無人機機載管理軟件開發技術研究

Title:TheResearchofRedundancyManagementSoftwareDevelopmentTechnologyonUAVAirborneWangZheUndertheSupervisionofProfessorChenHuaiminADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofMasterofSoftwareXi’anP.R.ChinaMarch2015本文緊跟國內外余度管理技術的研究方向，基于無人機飛控系統可靠性應用需求，發了余度管理軟件并且在飛控計算機仿真機下實現了余度管理算法的運行和軟件測試工作。本文主要工作如下：3、結合嵌入式實時操作系統VxWorks的特點，在飛控計算機仿真機硬件的基WindRiverBSPBSP進行開發?？偨Y了余度管理軟件開4在基于PowerPC相似硬件環境和嵌入式實時操作系統VxWorks的三余度飛控計控、故障與處理等模塊進行設計和代碼實現。5、利用靜態測試對余度管理軟件進行程序結構分析和程序語則檢查。利用單比對分析并最終得出。最后分別進行無故障和有故障的半物理閉環仿真實驗，利用靜態測試發現程序中多處語則，通過及時改正和反復的代碼走查，確Thispaperfollowedbydomesticandforeignresearchdirectionofredundancymanagementtechnology,andbasedonreliabilityrequirementofUAVflightcontrolsystem,airbornesoftwarearchitecturewasdesignedfromthesystemlevel,thedesignofairborneredundancymanagementsoftwareandimplementationprocessofeachpartmodulewasdescribed.OnthebasisofkeyresearchonUAVairborneredundancymanagementsoftwaredevelopmenttechnology,redundancymanagementsoftwarehasbeendesigned.Runofredundancymanagementalgorithmandsoftwaretestingisrealizedintheflightcontrolcomputersimulationmachine.Themainlyworkasfollows:Basedontheinternalandexternalpreviousexperimentalresults,UAVairborneredundancymanagementtechnologywasreviewed.Inthisissue,goalofdesignandrequirementwerepresented.Keyfunctionalmodulesofredundancymanagementtechnologyaresummarized.developmentwasdevelopmentwassummarized.Characterdevicedriverwasdesignedandhardwareofflightcontrolcomputersimulationmachine.Debuggingtechnology,exceptionhandingprocessanddevicedriverdevelopmentprocessofredundancymanagementcharacteristicofVxWorks,BSPwasdevelopedbasedonAccording5.Usingstatictesting,redundancymanagementsoftwareprogramstructureisolationandreconstructionmodulearedesigned,achievedbymanualFunctionalmodulesofredundancymanagementsoftwaresuchas5.Usingstatictesting,redundancymanagementsoftwareprogramstructureisolationandreconstructionmodulearedesigned,achievedbymanualyzedandfinallygetthetestresult.Finally,fault-freesemi-physicalsimulationandyzedandfinallygetthetestresult.Finally,fault-freesemi-physicalsimulationandexperimentalresultphysicalsimulationwithfaultimmitisoperated.Thesimulationcurveswasrecordedandmanagementsoftwarewastested.TheactualoutputanddesiredoutputwascomparedUsingstatictesting,theprogramthatviolatesmanyrulesofgrammarwasfound.thetimelycorrectionandrepeatedcodereview,toensurethatthestructureandgrammaticalrulesthetimelycorrectionandrepeatedcodereview,toensurethatthestructureandgrammaticalrulesofprocedureiscorrect.ThetestingresultsshowthatthedesignofkeyfunctionalmodulesignificancesignificancetothedevelopmentofUAVairborneofredundancymanagementsoftwareisreasonable,thelogiciscorrect,safelyandreliabilityofredundancymanagementsoftwarehavemetedtherequirement.Ithascertain:redundancymanagementtechnology,airborneredundancymanagementsoftware,triplexhot-redundancyflightcontrolcomputersimulationmachine,Vxworks,software摘 目 緒 1.1選題背景及意 余度管理技術國內外發展現 1.3主要內容與章節安 余度管理技術研 余度管理技術綜 余度管理的設計目的與要 余度管理設計的主要內 余度形式的選 余度管理技術關鍵功能模塊概 同 交叉傳 信號的與表 機內自檢 .............................................................................................................10無人機機載軟件架構設 解析軟件架 軟件架構發展歷 架構設計中的5種視 無人機機載軟件的架 系統總體架構設 余度管理軟件架構設 基于VXWORKS的機載軟件開發技 VXWORKS系統的BSP開 BSP基本概 BSP的開發方法和過 基于VXWORKS的軟件調試技術研 利用調試器進行調 軟件交付后的現場調 異常處 基于VXWORKS的驅動程序開 設備驅動程序基本概 硬件驅動程序與BSP的關 設備驅動程序工作流 字符設備驅動程序開 三余度飛行管理與控制軟件開 軟件需求分 三余度飛控軟件的功能需 操作系統軟件的功能需 同 同步設計依 同步設 信號的與表決設 故障安全 信號信號表 交叉傳輸設 飛行中自檢 設 同步CCDL回繞電源總線通信通道故障與處 同步故障分析與處 CCDL交叉傳輸故障處 總線通信故障與處 通道故障與處 軟件測試與運行結果分 軟件測試方 靜態測 單元測 同步方法測 信號的表決測 CCDL傳輸測 通道測 通道故障切換測 無故障閉環仿真測 實驗方 實驗結果及分 有故障閉環仿 實驗方 實驗結果及分 軟件測試結 總結與展 7.1工作總 7.2后續工作展 參考文 期間致 選題背景及意到20世紀50年代才得到了真正的發展。無人機用途非常廣泛，成本較低，且無人員傷亡的風險，在現代中具有極其重要的作用，在民用領域也有廣闊的應用前景。1、由于飛控系統是整個飛機的，飛控系統的水平高低對飛機的性能和安全的現實意義。2驗結果的可信性。3、開展無人機機載余度管理軟件的研究工作，對提高我國的綜合國力，世和平將起到至關重要的作用。余度管理技術國內外發展現性遠于機械系統[4]。根據軍方標準MIL-F-9490D要求，在電傳飛行控制系統應用主動控制技術的情況下因為系統故障而導致的飛機的失效率應該1.0107/飛行小時，而目前單余度的電氣系統的可靠性只能達到1.010-3/飛行小時，所以根據國內外的發展目前電傳飛行控制系統絕大多采用具有雙故障\工作能力的余度系統[4]的F-16A/B水平所以采用的是模擬四余度飛控計算機隨著數字計算機的飛速發展在后的F-16/D度數字電傳控制系統具有較高的可靠性和能力而且結構簡單成本體小和重量輕等特點所以在新一代的中得到了廣泛的應用如F/A-18幻影2000，蘇-27蘇-25瑞典的S-39等在機方面波音公司的-17安東諾夫設計局研制的安-70和空客的M新型機都采用的是四余度電傳飛控系統[5][6]。