC429總線信息可參考文獻(xiàn)[4]做進(jìn)一步的詳細(xì)了解；

2)主控單元與各驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)RS485總線進(jìn)行控制命令(包括起落架收指令、起落架放指令、應(yīng)急放指令)及健康狀態(tài)(包括傳感器工作狀態(tài)、系統(tǒng)上電自檢測(cè)PBIT、周期/連續(xù)自檢CBIT等)以及系統(tǒng)告警指示等信息的傳輸；

3)主控單元和驅(qū)動(dòng)單元各自的主、備單元之間通過(guò)共享RAM方式進(jìn)行信息的重構(gòu)且互為備份；

4)系統(tǒng)設(shè)置主位置(硬件板塊插接位置)、單元工作有效兩個(gè)狀態(tài)標(biāo)識(shí)位用以識(shí)別主/備單元，當(dāng)系統(tǒng)識(shí)別出兩個(gè)標(biāo)識(shí)位都有效時(shí)才確定其為主單元，否則識(shí)別為備份單元，具體的有效性由相應(yīng)的CPLD硬件仲裁確定。

2 通信算法設(shè)計(jì)

對(duì)于應(yīng)用系統(tǒng)而言，RS485串行通訊標(biāo)準(zhǔn)定義了電壓、阻抗等內(nèi)容，但不對(duì)軟件協(xié)議給予定義，它通過(guò)對(duì)起始、停止電平的檢測(cè)與轉(zhuǎn)換，加上奇偶校驗(yàn)以及硬件握手信號(hào)等，實(shí)現(xiàn)并保障了通信的可靠性，其提供服務(wù)的僅僅是面向Bit位的基礎(chǔ)通信，要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯，特別是在主從式、總線型通信架構(gòu)中多設(shè)備之間進(jìn)行通信時(shí)，必然需要通過(guò)自定義的通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，即本文所指的面向應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯的通信算法。

2.1 幀結(jié)構(gòu)定義

針對(duì)起落架控制系統(tǒng)的通信需求，每次通信的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為15個(gè)字節(jié)(包括數(shù)據(jù)的頭、尾標(biāo)識(shí)信息)，本文在參考文獻(xiàn)[5-7]中幀格式設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)了如圖2所示固定長(zhǎng)度的幀結(jié)構(gòu)。

圖2 幀結(jié)構(gòu)定義

幀結(jié)構(gòu)主要由6部分組成：

1)幀頭：表示一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)始，用于同步控制，系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)定為0xAA，長(zhǎng)度為1字節(jié)；

2)目的ID：表示各主備單元分配的ID號(hào)，表明該幀數(shù)據(jù)的接收者，取值范圍(0～7，255)，其中255為廣播ID，僅由主控單元發(fā)起單元BIT、故障復(fù)位等特殊指令時(shí)使用，長(zhǎng)度為1字節(jié)；

3)源ID：表示各主備單元分配的ID號(hào)，表明該幀數(shù)據(jù)的發(fā)送者，取值范圍(0～7)，長(zhǎng)度為1字節(jié)；

4)傳輸數(shù)據(jù)：內(nèi)容為要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，長(zhǎng)度固定為10個(gè)字節(jié)；

5)控制位：表示該源ID發(fā)送的數(shù)據(jù)是控制輸出/備份輸出的標(biāo)識(shí)，長(zhǎng)度為1字節(jié)；

6)幀尾：表示一幀數(shù)據(jù)的結(jié)尾，系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)定為0x55，長(zhǎng)度為1字節(jié)。

2.2 單幀解析算法

所謂單幀解析算法是指在待解析數(shù)據(jù)中同時(shí)存在數(shù)據(jù)頭、數(shù)據(jù)尾且數(shù)據(jù)長(zhǎng)度符合幀長(zhǎng)度要求時(shí)，即為解析出完整的數(shù)據(jù)幀。

