基于VxWorks 的噴水桁桿控制系統設計

創新者：段世梅

針對噴水桁桿控制系統對采集信號、數據處理、控制律解算及信號發送等強實時性、穩定性的要求，傳統的軟硬件結構已經不能滿足系統性能指標的要求，因此需要選用一個新的開發平臺，來滿足系統的設計要求。本文選用了嵌入式操作系統VxWorks 為開發平臺，對噴水桁桿控制系統的軟硬件進行了設計，并對設計的系統進行了測試。測試證明，該系統具有較強的實時性與穩定性，滿足了系統開發者的要求。

飛機的結冰試驗，對于研究飛機結冰的相關性能十分關鍵。而在國內，沒有相應的噴水結冰試驗設備，需要遠赴加拿大進行相關試驗。為了改變國內噴水結冰試驗現狀，需要研發一套空中噴水作業系統。噴水桁桿控制系統是空中噴水作業系統的重要組成部分，需要控制電動絞車和小翼協調工作，使桁桿能穩定收放，并能穩定在設定角度進行噴水作業。對空中出現的各種緊急情況能快速做出響應，因而要求控制系統必須有較強的實時性。

美國風河（Wind River）公司開發的VxWorks 嵌入式實時操作系統采用Wind 微內核設計減少了系統開銷，從而保證了對外部事件的快速反應，提高了實時性和可靠性。

本文基于VxWorks 實時嵌入式平臺，對系統功能進行了分析，對系統的硬件平臺進行了搭建，對系統的軟件結構和流程進行了設計，并對設計的系統進行了測試。測試證明，該系統具有較強的實時性與穩定性，滿足了開發者的要求。

系統總體設計

桁桿安裝在某型飛機貨艙門外，小翼安裝在桁桿后端，如圖1 所示。噴水時，控制小翼使桁桿保持設定角度；收放時，控制小翼使鋼索的張力在設定范圍內。

系統功能分析

對系統進行功能分析，系統主要功能包括采集各類傳感器信號、接收GPS 信息、對小翼的控制、對電動絞車的控制、各種信號進行處理、控制律解算、并有監控和顯示功能。噴水桁桿控制系統主要由控制臺、控制計算機、顯示計算機、前艙顯示器、控制面板、攝像頭、各類傳感器、GPS 模塊、控制手柄、電動絞車、上位鎖和電動舵機組成，系統總體結構如圖2 所示。

系統工作原理

操作人員操作控制面板，控制計算機給絞車發送正轉指令，絞車正轉帶動鋼索放下桁桿；在桁桿下放的過程中，控制計算機采集傳感器信號并進行控制律解算，并將結果發送舵機帶動小翼偏轉，以達到穩定放下桁桿的目的。

當桁桿放到設置角度時，控制計算機自動向絞車發送停轉信號；此時，操作人員操作控制面板，使系統進入保持模態；控制計算機采集傳感器信號并進行控制律解算，并將結果發送舵機帶動小翼偏轉，以達到保持桁桿角度穩定的目的。系統同時引入桿頭振動加速度和鋼索張力，作為監控使用。系統在保持模態下進行噴水作業。

噴水工作完成后，操作人員操作控制面板，絞車反轉收起桁桿。當桁桿緊貼艙門時，上位鎖上鎖，鎖住桁桿。

顯示計算機連接3 個攝像頭，實時監控桁桿系統的工作狀態。在系統整個工作過程中，相關參數和監控視頻都顯示在顯示計算機的顯示器上，供操作人員觀察判斷。

硬件平臺

控制計算機是噴水桁桿控制系統的核心，為了保證系統的實時性，采用VxWorks 實時操作系統為開發平臺。顯示計算機采用嵌入式圖像處理系統，操作系統采用WindowsXPE。噴水桁桿控制系統的全部硬件連接圖如圖4 所示。

圖1 某型飛機尾部桁桿示意圖

圖2 噴水桁桿控制系統結構圖

圖3 噴水桁桿控制系統硬件連接關系圖

圖4 噴水桁桿控制系統任務優先級劃分

軟件設計

基于優先級的任務劃分

按照任務優先級高低劃分為7 種任務，如圖4 所示。

看門狗定時器任務，該任務中實現的功能有采集模擬量和離散量，對各種傳感器信號進行處理（數據類型有模擬量、離散量、脈沖信號422）。

中斷服務任務（響應GPS 秒脈沖）；

422 接收任務，該任務接收角速率傳感器信號、舵機狀態信息；

422 發送任務，該任務發送控制指令給舵機；

電動絞車發送任務，該任務發送離散量控制信號給電動絞車；

232 發送任務，該任務發送顯示信息給前艙顯示器；

UDP 網絡發送任務，該任務發送各類參數給監控計算機監控用。

主任務流程設計

控制軟件主程序流程如圖5 所示。系統上電，開始初始化，初始化完成，若不結束，等待看門狗定時器釋放信號量（10ms 釋放一次），若信號量釋放，則程序主循環執行。接收模擬量和離散量數據，并對數據進行測量噪聲濾波等處理，然后進行控制律解算，把解算結果發送給舵機。若程序執行不結束，則進入下一輪的看門狗信號量釋放等待。

圖5 控制軟件主程序流程圖

系統測試

對完成的系統進行測試和驗證，主程序設置成10ms執行一次。在Tornado 中查看系統的各個任務運行狀況，可以看到主程序（看門狗定時器控制的任務）能保證10ms 執行一次，看門狗定時器控制的任務實際開銷不到5ms。看門狗的定時精度小于1tick（在本系統中代表1ms）。

結語

針對噴水桁桿控制系統的特點，采用了嵌入式操作系統VxWorks 為開發平臺，對系統功能進行了分析，對硬件平臺進行了搭建，對軟件進行了基于優先級的任務劃分和流程設計，并對設計的系統進行了測試。測試證明，該系統具有較強的實時性與穩定性，滿足了開發者的要求。