專利名稱：一種多余度飛控計算機實時仿真裝置及系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及實時仿真技術領域，具體涉及一種多余度飛控計算機實時仿 真裝置及系統(tǒng)。
背景技術：
目前，隨控布局技術在飛機設計制造中得到廣泛應用，同時對飛行品 質(zhì)、機動性和飛行范圍的要求也在不斷提高，飛控計算機的功能日趨復雜。 為滿足飛控計算機任務可靠性和安全性要求，余度技術被廣泛的應用在飛控 計算機的設計中。
余度設計是指需要出現(xiàn)兩個或兩個以上的獨立故障，才能引起既定的不 希望的工作狀態(tài)的 一種設計方式。余度設計包括余度結構設計和余度管理設 計兩個關4建方面。
飛控計算機余度結構是影響系統(tǒng)可靠性的關鍵因素，余度結構形式的選 擇是飛控計算機總體設計的重要方面。時至今日，已有多種余度結構在各種
軍用、民用飛機上得到成功應用。F-16A/B最早采用了四余度模擬式電傳飛 行控制系統(tǒng)；F-16C/D、 EF-2000、蘇-27、蘇-35、 C-17運輸機等采用相似 四余數(shù)字電傳系統(tǒng)；AFTI/F-16、 X-29采用相似三余度系統(tǒng)；Boeing-777采
用非相似三余度系統(tǒng)；二余度結構也在無人機上得到應用。'綜合來看，常見 的余度結構包括雙機比較熱備結構、三余度表決結構、三余度比較表決結 構、四余度表決結構等。
飛控計算機余度管理是系統(tǒng)實時運行中故障檢測與定位的主要方法。余
6度管理所實現(xiàn)的功能包括同步、交叉?zhèn)鬏敗⒐收暇C合、輸入數(shù)據(jù)表決監(jiān) 控、輸出數(shù)據(jù)表決監(jiān)控、故障隔離、系統(tǒng)重構。余度管理通過實時檢測和余 度計算機通道之間的表決、監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)各通道工作的故障，保證飛控系統(tǒng)工 作的正確性。在發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部故障時，有效隔離相應的余度通道并進行功能 重構。
在余度系統(tǒng)的設計、仿真、驗證過程中，涉及到余度結構的論證、與余 度結構相匹配的余度管理邏輯的設計、多余度飛控計算機的原型樣機實現(xiàn)、 實物設備在環(huán)的原型驗證等多個環(huán)節(jié)，這是一個長周期、多階段的復雜工 程，需要一套有力的仿真支持系統(tǒng)，輔助完成飛控計算機的余度設計及仿真 驗證。但是，尚未發(fā)現(xiàn)基于這種要求的多余度飛控計算機實時仿真系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術所存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種多余度飛控 計算機實時仿真裝置及系統(tǒng)，能夠為余度系統(tǒng)仿真開發(fā)和運行提供環(huán)境支持。
本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的
本發(fā)明提供了一種開發(fā)監(jiān)控主機，所述主機包括
建模支持模塊，用于為在Matlab/Simulink模型設計軟件環(huán)境中建立多余 度飛控計算機模型，提供建模支持，并將所述模型轉(zhuǎn)換為與所述余度通道對 應的子模型后，編譯為對應的目標處理器代碼；
仿真監(jiān)控模塊，用于將通過所述建模支持模塊獲得的目標處理器代碼， 分別加載到與所述余度通道對應的目標處理器上進行仿真運行；對所述余度 通道之間的信號進行圖形化監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)控結果對與所述目標處理器代碼運 行相關的參數(shù)進行在線修改，以及對實時仿真過程數(shù)據(jù)進行存儲，以支持對 所述模型算法的分析與優(yōu)化。
7優(yōu)選的，所述模型支持模塊具體包括
多余度仿真支持模塊庫，用于為建立所述多余度飛控計算機模型，提供
余度管理算法支持及硬件接口支持；
模型轉(zhuǎn)換單元，用于將根據(jù)所述多余度仿真支持模塊庫建立的所述模 型，根據(jù)所述余度通道之間數(shù)據(jù)的依賴關系拆分為與所述各余度通道對應的
子模型，并將所述子模型生成C代碼后，編譯為對應的目標處理器代碼；所 述目標處理器代碼適用于VxWorks實時操作系統(tǒng)。 優(yōu)選的，所述多余度仿真支持模塊庫具體包括
接口單元，在所述模型運行中，用于提供航電接口支持，與外部設備交 聯(lián)來接收輸入檢測信號，以及為所述模型的余度通道之間的數(shù)據(jù)傳遞提供接 口支持；
交叉?zhèn)鬟f單元，在所述模型運行時，用于將通過所述接口單元接收到的 輸入檢測信號在搭建的實時網(wǎng)絡中進行所述余度通道之間的實時數(shù)據(jù)交叉?zhèn)?遞，以使所述余度通道均能獲得其他余度通道的數(shù)據(jù)，進行表決；
表決單元，用于對所述交叉?zhèn)鬟f單元的輸出結果，通過表決邏輯判斷所 述余度通道的數(shù)據(jù)是否發(fā)生異常，并根據(jù)所述表決邏輯進行對應的處理后輸 出結果，確定對飛機的控制策略；
余度通道同步單元，用于控制與所述模型對應的余度通道之間信號運行 的同步，保證所述模型的連續(xù)平穩(wěn)運行。
優(yōu)選的，所述表決單元具體包括
前置表決子單元，用于對所述交叉?zhèn)鬟f單元輸出的輸入檢測信號，通過 表決邏輯進行故障信號檢測、識別與重構，并根據(jù)所述表決邏輯作對應的處 理，以保證為控制律計算過程提供正確的輸入數(shù)據(jù)；
后置表決子單元，用于對所述前置表決子單元獲得的輸入檢測信號，經(jīng) 過控制律計算后獲得的交叉?zhèn)鬟f結果，根據(jù)所述表決邏輯進行判斷及處理，以保證經(jīng)過控制律計算獲得的輸出控制信號的可靠性，以實現(xiàn)對飛機的可靠 控制。
優(yōu)選的，所述仿真監(jiān)控模塊具體包括
加載單元，用于通過以太網(wǎng)將所述建模支持模塊獲得的目標處理器代 碼，分別加載到與所述余度通道對應的目標處理器上；
運行控制單元，用于控制所述加載單元加載到所述目標處理器上的目標 處理器代碼仿真運行過程，包括啟動、停止、系統(tǒng)復位；
運行監(jiān)控單元，用于在所述運行控制單元運行所述目標處理器代碼后， 對仿真運行過程中的信號進行圖形化監(jiān)視，根據(jù)監(jiān)視結果對與所述目標處理 器代碼運行相關的參數(shù)進行在線修改；還用于對實時仿真過程數(shù)據(jù)進行存 儲，以支持對所述模型算法進行在線或離線的分析與優(yōu)化。
本發(fā)明提供了 一種實時仿真目標機，所述目標機采用VxWorks實時操作 系統(tǒng)，所述目標機包括
代碼接收模塊，用于接收通過以太網(wǎng)發(fā)送的與多余度飛控計算機模型對 應的目標處理器代碼，并將所述目標處理器代碼運行在對應的目標處理器 上，進行仿真；
運行支持模塊，用于構建與所述多余度飛控計算機模型對應的仿真運行 環(huán)境，以及為所述代碼接收模塊運行所述目標處理器代碼提供對應的硬件支持。
優(yōu)選的，所述運行支持模塊具體包括
余度通道構建單元，用于在所述目標機上采用處理器板構建與所述模型 對應的余度通道；所述每塊處理器板構成一個所述余度通道；
總線單元，用于在所述目標機上連接所述余度通道構建單元建立的所述 余度通道；所述總線單元采用VME總線或VPX總線系統(tǒng)；
9航電接口單元，用于在所述目標機上為所述總線單元提供與外部交聯(lián)環(huán) 境的連接接口，實現(xiàn)多余度飛控仿真計算機與外部交聯(lián)設備的輸入、輸出數(shù)
據(jù)通訊；
實時仿真網(wǎng)絡單元，用于在所述目標機上通過采用反射內(nèi)存實時網(wǎng)絡或 者采用VME總線背板共享內(nèi)存網(wǎng)絡，在運行過程中實現(xiàn)所述余度通道之間的 運行同步及數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬟f。
優(yōu)選的，所述處理器板釆用與所述總線單元相匹配的刀片式單處理器板 或者雙處理器板，支持x86及PowerPC架構處理器，以實現(xiàn)異構仿真；至少 兩個所述單處理器板構成多機表決余度結構；至少兩個所述雙處理器板處理 器板構成多機比較表決余度結構。
優(yōu)選的，所述航電接口單元支持ARINC429、 MIL-STD-1553B、 AFDX和 CAN總線接口中的至少一種接口 ，來實現(xiàn)與外部交聯(lián)環(huán)境的連接。
本發(fā)明提供了一種多余度飛控計算機實時仿真系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 如上所述的開發(fā)監(jiān)控主機以及如上所述的實時仿真目標機。
本發(fā)明的有益效果
由上述本發(fā)明提供的技術方案可以看出，本發(fā)明填補了多余度飛控計算 機實時仿真支持環(huán)境的空白。相對于純數(shù)字的軟件多余度仿真，本發(fā)明提供 了與實際飛控計算機具有一致余度結構的多處理器硬件平臺，為余度管理邏
輯及飛控算法模型提供了強大的實時運行環(huán)境，并支持實際航電接口以與外 部真實交聯(lián)設備連接；