針對(duì)系統(tǒng)中每幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為15個(gè)字節(jié)，采用循環(huán)緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)(數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小64字節(jié)，最多同時(shí)緩存四幀數(shù)據(jù))實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。設(shè)計(jì)使用的數(shù)據(jù)指針包括：新數(shù)據(jù)指針NIdx、數(shù)據(jù)訪問(wèn)指針AIdx，幀有效標(biāo)識(shí)Fflag(初始時(shí)為假)。

1)數(shù)據(jù)接收采用中斷方式，流程如圖3所示，基本思想如下。

圖3 中斷數(shù)據(jù)接收流程

a)接收到新數(shù)據(jù)，判斷幀頭標(biāo)識(shí)，為假轉(zhuǎn)到b)，為真轉(zhuǎn)到c)；

b)判斷新數(shù)據(jù)是否為幀頭，是則置幀頭標(biāo)識(shí)為真，轉(zhuǎn)到d)，否則轉(zhuǎn)到e)；

c)判斷單元ID檢測(cè)標(biāo)識(shí)，為假則判斷該數(shù)據(jù)是否與當(dāng)前單元ID或?yàn)?55，是則單元ID檢測(cè)標(biāo)識(shí)為真，轉(zhuǎn)到d)，否則轉(zhuǎn)到b)；

d)將新數(shù)據(jù)添加到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)NIdx位置，NIdx增1，中斷返回；

e)丟棄當(dāng)前新數(shù)據(jù)，中斷返回。

2)單幀解碼算法采用定時(shí)器方式周期處理，流程如圖4所示，基本思想是：

圖4 單幀解析流程

a)判斷緩沖區(qū)的有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度≥15(幀長(zhǎng))?是則轉(zhuǎn)到b)，否則轉(zhuǎn)到e)；

b)判斷數(shù)據(jù)緩沖區(qū)AIdx增14處數(shù)據(jù)是否為幀尾標(biāo)識(shí)，是則轉(zhuǎn)到c)，否則轉(zhuǎn)到d)；

c)置Fflag為真，返回實(shí)際數(shù)據(jù)，AIdx增15，轉(zhuǎn)到e)；

d)置Fflag為假，在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中檢索幀頭，存在則置AIdx增x(x為幀頭位置計(jì)數(shù))，轉(zhuǎn)到a)，否則置AIdx為NIdx，轉(zhuǎn)到e)；

e)函數(shù)退出。

注：算法中增x操作是指數(shù)據(jù)加x后取模64的操作。

2.3 通訊策略

起落架控制系統(tǒng)中采用主控單元接收飛控機(jī)的指令(指令頻度10 Hz)，再下達(dá)給驅(qū)動(dòng)單元執(zhí)行的模式工作(控制頻度20 Hz)?？刂葡到y(tǒng)設(shè)定任意一次通訊均由主控單元(主)發(fā)起，驅(qū)動(dòng)單元(主、備)應(yīng)答反饋的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式，主要包括：

1)主控單元(主)向驅(qū)動(dòng)單元(主/備)發(fā)起通信指令；

2)驅(qū)動(dòng)單元(主/備)接收到主控單元(主)的通信指令后，進(jìn)行信息打包并反饋。

采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的主從應(yīng)答方式，避免了通信總線的訪問(wèn)沖突。

3 算法優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 單幀解析算法分析

采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的主從應(yīng)答方式，帶來(lái)了系統(tǒng)一定效率的損失。對(duì)主控單元而言，單次完整的通訊涉及驅(qū)動(dòng)單元的主/備各3個(gè)共6次通信，按控制頻度20 Hz(50 ms)、通信3 ms/時(shí)間片來(lái)計(jì)算，用于通信的CPU實(shí)際占用率為6×3/50×100%=36%，對(duì)于系統(tǒng)本身的實(shí)時(shí)性要求而言，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

由單幀解析算法可知，算法處理的是定長(zhǎng)數(shù)據(jù)，把整個(gè)通信數(shù)據(jù)的處理分成兩個(gè)環(huán)節(jié)：串口中斷數(shù)據(jù)接收和目的ID驗(yàn)證、幀內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的驗(yàn)證提取。

