面向航空发动机分布式控制的TTP/C总线控制器设计方法技术

本发明专利技术公开了一种面向航空发动机分布式控制的TTP/C总线控制器设计方法。结合航空发动机分布式控制系统性能需求，TTP/C总线控制器设计方法包括TTP/C总线控制器的总体设计、TTP/C总线控制器数据链路层设计、TTP/C总线控制器协议服务层设计、TTP/C总线控制器通信网络接口设计和TTP/C总线控制器状态机设计。采用本发明专利技术设计方法基于现场可编程门阵列所设计的控制器重量较轻、成本低廉、维护方便，同时传输带宽高、容错能力强、总线利用率高，足以满足航空发动机分布式控制系统的需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于航空发动机控制
，具体涉及一种航空发动机分布式控制系统时间触发通信总线的实现方法，尤其是一种面向航空发动机分布式控制的TTP/C总线控制器设计方法。
技术介绍
在过去的30年中，航空发动机控制系统已经从最初的机械液压式系统逐步过渡到今天的全权限数字电子控制，随着军用航空科技的竞争日趋激烈，对航空发动机数字控制器性能以及减重需求进一步提高，集中式控制构架已经难以满足发展需求，分布式控制逐渐成为研究热点。在发动机分布式控制系统中，由于各个子系统之间需要基于通信总线协同工作，因此通信总线性能将直接影响到控制系统的稳定性以及控制性能，通信总线的研究对航空发动机分布式控制系统设计非常重要。通信总线设计主要目的是为发动机控制系统提供安全高速数据通道，使数据能够实时并且准确的从源节点送至目的节点。而对于航空发动机分布式控制通信系统的研究可归结于对通信网络协议的研究。迄今为止，各种工业化、商业化标准的通信总线已经在不同安全等级和不同场合得到了广泛应用，不同通信总线协议差别也较大，但都是基于事件触发构架(EventTriggeredArchitecture，ETA)和时间触发构架(TimeTriggeredArchitecture，TTA)设计的[11]。ETA构架中的任意节点可以在任意时刻访问总线，进行数据传输，具体的访问时刻由外部事件的发生时刻决定，这类构架普遍采用载波监听多路访问/冲突避免机制(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance，CSMA/CA)的通信媒体介质访问方式，总线CAN、ARINC664、ARINC629、MIL-STD-1553B等均属于此类构架。TTA构架在预先设计的全局静态调度列表的基础之上，基于全局同步时钟进行数据传输[13]，数据的传输时刻都是确定的，采用时分多路复用(TimeDivisionMultipleAccess，TDMA)的通信方式，时间触发CAN(TimeTriggeredCAN，TTCAN)、时间触发协议TTP、FlexRay、ARINC629等均属于此类构架。TTA构架的TDMA介质访问方式能够以可预测的传输时延和较小的传输抖动在各个节点之间进行数据传输和信息交互，并避免因消息传输阻塞引起的总线故障。TTA构架的信息由全局静态调度列表定义，数据帧中不包括地址相关信息，这样在节省传输带宽的同时，避免了因消息节点ID被修改而引起的总线故障。TTA构架通过预先离线生成的全局静态调度列表，不仅可以保证信息传递的时间确定性，而且可以确保节点之间信息传递的时间参数特性不会因系统的改变而变化，这是可扩展、易升级的分布式控制设计的关键特性。同时，TTA构架的TDMA通信媒体介质访问方式提供了实时、可靠、安全的分布式全局同步容错时钟，并确保了实时可靠的成员关系。因此，基于TTA构架的时间触发通信总线能为航空发动机分布式控制系统的实时控制任务，搭建了一个实时、安全、可靠、可扩展、易升级的一致性分布式通信总线系统，是航空发动机分布式控制系统可实现的、理想的容错数据通信总线。虽然在航空发动机分布式控制通信总线