另外，本發(fā)明支持以圖形化環(huán)境進行多余度模型設計，自動生成多余度 目標處理器代碼，并提供了完善的多余度飛控計算機實時仿真的運行監(jiān)控支 持?？傊景l(fā)明所提供的仿真系統(tǒng)，是一套高可信度、且靈活易用的多余度飛控計算機設計、仿真及驗證環(huán)境。


圖1為本發(fā)明實施例 一所述實時仿真主機的結構示意圖2為本發(fā)明實施例二所述實時仿真目標機的結構示意圖； 圖3為本發(fā)明實施例三所述系統(tǒng)的結構示意圖； 圖4為本發(fā)明實施例三中三余度飛控計算機的目標機結構示意圖； 圖5為本發(fā)明實施例三中所述三余度飛控計算機邏輯流程圖； 圖6為本發(fā)明實施例三中所述三余度飛控計算機的模型框圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的目的是提供一套適用于多余度飛控計算機的快速原型開發(fā)、實 時仿真驗證環(huán)境的多余度飛控計算機實時仿真裝置及系統(tǒng)，為飛控計算機余 度系統(tǒng)設計、仿真和驗證過程提供了一套有力的仿真支持系統(tǒng)，填補了現(xiàn)有 技術的空白。
為了進一步說明本發(fā)明所述的技術方案，下面結合具體實施方式
進行詳 細i兌明。
實施例一
結合圖1，本發(fā)明一種開發(fā)監(jiān)控主機，為余度系統(tǒng)仿真開發(fā)提供了支持環(huán) 境，所述主機包括
建模支持模塊S11，用于為在Matlab/Simulink模型設計軟件環(huán)境中建立 多余度飛控計算機模型，提供建模支持，并將所述模型轉(zhuǎn)換為與所述余度通 道對應的子模型后，編譯為對應的目標處理器代碼；
仿真監(jiān)控模塊S22,用于將通過所述建模支持模塊獲得的目標處理器代 碼，分別加載到與所述余度通道對應的目標處理器上進行仿真運行；對所述余度通道之間的信號進行圖形化監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)控結果對與所述目標處理器代 碼運行相關的參數(shù)進行在線修改，以及對實時仿真過程數(shù)據(jù)進行存儲，以支 持對所述模型算法的分析與優(yōu)化。
具體地說，所述主機是飛控計算機實時仿真系統(tǒng)功能軟件的運行載體，
能夠支持余度系統(tǒng)建模及實時仿真過程的管理。所述主機采用基于Windows XP/2000操作系統(tǒng)的桌面計算機，可以利用MathWorks公司的 Matlab/Simulink建模軟件，以及具有仿真管理功能的軟件進行圖形化的余度 管理算法開發(fā)及仿真。
具體地，所述模型支持模塊S11具體包括
多余度仿真支持模塊庫S11a,用于為建立所述多余度飛控計算機模型， 提供余度管理算法支持及硬件接口支持；
本實施例中在Matlab Simulink環(huán)境中將反射內(nèi)存接口 、航電總線接口以 其他接口、交叉?zhèn)鬟f單元(CCDL)、表決單元、以及各種余度表決算法， 封裝為Simulink模塊，并集成在Simulink環(huán)境中作為多余度仿真支持模塊庫， 為建立所述多余度飛控計算機模型提供建模工具及仿真支持。基于所述模塊 庫，可以便捷的建立各種余度結構的Simulink模型。
模型轉(zhuǎn)換單元S11 b,用于將根據(jù)所述多余度仿真支持模塊庫建立的所述 模型，根據(jù)所述余度通道之間數(shù)據(jù)的依賴關系拆分為與所述各余度通道對應 的子模型，并將所述子模型生成C代碼后，編譯為對應的目標處理器代碼； 所述目標處理器代碼適用于VxWorks實時操作系統(tǒng)。
所述VxWorks實時操作系統(tǒng)是美國Wind River System公司(以下筒稱 風河公司，即WRS公司)推出的一個實時操作系統(tǒng)。
本發(fā)明實施例中，所述模型轉(zhuǎn)換單元自動分析子模型交聯(lián)關系，并與建 模軟件中Matlab RTW工具相結合，將建立的多余度飛控計算機模型轉(zhuǎn)換為C 代碼，并編譯為目標處理器代碼；所述目標處理器代碼能夠自動加載到與建立的所述模型對應的各余度通道的目標處理器上，進行多余度飛控計算機模 型的實時仿真。
Matlab RTW ( Real-Time Windows Target)是Matlab Simulink圖形化建 模仿真環(huán)境的擴展，能夠由Simulink模型自動生成代碼。
具體地，所述多余度仿真支持模塊庫S11a具體包括
接口單元S11a1,在所述模型運行中，用于提供航電接口支持，與外部 設備交聯(lián)來接收輸入檢測信號，以及為所述模型的余度通道之間的數(shù)據(jù)傳遞 提供接口支持；
