CN112666871B - 航空发动机分层分布式控制***数据传输*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空发动机控制***设计领域，具体公开了一种航空发动机分层分布式控制***数据传输***，其中，包括：工控机，与控制***通信连接，用于实现对所述控制***的监视以及维护；控制***，包括一级总线和二级总线，一级总线和二级总线上均分布式连接多个节点；当所述控制***的工作模式为同步模式时，所述一级总线和二级总线数据传输的触发机制均为时间触发；当所述控制***的工作模式为异步模式时，所述一级总线和二级总线数据传输的触发机制均为事件触发。本发明提供的航空发动机分层分布式控制***数据传输***能够实现分层分布式控制软件总线通讯及加载。

Description

航空发动机分层分布式控制***数据传输***

技术领域

本发明涉及航空发动机控制***设计领域，尤其涉及一种航空发动机分层分布式控制***数据传输***。

背景技术

当前双通道全权限数字电子控制***（Full Authority Digital EngineControl，简称FADEC）是一种集中式架构的控制***，随着人们对航空发动机要求的不断提高，发动机控制***日益面临着减重、性能提升以及节约成本的挑战，这种集中式控制结构也越来越成为限制技术发展的重要因素。多电飞机和多电发动机正越来越成为航空业的发展方向，传统的发动机控制***架构也正向多电分布式***架构转变。

在航空发动机多电分布式控制***中，控制***计算资源划分为多个智能节点，节点间通过通讯总线串行连接。控制***设计要考虑总线的带宽、安全、确定性以及环境适应性，因此发展出分层分布式***架构，一级节点采用高速总线实现发动机主要控制任务计算，二级节点采用低速总线考虑高温等环境影响，实现多电执行机构作动。

分布式控制***中需要设计数据的传输方式，包括工作模式下的控制数据通讯、监控以及维护模式下的控制软件数据包下载维护。两级总线架构及多个计算节点分布带来总线通讯调度的难题，需要考虑各节点通讯时序调度设计。由于计算资源的分散化，控制软件相应需要分布式设计，传统单个计算节点的点对点软件加载维护已不再适应，因此需要设计一种分层分布式控制软件总线通讯及加载方法。

发明内容

本发明提供了一种航空发动机分层分布式控制***数据传输***，解决相关技术中存在的缺乏分层分布式控制软件总线通讯及加载方法的问题。

作为本发明的一个方面，提供一种航空发动机分层分布式控制***数据传输***，其中，包括：

工控机，与控制***通信连接，用于实现对所述控制***的监视以及维护；

控制***，包括一级总线和二级总线，一级总线和二级总线上均分布式连接多个节点；

当所述控制***的工作模式为同步模式时，所述一级总线和二级总线数据传输的触发机制均为时间触发；

当所述控制***的工作模式为异步模式时，所述一级总线和二级总线数据传输的触发机制均为事件触发。

进一步地，所述一级总线包括TTP/C总线，所述二级总线包括CAN总线。

进一步地，与所述一级总线连接的节点包括中央控制器节点、数据集中器节点和伺服控制节点，与所述二级总线连接的节点包括伺服控制节点和多电执行机构。

进一步地，所述伺服控制节点包括压气机控制节点、主燃油控制节点和加力喷口控制节点。

进一步地，所述多电执行机构包括：

与所述压气机控制节点通过所述CAN总线连接的导叶和放气活门电作动器；

与所述主燃油控制节点通过所述CAN总线连接的增压电动泵和主燃油电动泵；

与所述加力喷口控制节点通过所述CAN总线连接的加力燃油旋转直驱阀、加力泵电机和喷口电静液作动器。

进一步地，所述工控机包括：

监视上位机，与所述中央控制器节点通过以太网通信连接；

维护上位机，与所述中央控制器节点通过RS485下载线通信连接。

进一步地，当所述控制***的工作模式为同步模式时，所述中央控制器节点通过一级总线和二级总线获取各个节点的控制数据，并通过所述以太网与所述监视上位机通信，实现所述工控机的数据监视；

当所述控制***的工作模式为异步模式时，所述中央控制器节点通过所述RS485下载线接收所述维护上位机的下载指令和控制软件数据包，实现与所述一级总线连接的节点控制软件和可调参数的加载；

当所述控制***的工作模式为异步模式时，与所述二级总线连接的节点通过所述二级总线接收所述一级总线的下载指令和控制软件数据包，实现与所述二级总线连接的节点的控制软件和可调参数的加载。

进一步地，所述中央控制器节点能够在各个节点的软件加载过程中，监视与所述一级总线连接的各个节点以及与所述二级总线连接的各个节点的软件加载过程，并能够向所述维护上位机反馈其自身及其他节点加载成功或失败的指示信息。

