基于VxWorks的航空發動機控制系統軟件設計

李立哲，呂 偉，樊 丁

(1.西北工業大學，西安 710072;2.中航工業計算技術研究所，西安 710072)

0 引言

VxWorks作為一個具有高性能、可裁減的嵌入式實時操作系統，與其他操作系統Linux、Unix等比較，具有高性能的微內核結構。這種高性能的微內核結構保證了VxWorks能夠勝任航空發動機控制和飛行控制等關鍵的復雜的設計任務。

本文最終目的是要構建一個在VxWorks操作系統支持下適用于某型航空發動機的控制應用軟件。該軟件包括數據采集、控制計算、任務調度、控制輸出、數據存儲及余度管理等功能。

1 系統概述

1.1 VxWorks操作系統概述

VxWorks是專門為實時嵌入式系統而開發的操作系統，提供了高效的實時多任務調度、中斷管理，實時的系統資源以及實時的任務間通信等功能支持，并為應用于各種CPU平臺提供了統一的編程接口和一致的運行特性，為程序開發提供了方便［1］。

VxWorks操作功能強大而且比較復雜。圖1所示為VxWorks操作系統的基本結構圖，包括了進程管理、存儲管理、設備管理、文件系統管理、網絡協議及系統應用等幾個部分。

控制系統軟件采用VxWorks的集成開發環境TornadoⅡ開發，采用C++程序語言設計，TornadoⅡ開發系統配套了近兩千個API接口函數，可提供完善的源代碼編輯、編譯鏈接、源代碼級調試等諸多調試工具，可以充分發揮VxWorks系統的功能。

圖1 VxWorks操作系統的基本結構圖Fig.1 Basic construction of VxWorks operation system

1.2 發動機控制系統軟件開發平臺

發動機控制系統的軟件開發平臺采用了Power-PC860芯片、64位 SDRAM(32 Mb)、64 Mb User Flash存儲器、8位SYSTEM Flash(存儲器容量為2 Mb)、4個32位定時器、1個看門狗、2個RS422串行通信端口、1路10 M/100 M以太網端口和1個5 V/33 MHz PCI總線接口。

平臺采用雙通道設計，分別由3個模塊組成:信號調理模塊、數據處理模塊和電源管理模塊。信號調理模塊實現系統輸入輸出信號的調理以及轉換，包括A/D和D/A轉換，頻率信號和開關量的輸入輸出，RS422接口以及余度管理;數據處理模塊實現數據處理、控制計算等;電源模塊實現電源濾波、轉換和監控功能。系統的結構如圖2所示［2］。

圖2 控制系統硬件總體架構圖Fig.2 Control system hardware configuration

2 軟件總體設計與功能劃分

2.1 總體設計方案

航空發動機控制系統軟件包括實時多任務操作系統、底層功能軟件和應用軟件3大部分，系統總體結構如圖3所示。

VxWorks操作系統主要負責任務調度、電子控制器的硬件接口操作及與底層功能軟件的連接，負責驅動、協調、管理電子控制器的硬件資源，其功能涉及模擬量、頻率量和開關量等輸入信號的采集，時間與任務調度管理，各種信號輸出、總線管理、I/O設備及中斷控制等。

圖3 系統控制軟件總體架構圖Fig.3 Structure of system control software

底層功能軟件負責基于VxWorks操作系統API函數集，提供與硬件環境的基本接口，為頂層應用軟件訪問硬件驅動程序和數據通信提供支持。

數控系統應用軟件是數控系統軟件的核心，通過對各種類型信號的數據采集、濾波處理，控制規律、邏輯和控制算法的運算處理，獲得并給出控制輸出，系統還具有應急處理、故障診斷等任務。各應用軟件模塊將在實時多任務操作系統的調度、管理下，以不同的優先級完成各項任務。

控制系統還設有系統參數配置功能，提供應用軟件運行時在線參數配置更新，負責端口定義、控制參數調整與調度、數采通道定義、數據存儲格式，用戶權限設定等參數配置，實現對計算機操作系統和硬件的訪問和控制。

2.2 功能結構劃分

軟件系統的功能結構設計如圖4所示。

圖4 軟件系統功能結構圖Fig.4 Functional construction of the software system

數控系統軟件從功能角度劃分為系統模塊、發動機控制運算模塊和輔助模塊3個主要部分。

3 關鍵技術

3.1 控制系統多任務調度策略

嵌入式實時多任務軟件的設計包括任務的劃分及任務優先級的設置、任務間通信機制的選擇和中斷處理程序的編寫等關鍵技術。

當詢問到是否考慮過外聘一些消防中介組織，或者與社會上消防中介組織合作的問題時，消防安全工作人員這樣說：

任務的合理劃分和優先級的合理設置，對系統的功能和性能至關重要。合理的任務劃分，不但會增強系統的穩定性和健壯性，而且可以簡化軟件設計的復雜性，為任務的及時執行奠定基礎。實時多任務軟件的開發一般要遵循H.Gomma原則，即I/O依賴性、時間關鍵性、周期性執行功能等。

在H.Gomma原則的基礎上對本控制系統的任務進行劃分，控制軟件的任務可劃分為數采任務、發動機控制任務、輔助單元任務等3大類。

1)數采任務:負責發動機系統的工作狀態參數采集。

2)發動機控制任務:完成發動機的起動控制、穩態燃油流量控制、過渡態燃油流量控制、壓氣機導葉角度控制、噴口喉道面積控制、工作參數控制、停車控制等全部功能。發動機控制任務屬于互斥任務，要根據相關狀態參數調用相應的功能。