交叉?zhèn)鬟f單元S11a2,在所述模型運行時，用于將通過所述接口單元接 收到的輸入檢測信號在搭建的實時網(wǎng)絡中進行所述余度通道之間的實時數(shù)據(jù) 交叉?zhèn)鬟f，以使所述余度通道均能獲得其他余度通道的數(shù)據(jù)，進行表決；
本發(fā)明實施例一中采用交叉?zhèn)鬟f單元可以在所述模型運行時，將接收到 的外部傳感器信號(輸入檢測信號)進行各余度通道間的數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬟f，通 過交叉?zhèn)鬟f每個余度通道都能夠獲得其他通道的數(shù)據(jù)，這樣傳遞后能夠保證 各通道數(shù)據(jù)的 一致性和準確性。
表決單元S11a3，用于對所述交叉?zhèn)鬟f單元的輸出結果，通過表決邏輯 判斷所述余度通道的數(shù)據(jù)是否發(fā)生異常，并根據(jù)所述表決邏輯進行對應的處 理后輸出結果，確定對飛機的控制策略；
余度通道同步單元S11 a4，用于控制與所述模型對應的余度通道之間信 號運行的同步，保證所述模型的連續(xù)平穩(wěn)運行。
本發(fā)明實施例 一 中，可以通過構建實時網(wǎng)絡實現(xiàn)各余度通道之間運行的 同步。
具體地，所述表決單元S11a3具體包括
前置表決子單元S11a3',用于對所述交叉?zhèn)鬟f單元輸出的輸入檢測信 號，通過表決邏輯進行故障信號檢測、識別與重構，并根據(jù)所述表決邏輯作對應的處理，以保證為控制律計算過程提供正確的輸入數(shù)據(jù)；
后置表決子單元S11a3",用于對所述前置表決子單元獲得的輸入檢測信 號，經(jīng)過控制律計算后獲得的交叉?zhèn)鬟f結果，根據(jù)所述表決邏輯進行判斷及 處理，以保證經(jīng)過控制律計算獲得的輸出控制信號的可靠性，以實現(xiàn)對飛機 的可靠控制。
具體地說，所述表決邏輯的內(nèi)容包括
將當前所述余度通道獲得的信號與其它余度通道信號的中值作比較，若 絕對誤差超過設定的門限值，則該通道信號出現(xiàn)瞬態(tài)故障，若瞬態(tài)故障持續(xù) N個周期，則該信號出現(xiàn)永久故障；若各通道的信號未產(chǎn)生永久故障，則表 決結果選中值輸出；若一個通道出現(xiàn)永久故障，則將當前余度結構數(shù)減1后 進行表決；表決時，若各余度通道信號的絕對誤差不超過門限值時，取平均 值輸出；否則，給出錯誤標志。
在Simulink環(huán)境中，利用CCDL單元獲得各個余度通道的數(shù)據(jù)，然后表決 單元根據(jù)表決邏輯進行通道狀態(tài)判斷，在設定的故障條件滿足時，進行故障 隔離及系統(tǒng)重構。例如，對于三余度比較監(jiān)控飛控系統(tǒng)，其輸入輸出數(shù)據(jù)進 行交叉?zhèn)鬟f，并分別進行前置和后置的中值表決；根據(jù)表決結果，當某余度 通道首次出現(xiàn)故障時，則通道內(nèi)兩個處理器自動進行無擾切換，以使該余度 通道恢復功能；當某余度通道出現(xiàn)兩次故障后，則該余度通道切除，系統(tǒng)降 級為兩個余度通道的工作模式。
具體地，所述仿真監(jiān)控^t塊S22具體包括
加載單元S22a,用于通過以太網(wǎng)將所述建模支持模塊獲得的目標處理器 代碼，分別加載到與所述余度通道對應的目標處理器上；
運行控制單元S22b，用于控制所述加載單元加載到所述目標處理器上的 目標處理器代碼仿真運行過程，包括啟動、停止、系統(tǒng)復位；運行監(jiān)控單元S22c，用于在所述運行控制單元運行所述目標處理器代碼
后，對仿真運行過程中的信號進行圖形化監(jiān)視，根據(jù)監(jiān)視結果對與所述目標
處理器代碼運行相關的參數(shù)進行在線修改；還用于對實時仿真過程數(shù)據(jù)進行 存儲，以支持對所述模型算法進行在線或離線的分析與優(yōu)化。
實施例二
結合圖2所示，本發(fā)明提供了一種實時仿真目標機，所述目標機采用 VxWorks實時操作系統(tǒng)，基于成熟的COTS (商用貨架產(chǎn)品)貨架式產(chǎn)品構 建，為所述多余度飛控計算機模型的仿真提供了實時運行的支持環(huán)境，所述 目標機包括
代碼接收模塊S33,用于接收通過以太網(wǎng)發(fā)送的與多余度飛控計算機模 型對應的目標處理器代碼，并將所述目標處理器代碼運行在對應的目標處理 器上，進行仿真；
運行支持模塊S44，用于構建與所述多余度飛控計算機模型對應的仿真 運行環(huán)境，以及為所述代碼接收模塊運行所述目標處理器代碼提供對應的硬 件支持。
具體地說，所述運行支持模塊S44具體包括
余度通道構建單元S441,用于在所述目標機上采用處理器板構建與所述 模型對應的余度通道；所述每塊處理器板構成一個所述余度通道；
總線單元S442，用于在所述目標機上連接所述余度通道構建單元建立的 所述余度通道；所述總線單元采用VME總線或VPX總線系統(tǒng)；