进一步地，所述伺服控制节点能够在与所述二级总线连接的各个节点的软件加载过程中，监视与所述二级总线连接的各个节点的软件加载过程，并能够向所述中央控制器节点反馈其自身及与所述二级总线连接的各个节点的控制软件和可调参数的加载成功或失败的指示信息。

本发明提供的航空发动机分层分布式控制***数据传输***，设计时间触发总线通讯调度方法，从而提高***通讯安全确定性；基于这种分层分布式总线架构，通过同步、异步工作模式的切换实现控制软件和可调参数的加载，降低了控制***使用维护成本。另外，由于采用两级分层总线架构，兼顾了节点通讯和环境适应性要求；在同步工作模式下，通过TTP/C的MEDL表设计，规划各节点发送时间槽，提高了通讯的时间确定性，通讯时延有界稳定；在同步工作模式下，利用一级节点作为时间主节点，实现二级CAN总线各节点的时间同步，提高***的安全性。通过将中央控制器作为控制***所有节点的管理和监控节点，与维护上位机和监控上位机通讯，简化了***中其他节点的接口设计。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。

图1为本发明提供的航空发动机分层分布式控制***数据传输***的结构示意图。

图2为本发明提供的TTP/C总线TDMA集群周期示意图。

图3为本发明提供的一级节点TTP/C总线MEDL表设计示意图。

图4为本发明提供的二级节点节CAN总线时间同步示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本实施例中提供了一种航空发动机分层分布式控制***数据传输***，图1是根据本发明实施例提供的航空发动机分层分布式控制***数据传输***的结构示意图，如图1所示，包括：

工控机，与控制***通信连接，用于实现对所述控制***的监视以及维护；

具体地，所述工控机包括：

监视上位机，与所述中央控制器节点通过以太网7通信连接；

维护上位机，与所述中央控制器节点通过RS485下载线8通信连接。

控制***，包括一级总线4和二级总线5，一级总线4和二级总线5上均分布式连接多个节点；

在一些实施方式中，所述一级总线4包括TTP/C总线，所述二级总线5包括CAN总线。

需要说明的是，所述控制***的两级总线均具有两种工作模式：同步模式和异步模式。

当所述控制***的工作模式为同步模式时，所述一级总线和二级总线数据传输的触发机制均为时间触发；

当所述控制***的工作模式为异步模式时，所述一级总线和二级总线数据传输的触发机制均为事件触发。

在本发明实施例中，控制***采用分层分布式两级总线架构，一级总线采用TTP/C总线，二级总线采用CAN总线。在同步模式下，一级总线和二级总线通过时间同步实现控制***各节点时间触发通讯，中央控制器通过以太网将控制***监控数据上传到监控上位机。在异步模式下，通过总线加载实现一级节点和二级节点控制软件下载和维护。

考虑通讯实时性和安全性，控制***一级总线采用TTP/C总线，TTP/C总线是一种基于TTA（时间触发架构）定义的高速、无主机、双余度、分布式、多点串行、硬实时容错总线规范，TTP/C协议为分布式应用提供一个便于集成的高可靠通用计算平台。TTP/C总线采用TDMA（时分多路）总线访问策略，总线带宽为10M，采用RS485物理层。

考虑通用性和环境适应性，控制***二级总线采用CAN总线，CAN总线是一种成熟的汽车控制***和嵌入式工业局域网标准总线，基于事件触发机制，CAN总线采用CAMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）总线访问策略，总线带宽为1M，采用屏蔽双绞线物理层。

在同步工作模式下，一级总线TTP/C总线采用TDMA总线访问机制，如图2所示，TTP/C总线需要为***各节点划分时间槽，每个节点在一个TDMA周期（也叫Round）使用自己的唯一的时间槽发送数据，避免通讯冲突，所有的TDMA周期组成集群循环。

在同步工作模式下，二级总线CAN总线利用所挂靠的一级节点作为时间主节点，通过时间主节点周期性发送时间同步参考消息Ref，实现节点间的时间同步，二级节点在接收到时间主节点的参考消息后，按照提前规划的时间表进行时间触发通讯，当本地时钟计时达到本节点发送时间槽后进行数据发送。二级节点通讯周期为5ms,以加力喷口控制节点的CAN网络为例，所设计的时间触发规划表如图4所示。

在一些实施方式中，与所述一级总线连接的节点包括中央控制器节点（EEC）1、数据集中器节点（DC）2和伺服控制节点3。

在一些实施方式中，与所述二级总线5连接的节点包括伺服控制节点3和多电执行机构6。

具体地，所述伺服控制节点3包括压气机控制节点（LPC节点）、主燃油控制节点（MF节点）和加力喷口控制节点（AFN节点）。

具体地，与TTP/C总线连接的节点包括中央控制器节点、数据集中器节点、压气机控制器节点、主燃油控制器节点、加力喷口控制器节点。各节点根据任务划分通讯，中央控制器节点和数据集中器节点通讯周期为20ms；伺服控制节点包括压气机控制器、主燃油控制器、加力喷口控制器节点通讯周期为5ms；一级节点按照所实现的MEDL表实现TDMA通讯，如图3，一级节点各控制器为双余度配置，因此需要为每个控制器通道划分时间槽，另外每个Round保留1ms空闲时间槽为***扩展备用。