3)輔助單元任務:完成數控系統狀態監控、故障檢測及系統重構等任務，保證數控系統的高可靠性。

該應用軟件選擇了二進制信號量、共享數據區兩種方式互相結合作為任務間的通信機制，二進制信號量能滿足任務間的同步和互斥，而且開銷小、速度快，能保證信號處理函數和主體任務同步的順利執行。任務的優先級是根據任務實時性要求和計算量大小來確定的。任務的調度方式在VxWorks中分為時間片輪詢和基于優先級的搶占方式。本系統采用了兩種方式相結合的方法［4－5］。

如圖5所示為主要任務的調度表，狀態監控任務用來對其他任務進行監控操作，優先級最高。數據采集任務定時，通過輸入信號接口，讀取傳感器中的數據并進行信號處理操作。為了保證系統的實時性，數據采集任務具有較高的優先級，隨后執行發動機控制計算及控制輸出任務。各任務之間采用了搶占式的調度方式。

3.2 數據采集模塊的設計與實現

本系統根據數采設備自身寄存器的使用特點，采用的是輪詢查詢的方法。輪詢可具體實現的方式一般有:驅動程序任務在系統空閑時進行設備輪詢;驅動程序任務周期性進行設備輪詢;驅動程序通過看門狗定時器進行設備輪詢;驅動程序通過輔助時鐘進行設備輪詢［6］。

圖5 數據傳遞流程圖Fig.5 Flow chart of data transmission

對于VxWorks嵌入式實時系統而言，一般很難找到合適的空閑時間來查詢設備狀態。同時這種空閑時間的出現也是不可確定的，將會導致輪詢設備的任務處于不可預測狀態。故本系統建立了一個中優先級的任務，采用周期性輪詢設備。數采任務按一定的時間間隔查詢設備狀態并進行相應處理，然后等待調用延遲并將自身掛起，輪詢定時周期定為5 ms。

圖6 數據采集輸入輸出流程圖Fig.6 Input/output flow chart for data acquisition

一般包含6個主要步驟。

1)對數采設備進行初始化。初始化的目的是使設備處于某種工作狀態，以便數據采集程序訪問該設備。

2)打開數采設備。打開設備操作實際是查詢用戶指定的設備，并查看用戶是否可以打開該設備。

3)數采設備控制。主要包括量程、增益、通道、緩沖區大小等參數設置。

4)從設備讀取數據。從設備緩沖區讀取采樣值，并進行采樣量－工程量之間的單位換算。換算公式為

其中:ymax和ymin代表傳感器最大、最小量程;xmax和xmin代表采樣值最大、最小量程;xcur代表當前采樣值，ycur代表當前工程量值。

5)從設備發送數據。進行工程量－采樣量之間的單位換算并將結果放入設備緩沖區或DMA區發送。換算公式為

其中變量定義如上。

6)關閉數采設備。關閉設備操作就是釋放設備資源。任務對設備完成操作后，必須進行關閉設備操作，否則設備總是處于被占用狀態，其他任務無法使用。

4 代碼實現

本系統軟件的核心代碼如下所示:

如圖7所示為程序運行結果在Windview中的局部圖，各任務按照優先級搶占式調度執行。為了保證控制程序的實時性和可靠性，狀態監控任務的優先級設置最高，在狀態監控任務啟動的基礎上執行數據采集，每5 ms進行一次采集，隨后執行發動機控制、數據存儲、與外部通訊任務。程序使用信號量將中斷與任務相聯系，中斷程序只產生信號量，保證了中斷服務程序盡快結束，以避免阻塞低優先級的中斷。

圖7 控制系統任務變換圖(WindView局部圖)Fig.7 Mission conversion of control system

5 結束語

航空發動機數控系統對軟件的實時性和可靠性有非常高的要求，本文對航空發動機控制系統的功能和模塊進行了劃分與設計，針對控制系統的要求對控制系統的實時多任務進行了優先級的設置。最終提出基于VxWorks嵌入式操作系統的航空發動機控制系統軟件總體設計方案。開發出了適用于某型航空發動機控制系統的各單元模塊。經驗證，該軟件滿足某型航空發動機的控制功能、性能及可靠性要求，并已經投入使用。

［1］RIVER W.VxWorks開發人員指南叢書［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［2］RIVER W.VxWorks programmer's guide［M］.Wind River Systems Inc，1995.

［3］樊思齊，李華聰，樊丁，等.航空發動機控制(下)［M］.西安:西北工業大學出版社，2008.

［4］EVANS A L，FOLLEN G，NAIMAN C，et al.Numerical propulsion system simulation's national cycle program［R］.AIAA-98-3113，1998.

［5］江傳尚，樊丁.小波網絡在某型航空發動機故障診斷中的應用［J］.航空動力學報，2009(4):182-185.

［6］AGRESTI M，CSMPOREALE S M，FORTUNATO B.An object-oriented program for the dynamic simulation of gas turbines［R］.ASME 2000-GT-42，2000.

［7］呂偉.基于某硬件平臺的航空發動機FADEC系統設計［D］.西安:西北工業大學，2010.