本實施例二中所述總線單元采用支持多主處理器板的VME (VersaModule Eurocard )總線結構；配置多塊具有2個板載CPU的VME總 線處理器板作為所述余度通道構建單元來構建余度通道。每塊處理器板構成 一個余度通道。所述各處理器板之間通過反射內(nèi)存搭建的實時網(wǎng)絡連接。對于典型的三余度表決結構，可采用3塊處理器板構成3個余度通道。由于每塊 處理器板載有2個CPU,同樣能夠支持三余度比較表決結構的仿真。
本實施例在應用時，可通過增減處理器板搭建相應的仿真運行環(huán)境。從 技術上講，每個單目標機能夠支持高達20個余度通道。在具備硬件條件的前 提下，可通過軟件對余度結構進行靈活組態(tài)。例如，目標機中配置4塊雙 CPU處理器板，則通過加載不同的算法模型，可實現(xiàn)三余度表決結構、三余 度比較表決結構或者四余度表決結構等。
具體地說，所述總線單元可以包括仿真總線和任務總線，所述任務總線 用于實現(xiàn)所述模型與外部設備的交聯(lián)，包括1553B、 ARINC429和AFDX等 航空總線中的一種或多種；所述仿真總線采用反射內(nèi)存實時網(wǎng)絡或者VME背 板共享內(nèi)存網(wǎng)絡，支持所述余度通道之間的同步及數(shù)據(jù)的交叉?zhèn)鬟f。
航電接口單元S443,用于在所述目標機上為所述總線單元提供與外部交 聯(lián)環(huán)境的連接接口 ，來接收外部的輸入控制信號對所述模型進行仿真運行；
本發(fā)明實施例二中根據(jù)所述航電接口單元配置合適的ARINC429接口卡 或者MIL-STD-1553接口卡。另外，可配置串行接口、模擬量接口、數(shù)字量接 口等，以滿足外部設備的接口要求。所述目標機上運行VxWorks實時操作系 統(tǒng)，采用基于優(yōu)先級搶占的任務調(diào)度模式，為飛控計算機的控制律及余度管 理軟件提供實時運行環(huán)境。
實時仿真網(wǎng)絡單元S444，用于在所述目標機上通過采用反射內(nèi)存構建的 實時網(wǎng)絡或者采用VM E總線背板共享內(nèi)存網(wǎng)絡，在運行過程中實現(xiàn)所述余度 通道之間的運行同步及數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬟f。
本發(fā)明實施例二中采用反射內(nèi)存搭建的實時網(wǎng)絡來進行所述余度通道之 間同步運行及交叉數(shù)據(jù)傳遞；本發(fā)明實施例二中利用反射內(nèi)存的網(wǎng)絡中斷， 余度通道之間能夠?qū)崿F(xiàn)微秒級的運行同步，保證容錯系統(tǒng)的連續(xù)平穩(wěn)運行。
16余度通道之間的交叉數(shù)據(jù)傳輸(CCDL)是各個監(jiān)控表決面能夠運行的
前提。反射內(nèi)存網(wǎng)絡具備低延遲、高確定性的端到端通訊能力，相當于提供 了所有余度通道公用的共享內(nèi)存，能夠滿足通道之間數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏數(shù)囊蟆?br> 具體地說，所述處理器板采用與所述總線單元相匹配的刀片式單處理器
板或者雙處理器板，支持x86及PowerPC架構處理器，以實現(xiàn)異構仿真；至 少兩個所述單處理器板構成多機表決余度結構；至少兩個所述雙處理器板處 理器板構成多機比較表決余度結構。
具體地說，所述航電接口單元支持ARINC429、 MIL-STD-1553B、 AFDX 和CAN總線接口中的至少一種接口 ，來實現(xiàn)與外部交聯(lián)環(huán)境的連接。
實施例三
如圖3所示，本發(fā)明還提供了一種多余度飛控計算機實時仿真系統(tǒng)，所述 系統(tǒng)包括
如實施例一中所述開發(fā)監(jiān)控主機；和如實施例二所述實時仿真目標機。 所述主機和所述目標機的技術方案，在上述實施例中已作闡述，在此不作贅 述。
本發(fā)明實施例三中，以三余度飛控計算機實時仿真系統(tǒng)為例對本發(fā)明所 述系統(tǒng)進行說明。結合圖3所示，所述實時仿真系統(tǒng)包括所述主機和所述目 標才幾兩個部分，主才幾與目標才幾之間通過以太網(wǎng)進4亍連才妾。
所述主機采用基于Windows XP/2000操作系統(tǒng)的桌面計算機，運行 Matlab/Simulink建模軟件以及具有仿真管理功能的軟件。在Matlab Simulink 環(huán)境中集成所述建模支持模塊，包括多余度仿真支持模塊庫及模型轉(zhuǎn)換單 元。多余度仿真支持模塊庫采用C s-function及TLC技術，將航電總線接口、 反射內(nèi)存接口、 CCDL、表決器等封裝為Simulink模塊，支持在Simulink模型