電源組ARINC三余度配平作動10-10/飛行小時相似余度技術，Boeing777更是第一次將電傳飛行控制系統應用到客機中的機型，它的電傳飛控系統的的結構是在B7J7設計的基礎上發展起來的，其具有很高的可靠性[7]。2060年代，并開始組建科研隊伍對我國自主研制的余度飛控計算機系統進行基礎技術研究，開展電傳飛控系統的相關研究。70年代初，在李仲榮教授、曾教授、陳教授等人的下，對容錯技術理論進行了深入研究，及切換法、可靠性理論以及各種冗余方案的比較等[10]。80631所研制的ACT容錯計算機和飛控計算機全部采用四余度技術，能夠滿足嚴格的可靠性要求，其飛行控制計算機系統必須具備三次故障后仍可操作能力，即通過硬件冗余實現FO/FO/FS502所與國內各性的研究是很有必要的。飛控計算機是飛行控制系統的 主要內容與章節安31Vxworks實本文一共為六章，結構安排如下第一章緒論。本章首先闡述了本的選題背景及意義，深入探究了余度管第二章余度管理技術研究。本章首先對余度管理技術進行簡明扼要的概述，并對第三章無人機機載軟件架構設計。本章首先對軟件架構理論進行詳細解析，然后Vxworks的機載軟件開發技術。本章詳細介紹了在嵌入式實時操作系統Vxworks下基于硬件進行BSP開發，開發環境Workbench的調試技術的研究和基于Vxworks的反射內存卡、卡等設備驅動程序的開發。第五章三余度飛行管理與控制軟件開發。本章對該軟件進行了詳細的需求分析和第六章軟件測試與運行結構的分析。為了三余度飛控計算機仿真機系統軟件的正第七章總結與展望。本章對該主要工作進行總結，對中的不完善的地方余度管理技術的設計方法根據標MIL-F-9490D對余度有如下定義余度是需要出現兩個或兩個之間如何協調，如何對運行中的部件進行故障，出了故障怎么樣，余下完好通的可以及時發現系統的故障模塊；這些都是余度管理技術的。與，交叉傳輸，故障技術，故障重構技術。12表決原則進行；[13][14][15]它的優點是在各冗余資源上每個基本的硬件活動都能得到一致的瞬間效應冗余系統才能快速發現并遏制故障在通道之間的，及時地做出補救措施，才能夠保證在容錯機制中故障對系統的損害得到。由于同步及容錯等環節的實現對[12]。這就需要開發人員查閱相關資料深入習系統容錯理論知識和深入了解計算機內orks相關通信協議來解決此問題。開發過程中，我們需要進行實時的數據傳輸，及時的故障、比較結果、切除故在每個周期內要進行兩次交叉傳輸：第一次是在計算機到數據之后的交叉傳態的判斷數據及回繞隨機數據等存入自己的CCDL（CrossChannelDataLink）數據CCDL數據包，系統將對這CCDLCCDL數據包并通過總線接收另外兩個計算機的CCDL數據包，獲取了這三個數據包中的數據，就可以對控制律的計算結果進行表信號的與表傳感器傳感器傳感器支路支路支路傳感器傳感器傳感器支路支路支路決，一個是控制律計算后發送給舵機指令的表決。對應的多余度信號的面也設置機內自檢測（Built-intest簡稱BIT），是指系統設備通過自身硬件和附加在系統內飛控系統的BIT的基本結構分為兩級：第一級是對飛控計算機的檢測，因為飛控計控計算機BIT的主要任務為CPU模塊工作是否正常、在控制計算的過程中是否對通過對國內外不同類型飛機的飛控系統的BIT工作模式的大量研究發現，BIT所處行中機內自檢測（IFBIT）、機內自檢測（MBIT）。如圖2-2所示。RAM、ROM、NVM測加電定時中斷控制數字計算機測飛行前傳感器系統測伺服作動系統測電源監測測飛行中CPU、ROM測關鍵傳感器測2-2BIT；的部件進試，并將存入NVRAM（非易失性隨機器）中；飛行前BIT運行在飛機起飛前主要對飛控系統的硬件完整性進試飛行中BIT運行在飛機飛行的整個過程中，對飛控系統的運行狀態進行全面的實時監測BIT運行BITNVRAM中記錄的故障信息對飛；解析軟件架上個世紀60年代以前，計算機剛剛興起并投入到實際的生產中，軟件設計只是為2060年代中期，由于計算機技術的高速發展，高速度大容量計算機的出展的要求需要迫切改變軟件的開發方式以提高軟件的生產率[35]軟件開始爆發了自1990年代以來，由于在RationalSoftwareCorporation和等知名軟件公51233-15邏輯架數邏輯架數據架開發架物理架運行架1

