飞行控制计算机的余度分析与设计

文/许静 夏珊

（1.中国直升机设计研究所 江西省景德镇市 333001 2.航空工业昌河飞机工业集团有限责任公司 江西省景德镇市 333001）

低速、低空和机头方向不变的机动飞行及在小面积场地垂直升降是直升机的突出特征，由于这些特点使其具有广阔的用途及发展前景。对于其核心部件飞行控制计算机的要求也更加严格，需要更高的可靠性，而单一提高硬件系统中元器件的可靠性无法提高整机可靠性，所以余度技术被应用到飞行控制计算机的设计中，降低技术复杂度和提高故障覆盖率是余度配置中首要解决的问题，目前应用广泛，技术相对成熟的是双余度飞行控制计算机的设计，这种结构资源少，重量轻，便于实现。

1 飞行控制计算机的系统结构与工作原理

余度技术的应用能明显提高飞行控制计算机在执行任务时的安全可靠性，但不是简单的余度叠加，并非余度数越多越好，双余度飞行控制计算机的设计综合考虑了可靠性与系统复杂程度的指标，采用硬件冗余和软件管理的管理策略，硬件方面增加了一路功能相同的飞控计算机通道，主机具有输出控制权，副机作为热备份。飞行控制计算机通过总线系统与航电系统进行交联，接收来自航电系统、遥控系统、机上传感器的总线、模拟量及离散量信号，由机内双通道对采集到的控制指令、飞行参数、监控信号进行逻辑处理、参数加工以及故障监控等处理，通过交叉传输链路实现双通道之间的信号交互，由双余度表决策略得到相关信号的表决值。飞控计算机通过对表决信号进行控制律计算，得到舵机的控制指令，由模拟量输出通道实现舵机控制指令的输出，从而实现对飞机的控制。飞控计算机原理图如图1 所示。

2 飞行控制计算机的硬件系统

硬件结构相同的双通道组成了双余度飞控计算机，两个CPU负责输入信号的处理和控制律计算，通过交叉传输电路进行交叉互比表决，将最终结果输出给伺服控制系统，以驱动舵机运动。各硬件模块的功能介绍如下。

2.1 CPU模块

CPU 模块承担控制逻辑解算、飞行控制律解算、余度管理、故障检测和任务调度等任务。以MPC8245 为例，MPC8245 处理器具有MPC603e 内核机PCI 桥，存储器控制器，DMA 控制器，可编程中断控制器，它具有并行执行数条指令、简单指令的快速执行、流水线操作等优点，内部最高频率为300MHz，最快单周期可同时执行6 条指令，峰值速度约500MIPS/300MHz。

2.2 接口模块

为了对飞行控制计算机俯仰角及其角速率、横滚角及其角速率、偏航角及其角速率进行精确采样，利用A/D 转换器将经过调理后的模拟量信号变换为计算机可用的数字量，外部输入信号需经过信号调理电路进行处理，包括解调、滤波及增益调整等，最后才能接入CPU 进行AD 采集。

图1：飞控计算机原理图

图2：通道故障逻辑图

接口模块还配置有422 总线采集单元，对于大气传感器、地面测试设备、惯性传感器等外部设备的422 总线信号进行采集。

2.3 CCDL模块

CCDL 模块实现双机互比功能，在CCDL 模块的内部有双口RAM，它机将采集值写入双口RAM，本机通过读取相应地址中的值获得它机采集值。

2.4 通道故障逻辑模块

通道故障逻辑模块保障了电路故障时系统输出的连续性、准确性。在双余度飞行控制计算机系统中，外部输入信号同时送到A、B 通道，双机之间需要对采集到的数据进行互比表决，在A、B 通道都有效的情况下，A 通道具有输出控制权，当只有一个通道有效时，该通道具有输出控制权，若两个通道都发生故障，飞行控制计算机默认A 通道输出，如表1、表2 所示，通道故障逻辑图如图2所示。

2.5 电源模块

表1：A 机有输出情况表

表2：B 机有输出情况表

电源模块为飞控计算机内部双通道及其他相关单元供电，该模块既要有较高的品质又要满足抗电磁干扰的特性，同时，电源模块还具有滤波、稳压结构，可输出纹波小、稳定的电压。

3 飞行控制计算机的软件系统

双余度飞行控制计算机软件的设计依赖于软件容错技术，正常工作时进行实时监控，故障发生时降低系统的性能损失。底层的双口RAM 通过进行两个通道的数据交叉传输实现余度管理，两通道完成各自的数据采集后，单通道状态的监控依赖于相应的监控策略，故障综合则记录了故障信息及故障点，再通过交叉传输进行双通道监控结果及数据的互比，使监控状态正确且数据结果有效的通道具有输出控制权，正常输出。

3.1 任务同步技术

双余度飞行控制计算机余度管理的关键是任务同步技术，两通道能够并行同步工作是双余度实现的基础，余度通道之间为热并行运行方式，各通道比较、表决失误数据必须是同一次计算的结果，才可维持计算数据的一致性，故每帧开始时都进行一次双余度通道间的同步。

3.2 表决技术

飞行控制计算机系统在周期性执行任务过程中，为保证输出结果的一致性和准确性，要对数据输入、输出结果进行比较表决。两个模块之间互送数据信息通过串口通讯实现，然后对其输出结果进行监控比较，取合理值进行下一步操作，满足屏蔽故障任务或部件，提高输出数据可靠性的要求。

3.3 故障监控技术

双余度飞行控制计算机采用双余度通道数据交叉互比监控方式，使用软件超时监控技术，在一定的条件下可进行系统重构和故障隔离、实现故障工作或故障降级工作。每一个通道通过周期性故障综合来识别自身的运行状态，实现通道故障控制逻辑的支配，判断通道是否有真实输出，为双余度的有效控制提供依据，在飞控系统发生严重故障时，具有确保故障安全的能力（即故障发生时飞控计算机能切断自身俯仰、倾斜、航向、高度四个任务通道的输出，完全释放对飞机的控制）。

4 结束语

本文从工程实际出发，简述了飞行控制计算机的双余度管理策略，设计方案结合了硬件余度和软件容错技术，在系统软件中应用了故障监控、余度管理和表决技术等，大大提高了飞行控制计算机的可靠性，保障直升机的飞行安全。