17中直接調(diào)用，便于構成硬件在環(huán)的多余度仿真模型。所述模型轉(zhuǎn)換單元自動
分析子模型交聯(lián)關系，并與Matlab RTW工具相結合，支持生成多處理器代 碼，并編譯為目標處理器代碼。
如圖4所示，所述目標機中運行支持模塊包括余度通道構建單元、總線單 元、航電接口單元及實時仿真網(wǎng)絡單元。其中總線單元采用VME總線系統(tǒng)； 所述余度通道構建單元采用配置3個GE FANUC VG5處理器板，構成3個余度 通道；每個VG5上有2個PMC插槽，分別搭載反射內(nèi)存接口卡VMIPMC-5565 及ARINC429接口卡C曰-830各一塊。3塊VMIPMC-5565通過多模光纖連接構 成環(huán)形網(wǎng)絡構成所述實時仿真網(wǎng)絡單元，實現(xiàn)余度通道的同步及數(shù)據(jù)實時通 訊。
C曰-830作為航電接口連接外部交聯(lián)環(huán)境，如敏感器、作動器等。另 外，根據(jù)所仿真的飛控計算機的不同，外部接口可選MIL-STD-1553B、 AFDX、 1394等。本實施例三中以ARINC429接口為例進行說明。所述目標 機的各個處理器上運行VxWo rks實時操作系統(tǒng)，并加載仿真支持模塊。 VxWorks實時操作系統(tǒng)提供基礎環(huán)境。仿真支持模塊在VxWorks系統(tǒng)上啟動 一組任務，包括命令通訊任務、數(shù)據(jù)通訊任務、FTP ( File Transfer Protocol,文件傳輸協(xié)議)任務等。運行支持模塊提供了目標機對外通訊接 口，使主機能夠?qū)崿F(xiàn)代碼下載、目標機監(jiān)控等功能。
在具備上述由所述主機和目標機構建的軟硬件平臺的基礎上，即可基于 Matlab Simulink設計三余度飛控計算機模型。
建模完成后，調(diào)用模型轉(zhuǎn)換單元對多余度飛控模型進行互聯(lián)關系分析， 確定余度通道之間的數(shù)據(jù)依賴關系，自動將多余度模型拆分為各個余度通道 的子模型。如果子模型間存在數(shù)據(jù)交互，則所述模型轉(zhuǎn)換單元自動配置反射 內(nèi)存通訊地址(用于確定子模型之間如何進行數(shù)據(jù)交互)，建立子模型間的 數(shù)據(jù)通信鏈路。拆分完成后，所述模型轉(zhuǎn)換單元為各個余度通道的子模型配
18置TLC目標語言文件，并以此為入口，調(diào)用Matlab RTW工具，將余度模型轉(zhuǎn) 化為C代碼。所述模型轉(zhuǎn)換單元能夠提供自定義的TMF模板文件。Matlab RTW基于標識擴展方法，基于TMF文件生成對應于余度模型的Makefile文 件。然后，利用此Makefile文件，調(diào)用VxWorks提供的編譯器，將模型生成 的C代碼與相關支持代碼進行鏈接編譯，生成VxWorks目標處理器代碼。
生成VxWorks目標處理器代碼后，利用仿真監(jiān)控模塊，建立仿真工程， 將3個余度通道模型導入仿真管理環(huán)境中，并建立每個子模型與目標處理器 之間的映射關系。
如圖5所示，需要進行仿真時，所述仿真監(jiān)控模塊通過以太網(wǎng)將所述主 機上的目標處理器代碼加載到所述目標機上的各個余度通道處理器中，并控 制模型在VxWorks系統(tǒng)下的運行。仿真開始后，3個余度通道的模型在3個目 標處理器中，在VxWorks操作系統(tǒng)的調(diào)度下進行實時解算。
每個余度通道初始化完成后，進入由同步事件觸發(fā)的定周期運行階^:。 同步事件采用反射內(nèi)存搭建的實時網(wǎng)絡中的定時時鐘中斷，周期連續(xù)可設， 典型中斷周期為1ms或5ms。每個余度通道通過航電接口單元(ARINC429)
(CCDL) 。 CCDL單元已經(jīng)封裝在Simulink模塊中，在建模時可直接調(diào)用。 運行時，CCDL單元首先將本通道數(shù)據(jù)發(fā)送到預先設定好的反射內(nèi)存地址中 來存儲當前接收到數(shù)據(jù)的值，然后讀取從設定的反射內(nèi)存地址中讀取其他2 個通道的數(shù)據(jù)。CCDL模塊在從反射內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)時，通過標志位判斷是 否有新數(shù)據(jù)寫入，標志位為1時，則讀取數(shù)據(jù)并將標志位置0，否則等待。數(shù) 據(jù)讀取時判斷是否超時，超時則返回錯誤。CCDL模型向反射內(nèi)存發(fā)送數(shù)據(jù) 時，判斷上次數(shù)據(jù)是否被讀取，如果標志位為0，表明上次數(shù)據(jù)被讀取，則 向該地址寫入新數(shù)據(jù)，并將標志位置1;如果標志位為1，表明上次數(shù)據(jù)未被 讀取，則對應余度通道在上一周期內(nèi)沒有執(zhí)行完成或有異常，產(chǎn)生超時錯誤輸出。