进一步具体地，所述多电执行机构6包括：

与所述压气机控制节点（LPC节点）通过所述CAN总线连接的导叶（EMA1）和放气活门电作动器（EMA2）；

与所述主燃油控制节点（MF节点）通过所述CAN总线连接的增压电动泵（AP）和主燃油电动泵（FMU）；

与所述加力喷口控制节点（AFN节点）通过所述CAN总线连接的加力燃油旋转直驱阀（RDDV）、加力泵电机（AFP）和喷口电静液作动器（EHA）。

应当理解的是，控制***二级总线通讯节点主要实现一级节点下的多电执行机构的本地伺服控制功能，如导叶EMA电机控制，加力燃油RDDV控制等，二级节点挂靠在一级机节点下下，组成CAN网络。

应当理解的是，航空发动机控制***属于安全关键***，正常工作时需采用时间触发总线调度机制。在同步工作模式下，TTP/C总线控制器硬件保证了一级总线各节点全局时间同步，设计MEDL（消息描述列表），规划各节点的发送时间槽及周期为各节点通讯提供调度。CAN总线可通过所挂靠的一级节点作为时间主节点，利用应用层软件实现二级总线各节点的时间同步。

在同步工作模式下，针对航空发动机分布式控制***节点多，数据量大的特点，中央控制器将总线上各节点监控数据汇总，通过高速以太网发送给监控上位机，实现整个控制***运行中的数据实时监控。

在异步工作模式下，充分利用两级总线架构，通过总线网络实现航空发动机控制软件的加载和维护。中央控制器作为各节点的控制软件和可调参数加载管理节点，实现各节点控制软件的分发。

具体地，当所述控制***的工作模式为同步模式时，所述中央控制器节点通过一级总线和二级总线获取各个节点的控制数据，并通过所述以太网与所述监视上位机通信，实现所述工控机的数据监视；

当所述控制***的工作模式为异步模式时，所述中央控制器节点通过所述RS485下载线接收所述维护上位机的下载指令和控制软件数据包，实现与所述一级总线连接的节点控制软件和可调参数的加载；

当所述控制***的工作模式为异步模式时，与所述二级总线连接的节点通过所述二级总线接收所述一级总线的下载指令和控制软件数据包，实现与所述二级总线连接的节点的控制软件和可调参数的加载。

在一些实施方式中，所述中央控制器节点能够在各个节点的软件加载过程中，监视与所述一级总线连接的各个节点以及与所述二级总线连接的各个节点的软件加载过程，并能够向所述维护上位机反馈其自身及其他节点加载成功或失败的指示信息。

在一些实施方式中，所述伺服控制节点能够在与所述二级总线连接的各个节点的软件加载过程中，监视与所述二级总线连接的各个节点的软件加载过程，并能够向所述中央控制器节点反馈其自身及与所述二级总线连接的各个节点的控制软件和可调参数的加载成功或失败的指示信息。

在本发明实施例中，当软件加载时，控制***的一级总线TTP/C工作在异步模式下。工控机通过RS485下载线接入中央控制器TTP/C总线的a通讯通道（TTP/C总线的b通讯通道留作总线控制器MEDL表程序下载更新通道）。中央控制器接收到上位机需要加载节点的控制软件包后，通过TTP/C的a通讯通道以RS485通讯模式将软件分发给各一级节点。

控制***一级节点接收到中央控制器分发的控制软件包，实现本节点控制软件和可调参数的加载。一级节点同时判断是否需要进行二级节点控制软件和可调参数加载，二级总线CAN本身是事件触发机制，一级节点通过CAN网络实现二级节点控制软件分发，二级各节点接收到本节点控制软件，实现本节点控制软件和可调参数的加载。

上述可以理解为，当需要进行软件加载时，中央控制器节点通过TTP/C的RS485物理层a通讯通道从维护上位机接收软件下载指令，进入异步工作模式。中央控制器节点判断其他节点是否需要加载，将下载指令发送给一级总线上需要加载的其他节点。一级总线加载节点接收到加载指令，进入软件下载模式，并通过CAN总线发送下载指令使得二级需要加载的节点也进入软件下载模式。

在下载模式下***中需要加载的节点进行等待。中央控制器接收维护上位机发送的控制软件包进行解析，将本节点控制软件存储在控制器程序器中，并进行其他加载节点的控制软件包转发。一级加载节点接收到中央控制器发送的控制软件包，将本节点控制软件存储在控制器程序器中，并判断是否需要进行二级节点的控制软件包转发。二级加载节点接收到一级节点发送的控制软件包，将本节点控制软件存储在控制器程序器中。