改進(jìn)思路是：將數(shù)據(jù)驗(yàn)證提取歸并到串口數(shù)據(jù)接收的同時(shí)進(jìn)行，即數(shù)據(jù)接收的同時(shí)進(jìn)行幀元數(shù)據(jù)的驗(yàn)證提取。此外，為了提高算法的靈活性，將定長(zhǎng)數(shù)據(jù)變更為變長(zhǎng)數(shù)據(jù)，同時(shí)加強(qiáng)了幀數(shù)據(jù)的有效性校驗(yàn)方式。

3.2 變長(zhǎng)幀結(jié)構(gòu)定義

在圖2中幀結(jié)構(gòu)定義的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的變長(zhǎng)幀結(jié)構(gòu)定義如圖5所示，由7部分組成。

圖5 變長(zhǎng)幀結(jié)構(gòu)定義

1)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：表示該幀傳輸數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，長(zhǎng)度為1字節(jié)；

2)幀尾：將系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)定的0x55變更為傳輸數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和(累加，取反，加1，取低7位；或?yàn)閿?shù)據(jù)字節(jié)的異或操作)，長(zhǎng)度為1字節(jié)。

3)其余各字段與圖2中所述的含義相同。

3.3 幀元解析算法

幀元解析算法采用串口中斷函數(shù)實(shí)現(xiàn)，在串口數(shù)據(jù)接收的同時(shí)進(jìn)行幀元數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和提取，算法用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與單幀解析算法相同，當(dāng)前驗(yàn)證標(biāo)識(shí)Vtag初始化為幀頭，流程如圖6所示。

圖6 幀元解析算法流程

基本思想是：

a)接收到新數(shù)據(jù)，將其添加到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)NIdx位置，NIdx增1；

b)判斷數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是否有新數(shù)據(jù)(AIdx≠NIdx)，有則轉(zhuǎn)到c)，否則轉(zhuǎn)到l)；

c)臨時(shí)存儲(chǔ)AIdx到TIdx；

d)判斷Vtag是否為幀頭，是則轉(zhuǎn)到e)，否則轉(zhuǎn)到f)；

e)在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中檢索幀頭，存在則置AIdx增x+1(x為幀頭位置計(jì)數(shù))，置Vtag為目的ID，轉(zhuǎn)到f)，否則置AIdx為NIdx，轉(zhuǎn)到l)；

f)判斷Vtag是否為目的ID，是則轉(zhuǎn)到g)，否則轉(zhuǎn)到h)；

g)判斷數(shù)據(jù)緩沖區(qū)AIdx位置數(shù)據(jù)是否為本單元ID或255，是則置Vtag為數(shù)據(jù)有效性，AIdx增2，轉(zhuǎn)到h)，否則置Vtag為幀頭，轉(zhuǎn)到b)；

h)判斷Vtag是否為數(shù)據(jù)有效性，是則轉(zhuǎn)到i)，否則置Vtag為幀頭，轉(zhuǎn)到b)；

i)按照設(shè)定的校驗(yàn)方式對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)處理，AIdx增1，判斷是否完成該幀中指定數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，是則轉(zhuǎn)到j(luò))，否則轉(zhuǎn)到b)；

j)判斷實(shí)際校驗(yàn)結(jié)果與校驗(yàn)位是否一致，是則轉(zhuǎn)到k)，否則置Vtag為幀頭，置AIdx=TIdx+2，轉(zhuǎn)到b)；

k)置Fflag為真，返回實(shí)際數(shù)據(jù)，AIdx增2；

l)中斷返回。

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)驗(yàn)證以AG600水陸兩棲飛機(jī)起落架系統(tǒng)的綜合試驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，由主控、驅(qū)動(dòng)共8個(gè)單元的冗余控制結(jié)構(gòu)組成，組建了RS485主從式通信網(wǎng)絡(luò)，采集處理的信號(hào)包括傳感器38路、電磁閥3路驅(qū)動(dòng)控制、前起落架和左右主起落架共3路電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)以及各主控和驅(qū)動(dòng)單元的電壓、CPU工作狀態(tài)、流程關(guān)鍵環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè)及系統(tǒng)周期BIT等。