經(jīng)過CCDL之后，每個余度通道均獲得其余通道的輸入數(shù)據(jù)，則進入前
置表決環(huán)節(jié)。表決模塊采用Matlab Stateflow (動態(tài)邏輯系統(tǒng)建模)實現(xiàn)三通 道表決邏輯，并封裝為Simulink模塊，可直接調(diào)用。表決邏輯為當前余度 通道信號與三通道信號的中值比較，若絕對誤差超過門限值，則該通道信號 出現(xiàn)瞬態(tài)故障；如果瞬態(tài)故障持續(xù)N個周期，則該信號出現(xiàn)永久故障；如果 所有信號都無永久故障，則表決結果選中值輸出；如果一個通道出現(xiàn)永久故 障，則降級為二余度表決；二余度表決時，若兩個信號絕對誤差不超過門限 值，則取平均值輸出；若兩個信號絕對誤差超過門限值，則給出出錯標志。
前置表決結束后，進行控制律計算。計算完成后，計算結果進行交叉數(shù) 據(jù)傳遞(CCDL),然后進行后置表決。表決邏輯與前置表決類似，以保證 經(jīng)過控制律計算后的輸出控制信號的準確性。后置表決的結果通過 ARINC429發(fā)送通道輸出給執(zhí)行機構，驅(qū)動舵機，完成對飛機的控制。整個 模型框圖結構如圖6所示。
三個余度通道通過反射內(nèi)存搭建的實時網(wǎng)絡進行同步仿真，接收外部的 輸入，經(jīng)前置表決后進行控制律計算，經(jīng)后置表決后形成控制輸出，驅(qū)動作 動器。仿真過程中，由所述仿真監(jiān)控模塊對各個余度通道進行信號監(jiān)視、參 數(shù)修改及數(shù)據(jù)保存，以對整個仿真過程進行在線及離線的分析。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不 局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可 輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明 的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
權利要求
1、一種開發(fā)監(jiān)控主機，其特征在于，所述主機包括建模支持模塊，用于為在Matlab/Simulink模型設計軟件環(huán)境中建立多余度飛控計算機模型，提供建模支持，并將所述模型轉(zhuǎn)換為與所述余度通道對應的子模型后，編譯為對應的目標處理器代碼；仿真監(jiān)控模塊，用于將通過所述建模支持模塊獲得的目標處理器代碼，分別加載到與所述余度通道對應的目標處理器上進行仿真運行；對所述余度通道之間的信號進行圖形化監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)控結果對與所述目標處理器代碼運行相關的參數(shù)進行在線修改，以及對實時仿真過程數(shù)據(jù)進行存儲，以支持對所述模型算法的分析與優(yōu)化。
2、 根據(jù)權利要求1所述的主機，其特征在于，所述模型支持模塊具體包括多余度仿真支持模塊庫，用于為建立所述多余度飛控計算機模型，提供 余度管理算法支持及硬件接口支持；模型轉(zhuǎn)換單元，用于將根據(jù)所述多余度仿真支持模塊庫建立的所述模 型，根據(jù)所述余度通道之間數(shù)據(jù)的依賴關系拆分為與所述余度通道對應的子 模型，并將所述子模型生成C代碼后，編譯為對應的目標處理器代碼；所述 目標處理器代碼適用于VxWorks實時操作系統(tǒng)。
3、 根據(jù)權利要求2所述的主機，其特征在于，所述多余度仿真支持模塊 庫具體包括接口單元，在所述模型運行中，用于提供航電接口支持，與外部設備交 聯(lián)來接收輸入檢測信號，以及為所述模型的余度通道之間的數(shù)據(jù)傳遞提供接 口支持；交叉?zhèn)鬟f單元，在所述模型運行時，用于將通過所述接口單元接收到的遞，以使所述余度通道均能獲得其他余度通道的數(shù)據(jù)，進行表決；表決單元，用于對所述交叉?zhèn)鬟f單元的輸出結果，通過表決邏輯判斷所述余度通道的數(shù)據(jù)是否發(fā)生異常，并根據(jù)所述表決邏輯進行對應的處理后輸出結果，確定對飛機的控制策略；余度通道同步單元，用于控制與所述模型對應的余度通道之間信號運行的同步，保證所述模型的連續(xù)平穩(wěn)運行。