***中二级加载节点在完成软件加载后通过CAN总线发送加载成功指示给一级节点转发给中央控制器；一级加载节点通过TTP/C的RS485物理层总线发送本节点加载成功指示给中央控制器；中央控制器将***加载成功指示发送给维护上位机。如果***中某节点加载失败，则发送加载失败指示，并进行控制器复位退出加载模式，中央控制将加载失败指示反馈给维护上位机；当中央控制器一直未收到某节点的加载成功或失败指示，则发出某节点加载超时指示，待***其他节点完成加载后进行重新上电复位。

综上，本发明提供的航空发动机分层分布式控制***数据传输***，设计时间触发总线通讯调度方法，从而提高***通讯安全确定性；基于这种分层分布式总线架构，通过同步、异步工作模式的切换实现控制软件和可调参数的加载，降低了控制***使用维护成本。另外，由于采用两级分层总线架构，兼顾了节点通讯和环境适应性要求；在同步工作模式下，通过TTP/C的MEDL表设计，规划各节点发送时间槽，提高了通讯的时间确定性，通讯时延有界稳定；在同步工作模式下，利用一级节点作为时间主节点，实现二级CAN总线各节点的时间同步，提高***的安全性。通过将中央控制器作为控制***所有节点的管理和监控节点，与维护上位机和监控上位机通讯，简化了***中其他节点的接口设计。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种航空发动机分层分布式控制***数据传输***，其特征在于，包括：

工控机，与控制***通信连接，用于实现对所述控制***的监视以及维护；

控制***，包括一级总线和二级总线，一级总线和二级总线上均分布式连接多个节点；

当所述控制***的工作模式为同步模式时，所述一级总线和二级总线数据传输的触发机制均为时间触发；

当所述控制***的工作模式为异步模式时，所述一级总线和二级总线数据传输的触发机制均为事件触发；

其中，与所述一级总线连接的节点包括中央控制器节点、数据集中器节点和伺服控制节点，与所述二级总线连接的节点包括伺服控制节点和多电执行机构；

所述工控机包括：

监视上位机，与所述中央控制器节点通过以太网通信连接；

维护上位机，与所述中央控制器节点通过RS485下载线通信连接；

当所述控制***的工作模式为同步模式时，所述中央控制器节点通过一级总线和二级总线获取各个节点的控制数据，并通过所述以太网与所述监视上位机通信，实现所述工控机的数据监视；

当所述控制***的工作模式为异步模式时，所述中央控制器节点通过所述RS485下载线接收所述维护上位机的下载指令和控制软件数据包，实现与所述一级总线连接的节点控制软件和可调参数的加载；

当所述控制***的工作模式为异步模式时，与所述二级总线连接的节点通过所述二级总线接收所述一级总线的下载指令和控制软件数据包，实现与所述二级总线连接的节点的控制软件和可调参数的加载。

2.根据权利要求1所述的航空发动机分层分布式控制***数据传输***，其特征在于，所述一级总线包括TTP/C总线，所述二级总线包括CAN总线。

3.根据权利要求2所述的航空发动机分层分布式控制***数据传输***，其特征在于，与所述二级总线连接的节点包括伺服控制节点和多电执行机构。

4.根据权利要求3所述的航空发动机分层分布式控制***数据传输***，其特征在于，所述伺服控制节点包括压气机控制节点、主燃油控制节点和加力喷口控制节点。

5.根据权利要求4所述的航空发动机分层分布式控制***数据传输***，其特征在于，所述多电执行机构包括：

与所述压气机控制节点通过所述CAN总线连接的导叶和放气活门电作动器；

与所述主燃油控制节点通过所述CAN总线连接的增压电动泵和主燃油电动泵；

与所述加力喷口控制节点通过所述CAN总线连接的加力燃油旋转直驱阀、加力泵电机和喷口电静液作动器。

6.根据权利要求1所述的航空发动机分层分布式控制***数据传输***，其特征在于，

所述中央控制器节点能够在各个节点的软件加载过程中，监视与所述一级总线连接的各个节点以及与所述二级总线连接的各个节点的软件加载过程，并能够向所述维护上位机反馈其自身及其他节点加载成功或失败的指示信息。

7.根据权利要求1所述的航空发动机分层分布式控制***数据传输***，其特征在于，

所述伺服控制节点能够在与所述二级总线连接的各个节点的软件加载过程中，监视与所述二级总线连接的各个节点的软件加载过程，并能够向所述中央控制器节点反馈其自身及与所述二级总线连接的各个节点的控制软件和可调参数的加载成功或失败的指示信息。

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