已经开展大量的研究工作，但迄今为止，还没有一种专门的适用于航空发动机分布式控制系统的通信总线协议。通过对一部分有可能应用于航空发动机的通信总线协议进行可行性分析与成熟度评估，研究结果表明应用于大多数工业领域的通信总线技术相对成熟并在其相应的领域得到了广泛使用。考虑到航空发动机对高温电子元器件技术发展具有相当高的要求，通信总线在航空发动机领域的应用成熟度较低，结合航空发动机分布式控制的实时性、容错性等要求，基于TTA构架的TTP/C时间触发通信总线可以作为航空发动机分布式控制系统的通信总线进行研究。基于TTP/C总线协议通过构建一个具有的分布式、实时、多余度、容错、可重构等开放式系统特性的通信系统，为可靠性要求高的航空航天等领域提供通用的底层通信解决方案。TTP/C总线是一种基于TTA构架的多点串行通信协议，采用TDMA媒体访问方式，实现分布式全局容错同步时钟，调度策略支持由多个基本TTA周期构成的集群周期。TTP/C在通信协议层提供时间触发数据传输、分布式容错时钟同步、故障节点探测与隔离、循环冗余(CyclicRedundancyCheck，CRC)校验、收发确认、冗余管理等服务。TTP/C总线协议为其服务应用程序提供一个实时、确定、可靠、安全的一致性分布式通信总线平台。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术基于时间触发协议TTP/C本身，提供一种基于FPGA的航空发动机分布式控制系统通信总线控制器设计，用于航空发动机分布式控制通信协议研究应用，从而保证分布式控制对高传输带宽、优秀容错机制、减重等要求。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种面向航空发动机分布式控制的TTP/C总线控制器设计方法，包括以下步骤：步骤1)、航空发动机分布式控制系统TTP/C总线控制器的总体设计；步骤2)、航空发动机分布式控制系统TTP/C总线控制器数据链路层的设计；步骤3)、航空发动机分布式控制系统TTP/C总线控制器协议服务层的设计；步骤4)、航空发动机分布式控制系统TTP/C总线控制器CNI的设计；步骤5)、航空发动机分布式控制系统TTP/C总线控制器状态机的设计。进一步的，所述步骤1)包括以下过程：步骤1-1)、基于TTP/C的航空发动机分布式控制通信总线控制器结构设计：采用软件和硬件相结合协同设计方法，其中，硬件设计包括总线收发器、BG模块、分频器、时间触发器、CNI接口、片内存储ROM/RAM，各模块通过Avalon构架实现数据通信；软件部分通过NiosII软核完成包括容错同步时钟、故障诊断在内的功能模块设计，NiosII软核处理器是唯一主机，其他功能模块均为从机；步骤1-2)、基于TTP/C的航空发动机分布式控制通信总线控制器协议的分层设计：将总线分为物理层、数据链路层和应用层，分别进行设计；步骤1-3)、基于TTP/C的航空发动机分布式控制通信总线控制器的参数设计：对包括总线控制器的通信方式、拓补结构、帧格式、编码方式、传输介质、校验方式在内的关键技术进行设计说明；并对航空发动机分布控制系统的包括传输带宽、控制周期、容错时钟同步精度、同步算法执行时间间隔、数据帧间隔、集群周期在内的参数进行分析计算。进一步的，所述硬件设计采用阿尔特拉公司CycloneIV系列EP4CE15F17C8型FPGA完成。进一步的，所述步骤2)包括以下过程：步骤2-1)、总线收发器设计：包括数据发送模块和数据接收模块，所述发送/接收模块均设计了发送/接收缓存A、数据组帧、循环冗余校验码生成、发送/接收缓存B、发送/接收状态机、曼彻斯特编码和发送/接收7个子模块；步骤2-2)、总线保护器设计：设计两路相同的独立总线保护器，用以数据传输和信息，并配有冗余管理模块管理所述两路独立总线；在发送数据时，所述冗余管理模块将待发送数据同时发送到所述两路总线中，待发送数据通过两个不同的通道在两路总线中进行传输；步骤2-3)、航空发动机分布式控制系统MEDL列表设计本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向航空发动机分布式控制的TTP/C总线控制器设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1)、航空发动机分布式控制系统TTP/C总线控制器的总体设计；步骤2)、航空发动机分布式控制系统TTP/C总线控制器数据链路层的设计；步骤3)、航空发动机分布式控制系统TTP/C总线控制器协议服务层的设计；步骤4)、航空发动机分布式控制系统TTP/C总线控制器CNI的设计；步骤5)、航空发动机分布式控制系统TTP/C总线控制器状态机的设计。