4、 根據(jù)權利要求3所述的主機，其特征在于，所述表決單元具體包括 前置表決子單元，用于對所述交叉?zhèn)鬟f單元輸出的輸入檢測信號，通過表決邏輯進行故障信號檢測、識別與重構，并根據(jù)所述表決邏輯作對應的處 理，以保證為控制律計算過程提供正確的輸入數(shù)據(jù)；后置表決子單元，用于對所述前置表決子單元獲得的輸入檢測信號，經(jīng) 過控制律計算后獲得的交叉?zhèn)鬟f結果，根據(jù)所述表決邏輯進行判斷及處理， 以保證經(jīng)過控制律計算獲得的輸出控制信號的可靠性，以實現(xiàn)對飛機的可靠 控制。
5、 根據(jù)權利要求1所述的主機，其特征在于，所述仿真監(jiān)控模塊具體包括加載單元，用于通過以太網(wǎng)將所述建模支持模塊獲得的目標處理器代 碼，分別加載到與所述余度通道對應的目標處理器上；運行控制單元，用于控制所述加載單元加載到所述目標處理器上的目標 處理器代碼仿真運行過程，包括啟動、停止、系統(tǒng)復位；運行監(jiān)控單元，用于在所述運行控制單元運行所述目標處理器代碼后， 對仿真運行過程中的信號進行圖形化監(jiān)視，根據(jù)監(jiān)視結果對與所述目標處理器代碼運行相關的參數(shù)進行在線修改；還用于對實時仿真過程數(shù)據(jù)進行存 儲，以支持對所述模型算法進行在線或離線的分析與優(yōu)化。
6、 一種實時仿真目標機，其特征在于，所述目標機采用VxWorks實時操 作系統(tǒng)，所述目標機包括代碼接收模塊，用于接收通過以太網(wǎng)發(fā)送的與多余度飛控計算機模型對 應的目標處理器代碼，并將所述目標處理器代碼運行在對應的目標處理器 上，進行仿真；運行支持模塊，用于構建與所述多余度飛控計算機模型對應的仿真運行 環(huán)境，以及為所述目標代碼代碼接收模塊運行所述目標處理器代碼提供對應 的硬件支持。
7、 根據(jù)權利要求6所述的目標機，其特征在于，所述運行支持模塊具體 包括余度通道構建單元，用于在所述目標機上采用處理器板構建與所述模型 對應的余度通道；所述每塊處理器板構成一個所述余度通道；總線單元，用于在所述目標機上連接所述余度通道構建單元建立的所述 余度通道；所述總線單元采用VME總線或VPX總線系統(tǒng)；航電接口單元，用于在所述目標機上為所述總線單元提供與外部交聯(lián)環(huán)境的連接接口，實現(xiàn)多余度飛控仿真計算機與外部交聯(lián)設備的輸入、輸出數(shù) 據(jù)通訊；者采用VME總線背板共享內(nèi)存網(wǎng)絡，在運行過程中實現(xiàn)所述余度通道之間的 運行同步及數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬟f。
8、 根據(jù)權利要求7所述的目標機，其特征在于，所述處理器板采用與所 述總線單元相匹配的刀片式單處理器板或者雙處理器板，支持x86及PowerPC架構處理器，以實現(xiàn)異構仿真；至少兩個所述單處理器寺反構成多才幾 表決余度結構；至少兩個所述雙處理器板處理器板構成多機比較表決余度結 構。
9、 根據(jù)權利要求7所述的目標機，其特征在于，所述航電接口單元支持 ARINC429、 MIL-STD-1553B、 AFDX和CAN總線接口中的至少一種接口 ， 來實現(xiàn)與外部交聯(lián)環(huán)境的連接。
10、 一種多余度飛控計算機實時仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括如權利要求1、 2、 3、 4或5所述的主機以及如權利要求6、 7、 8或9所述目標機。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多余度飛控計算機實時仿真裝置及系統(tǒng)，技術方案主要包括開發(fā)監(jiān)控主機和實時仿真目標機，所述開發(fā)監(jiān)控主機用于為在Matlab/Simulink模型設計軟件中建立多余度飛控計算機模型，提供建模支持，并對建立的所述模型的仿真運行過程進行圖形化監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)控結果對與目標處理器代碼運行相關的參數(shù)進行在線修改以及對實時仿真過程數(shù)據(jù)進行存儲；所述實時仿真目標機為所述主機建立的所述模型的仿真運行提供硬件支持。本發(fā)明還公開了一種開發(fā)監(jiān)控主機和實時仿真目標機。采用本發(fā)明所述的技術方案，能夠為余度系統(tǒng)仿真開發(fā)和運行提供環(huán)境支持。
文檔編號G05B23/02GK101482753SQ200910077449
公開日2009年7月15日 申請日期2009年2月11日 優(yōu)先權日2009年2月11日
發(fā)明者娟 唐, 董西路, 黃國平 申請人:北京華力創(chuàng)通科技股份有限公司