3-15234物理架構關注“目標程序及其依賴的運行庫和系統軟件”構還要考慮軟件系統和包括硬件在內的整個IT系統之間是如何相互影響的。553-2層次結構視圖在功能和邏輯上描述的很清楚而且能夠有效地指導開發人員進行軟件編orksorks支持的硬件驅動程序和板級[18]。VXWORKS地面支持模中VXWORKS地面支持模中斷處理模飛行控制模BIT模數據處理模系統管理模特定硬件環VXWORKS內特定硬件環VXWORKS內驅動模在大型程序中需要考慮將程序劃分成可以獨立實現的單元及這些模塊如何進行交互[20]是一個子模塊或與之進行交互系統的模塊化設計有如下優點：1、由于將一個復雜的系統劃分成若干個單能且相對獨立的模塊，從而把原來3誤。4、特殊情況可對關鍵模塊立即進行優化處理，以確保整個系統的安全運行563-4地面支持地面支持軟Vxworks操作系系統管理軟中斷處理程設備驅動程驅動與數據處理軟BIT軟BIT軟飛行控制軟起程程程飛控制程序系統總體架構設

3-4任務調 （宿主機網交換網交換遙信遙信指3-5機載飛控軟機載飛控軟件驗證目標系飛控主處理器機智能I/O機智能I/O機機載飛控軟件發飛控主處理器板 飛接擴擴口網 插...處ADD絡理//I接器DAO板串口1553B擴 1553BDA3-6三余度飛控計算機仿真機快速原型開發平臺架構圖（31架構目標機是整個系統的由三余度飛控計算機仿真機組成采用orks嵌入式PCI、、I、串口、IC反射內存卡等數據通訊接口。具體的硬件型號和技3-1所示。表3- 三余度飛控計算機 2GBDDR36E,PCI-X/PCIcard(PMC)PMCPMC,2GIGARMw/FOOptions,128MbyteMemory,4KFIFOs,CPCI139C箱體，80mm后3，250WCPCI三余度飛控計算機ADAD6416（6U擋板AD卡配套線纜和端100針SCSIDADA1616出（6U擋板DA卡配套線纜和端100針SCSIDIODIO32通道DI；32通道DO（更換6U擋板）DIO卡配套線纜和DB37MOXA-5650智能串口服16RS232、422485PMC,2GIGARMw/FOOptions,128MbyteMemory,4KFIFOs,MultimodeMPC85721.3GHz2GBDDR36E,nnTwoPCI-X/PCImezzaninecard(PMC)1553BSingle1553Channel,double-funcitonCPCI1553BT1553B雙絞3m1553BCPCI1，39C80mm后I/O2，8slotsCPCIBP，2.03，250WCPCI3-73-7余度管理軟件架構設3-8飛控軟實飛控軟實︶系操故 通數任關閉啟動同步 任輸入 輸控故 離 3-9余度特性模擬（同步、CCDL 、輸出等原始驅動Workbench3-10所示，每飛控計算機飛控計算機飛控計算機飛控計算機10ms10ms10ms10ms數據比較數據比較數據比較AACACCB數據表決電數據表決電舵控數據到仿真3-11硬件硬件初始掛接時鐘中關關閉輔助時內內存分配與初始發發起任創建創建20ms任創建40ms任N同N同步成Y交叉傳輸檢測校驗N交叉傳輸成Y初始同開中掛結記錄故結記錄故20ms40ms任務，20ms電源、數據記錄等。飛控系統內部軟件結構如圖3-12所示。開開應用程序初始離散應用程序初始任務初始各種總線初始任務初始余度管理軟20ms任務控制律計算軟20ms任務結執行周期任結執行周期任檢測數據記錄軟40ms任務40ms任務自定義任20ms3-13進入進入20ms20ms關閉中N關閉中N同步處理Y使能中關閉中小幀計數器遞關閉20ms任務定時允許20ms允許20ms關閉20msY通通道切首次進20ms的任NYN首次進20ms的任NYN初始同步 Y同步恢復N喂喂使能中小幀計數器遞通道切20ms后續任務處喂同步恢復N喂同步恢復N

3-1320ms續續20ms輸輸入信號表預預輸出指令表結結置20ms任務完成標第二次交叉第二次交叉傳輸入離散量比40ms3-15