對(duì)主控單元而言，單次完整的通訊涉及驅(qū)動(dòng)單元的主/備各3個(gè)共6次通信。

1)系統(tǒng)控制頻度設(shè)定為20 Hz(50 ms周期)時(shí)：

a)單幀解析算法采用通信3 ms/時(shí)間片輪轉(zhuǎn)，用于通信的CPU實(shí)際占用率為6×3/50×100%=36%，消耗時(shí)間實(shí)際為固定時(shí)間片輪轉(zhuǎn)所需間隔周期；

b)幀元解析算法用于通信的時(shí)間主要為中斷響應(yīng)和處理時(shí)間，其消耗的時(shí)間為指令取指、譯碼及存貯等指令執(zhí)行周期，無(wú)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)等待周期，實(shí)時(shí)性自然好得多。

經(jīng)在實(shí)際的硬件平臺(tái)中加以驗(yàn)證比較后，兩種算法均滿足實(shí)時(shí)性要求。

2)系統(tǒng)控制頻度設(shè)定為50 Hz(20 ms周期)時(shí)：

a)單幀解析算法采用通信改為2 ms/時(shí)間片輪轉(zhuǎn)，用于通信的CPU實(shí)際占用率為6×2/20×100%=60%，嚴(yán)重影響了傳感器數(shù)據(jù)采集、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的周期執(zhí)行，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性無(wú)法保證；

b)幀元解析算法保持性能不變，滿足實(shí)時(shí)性要求。

經(jīng)在實(shí)際的硬件平臺(tái)中加以驗(yàn)證比較后，幀解析算法出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失，系統(tǒng)控制響應(yīng)慢等現(xiàn)象，幀元解析算法保持了較好的實(shí)時(shí)性。

顯然，從兩種算法的實(shí)現(xiàn)思想進(jìn)行分析比較，幀解析算法采用固定時(shí)間片、固定數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，且數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)提取處理相互單獨(dú)，順序進(jìn)行，系統(tǒng)效率過(guò)多的消耗在時(shí)間片輪轉(zhuǎn)等待中，而幀元解析算法則采用在數(shù)據(jù)接收的同時(shí)完成了數(shù)據(jù)的驗(yàn)證提取，通訊時(shí)間基本上是物理鏈路所需的信息傳輸時(shí)間，且兩次通信間無(wú)等待間隔，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)采集、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的周期執(zhí)行無(wú)影響，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較好，滿足系統(tǒng)裕度要求。

4 結(jié)論

本文通過(guò)以AG600水陸兩棲飛機(jī)起落架系統(tǒng)的綜合試驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，組建了RS485主從式通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了幀解析的通信算法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了分析和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了基于幀元數(shù)據(jù)的解析通信算法，在實(shí)際的綜合試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明滿足實(shí)際的應(yīng)用需求。其中，在主備單元之間的信息傳輸重構(gòu)上，采用了文獻(xiàn)[8]中類(lèi)似的硬件支持的共享RAM方式，在后續(xù)的工作中可以考慮直接采用主從網(wǎng)絡(luò)通信來(lái)實(shí)現(xiàn)，如參考文獻(xiàn)[7]中1-堅(jiān)持型退避算法、文獻(xiàn)[9]中類(lèi)似于以太網(wǎng)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)協(xié)議(CSMA/CD)來(lái)解決通信總線的沖突檢測(cè)問(wèn)題，借鑒文獻(xiàn)[10]中所述BIT可靠性的軟硬件設(shè)計(jì)方法來(lái)進(jìn)一步提高通信的可靠性。