【技术特征摘要】
1.一种面向航空发动机分布式控制的TTP/C总线控制器设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1)、航空发动机分布式控制系统TTP/C总线控制器的总体设计；步骤2)、航空发动机分布式控制系统TTP/C总线控制器数据链路层的设计；步骤3)、航空发动机分布式控制系统TTP/C总线控制器协议服务层的设计；步骤4)、航空发动机分布式控制系统TTP/C总线控制器CNI的设计；步骤5)、航空发动机分布式控制系统TTP/C总线控制器状态机的设计。2.如权利要求1所述的面向航空发动机分布式控制的TTP/C总线控制器设计方法，其特征在于，所述步骤1)包括以下过程：步骤1-1)、基于TTP/C的航空发动机分布式控制通信总线控制器结构设计：采用软件和硬件相结合协同设计方法，其中，硬件设计包括总线收发器、BG模块、分频器、时间触发器、CNI接口、片内存储ROM/RAM，各模块通过Avalon构架实现数据通信；软件部分通过NiosII软核完成包括容错同步时钟、故障诊断在内的功能模块设计，NiosII软核处理器是唯一主机，其他功能模块均为从机；步骤1-2)、基于TTP/C的航空发动机分布式控制通信总线控制器协议的分层设计：将总线分为物理层、数据链路层和应用层，分别进行设计；步骤1-3)、基于TTP/C的航空发动机分布式控制通信总线控制器的参数设计：对包括总线控制器的通信方式、拓补结构、帧格式、编码方式、传输介质、校验方式在内的关键技术进行设计说明；并对航空发动机分布控制系统的包括传输带宽、控制周期、容错时钟同步精度、同步算法执行时间间隔、数据帧间隔、集群周期在内的参数进行分析计算。3.如权利要求1所述一种面向航空发动机分布式控制的TTP/C总线控制器设计方法，其特征在于，所述硬件设计采用阿尔特拉公司CycloneIV系列EP4CE15F17C8型FPGA完成。4.如权利要求1所述一种面向航空发动机分布式控制的TTP/C总线控制器设计方法，其特征在于，所述步骤2)包括以下过程：步骤2-1)、总线收发器设计：包括数据发送模块和数据接收模块，所述发送/接收模块均设计了发送/接收缓存A、数据组帧、循环冗余校验码生成、发送/接收缓存B、发送/接收状态机、曼彻斯特编码和发送/接收7个子模块；步骤2-2)、总线保护器设计：设计两路相同的独立总线保护器，用以数据传输和信息，并配有冗余管理模块管理所述两路独立总线；在发送数据时，所述冗余管理模块将待发送数据同时发送到所述两路总线中，待发送数据通过两个不同的通道在两路总线中进行传输；步骤2-3)、航空发动机分布式控制系统MEDL列表设计：所述MEDL指令列表包含各指令数据的指令序列、执行时刻、消息地址和附加信息，并定义一个MEDL指令触发计数器；所述触发计数器将MEDL列表中每条指令的执行时刻复制过来，在1MHz时钟脉冲的驱动下，在各执行时刻向NiosII软核处理器发送中断请求信号，NiosII软核处理器经过Avalon构架解析该中断请求信号，并在相应的控制器中断服务程序读取MEDL列表中的信息，完成在该时刻MEDL列表中配置的具体任务操作。5.如权利要求4所述一种面向航空发动机分布式控制的TTP/C总线控制器设计方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘慕绚，黄金泉，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32