虚拟飞控计算机：飞行控制系统验证与优化的利器

news2024/11/27 4:38:55

01.背景介绍

随着航空技术的飞速发展，飞行控制系统作为飞机的心脏，全面负责监测、调整和维持飞行器的姿态、航向、高度等参数，用以确保飞行的安全和稳定。为了满足这些要求，现代飞控系统通常采用先进的处理器和外设来确保其高效、稳定的运行。

▲C919模拟驾驶舱

然而，在实际应用中，受到成本、技术、安全等多种因素的限制，真实的处理器和外设往往难以满足测试和验证的需求。为解决这一困境，虚拟飞控计算机应运而生，它能够模拟出真实的处理器及外设，为飞控软件提供接近真实环境的运行支撑。

02.飞控计算机硬件技术方案

为实现飞控计算机的虚拟仿真，首先需要了解飞控计算机的硬件技术方案。现代飞控计算机的设计方案通常包括指令支路和监控支路两部分。

指令支路涉及飞行控制系统的实际控制部分，包括姿态控制、油门控制、舵面控制等。在指令支路中，飞控计算机会根据传感器提供的数据和控制算法的指导，计算出相应的控制指令，然后发送给执行器系统。

监控支路通常涉及故障检测、系统诊断、性能监测等功能。飞控计算机会定期检查传感器的数据、执行器的响应以及其他系统的运行情况，如果发现任何异常，则会采取相应的措施，如发出警报、停止指令支路的指令输出、采取容错控制或自动转换备用系统等，以保证飞行控制的安全和稳定。

飞控计算机的硬件架构拓扑图如下：

▲飞控计算机的硬件架构拓扑图

2.1 飞控计算机系统

飞控计算机的设计方案中，指令和监控支路分别采用了基于PowerPC和ARM架构的处理器，其余的硬件模块则主要依赖于FPGA来实现。这两条支路共享电源、时钟和复位，以确保处理器在相同的复位和时钟信号下同步运行。

2.2 系统功能和通讯

指令支路为不同单元提供分时分区同步中断，确保各任务能够同步运行；

数据传输借助基于FPGA的CLDL总线（一种总线通讯协议），实现指令支路与监控支路之间的通信。这种设计使得飞控计算机能够高效、安全地处理飞行控制指令，并实时监控飞机状态，从而确保飞行的安全性和稳定性；

飞控计算机通过以太网与上位机通信，允许上位机配置网络参数，使用指令获取系统软件中的变量数据，获得真实飞机运行状态及控制的关键参数。

03.基于SkyEye的虚拟飞控计算机实现方案

与飞控计算机的硬件技术方案相对应，SkyEye仿真实现的虚拟飞控计算机的基本架构如下图所示：

▲SkyEye飞控计算机系统仿真基本架构

3.1 架构与同步机制

与真实硬件一致，基于SkyEye的虚拟飞控计算机由指令支路板卡和监控支路板卡构成。指令支路板卡包含CPU1和FPGA模型，监控支路板卡则包含CPU2和FPGA模型。两个支路的同步是通过SkyEye的同步工具实现的，该工具利用同步步长来确保指令支路与监控支路同步运行。在任何给定时刻，这两个支路的仿真时间都是相同的。

3.2 同步中断设计

为了实现两支路的分时分区同步中断，基于实际硬件情况，虚拟飞控计算机将指令支路的同步中断传递给监控支路。一旦此中断被触发，指令支路和监控支路的同步中断任务将同步启动，确保两支路之间的同步运行。这种设计提高了系统的可靠性和稳定性，使得虚拟飞控计算机能够更好地模拟真实硬件的行为，并为飞控计算机系统软件的测试和分析提供了便利。

3.3 CLDL通信模拟

基于SkyEye的虚拟飞控计算机模拟了两支路间的CLDL通信协议。当指令支路需要向监控支路发送数据时，相关任务将数据传输给指令支路的CLDL模块，CLDL模块解析数据并通过网络发送给监控支路的CLDL模块，并由该模块将数据解析并保存到指定ID的CLDL缓冲区中。随后，监控支路的处理任务读取该缓冲区中相应ID的数据，并进行进一步的处理。

3.4 网络数据交互设计

基于SkyEye的虚拟飞控计算机通过以太网与上位机相连，确保数据传输的稳定性和高效性。为实现网络数据的收发，指令支路采用虚拟W5100网络接口芯片，保持与硬件使用芯片一致，监控支路采用TAP虚拟网卡模拟芯片GMAC模块。

这种配置保证了两条支路能快速、准确地接收和发送网络数据。一旦上位机完成网络IP和端口号的配置，便能通过发送指令获取飞控计算机软件的数据。这一功能使得上位机能实时监控飞控计算机软件的运行状态，并观察到软件内部各个变量的变化情况，为开发者、测试人员和操作员提供了极大的便利，使得他们能更直观地了解飞控计算机软件的运行状况，并及时发现、解决潜在问题。