3-1420ms3-1540msBSPBSP即BoardSupportPackage，板級支持包。它的設計使得嵌入式實時操作系統與硬件平臺上。對于具體的嵌入式系統硬件平臺，只要與硬件相關的代碼一律被封裝在BSPBSP提供，BSP與操作系統的交互是通過定義好的接口進行的[37]。BSP包含了所有與硬件相關的代碼，它們主要包括：12、目標系統上設備的驅動程序，為VxWorks硬件提供支持3、為應用程序提供相關程序接口，可以使其底層硬件與硬件無關的軟與硬件無關的軟硬件相關的軟硬LAN控制定時串行控制SCSI控制I/O系工具—應用程LAN驅BSP板級支持SCSI驅復用文件系VxWorks除了用戶的應用程序以外，BSPVxWorks映像的另一個源程序空間，需要用戶BSPWINDKERNEL和tUsrRootBSP的初始化[21]。InitInitInitI/O寄存器，將操作系統與具體硬件連接起來。SystemInit主要是準備數據結構為系統的運行進行數據初始化。BSP4-2所示。BoardInitCPU驅動程序與component的接驅動程序與I/O系統的接驅動程序的常規操與I/O系統的接口驅動程序與component的接驅動程序與I/O系統的接驅動程序的常規操控制寄存地址寄存狀態寄存控制寄存地址寄存狀態寄存其它接光接機械接控制電I/O處數字信數字電4-5VxWorksBSP在系統中的位置。從圖中可以看出，BSP向上層提供的接口有：1WIND3BSPindiverrndoorksorndoorksSP4-6BSP4-7核前初始化代調試系統時測試及編寫文BSP3

4-7BSP1、源文件和頭文件，如bspname.h、config.h、sysLib.c、romInit.s、sysALib.s、configNet.h等。23、二進制驅動程序模塊[53]BSP的開發要根據具體目標板的硬件進行，可以根據目標系統的硬件環境對tornado\target\configorks系統需要用到\torndo\tagt\onfig下包含的文件來進行，該包括了公共執行模塊（ll）和與目標系統相關的模塊（bpnm，其中公共onfig\ll下包orkstorndo提供的工具進行配置生成滿足用戶目標板的操作系統[38]\tagt\onfig\ll\ofigAll.h和\target\config\bspname\config.h，配置的模塊文件有\target\config\all\usrConfig.c target/config/allVxWorks結構產品，一般情況下不用修改這些文件。特別是configAll.h文件，它為所有的VxWorks映像設置了默認的配置。target/config/all1、bootConfig.c——用作引導ROMbootConfig.cROM映像的主初始化和控制文件。該文件包括了完整的引導ROM工作和一個網絡裝置初始化的表格。此模塊是usrConfig.c引導ROM映像的VxWorks映像下的所有可選特性[39]。2、bootInit.c——ROMROM初始化（romsInit.o以后）bootInit.c。romInit.sromInit()romStart()程序ROM映像所需的解壓縮和重定位工作由romStart()程序來完成。首先該程序將文本段和數據段從ROM中到RAM中，然后清除了沒有使用的部分主usrConfig.cVxWorks映像的主初始化編碼。與完全自包含的bootConfig.c不同，usrConfig.c文件包含target/src/config/usrExtra.c，它包含了供子系config.hCPU板的所有包含文件和定義。config.h的標準組織內容大1、BSP版本的信息和該版本ID2、configAll.h文件(#include部分3、MMU配置和緩沖器4、NVRAM（非易失性器）的相關參數56、ROM78、板載器的地址和大小91011、bspname.h文件（#include部分12、定義共享網絡器基于VxWorks的軟件調試技術研[23]們需要知道這個問題是因為開發人員的疏忽而導致的偶然性現象還是一個設計上的缺（bug取了這些信息才能對問題做進一步的分析第三步是做出最初可能程序錯誤的誤，否則回到第四步。宿主系控調試（應用開發工具目標程…進程管理模設備驅動模20%~50%的時間[25]。在嵌入式軟件的開發過程中，會頻繁地出現各種各樣的錯誤須借助VxWorks自帶的調試器發現并排除錯誤，VxWorks調試器通過交換機連接目標機對被調試程序的執行狀態進行宿主系控調試（應用開發工具目標程…進程管理模設備驅動模宿主進外設模擬線處理器狀態模處理寄存器模擬模目標-宿主異常處理模宿主線目標內4-8目目標機向調試器報異常情是否解決了題結束本次調 VxWorksVxWorksstructstruct{UNITvariPointer;//變量指針charvariLength;//變量長度charvariName[255];//變量說明}structstruct{unsignedshort FUNCPTRfuncPointer;unsignedcharfuncReturnSize; 用上述兩個結構體全局變量，程序中的變量和函數信息，并定義數組的結。括：程序斷點、浮點數或整數溢出、內存、地址、除數為零等。在VxWorks系的[29]，方便調用用戶自己的異常處理函數異常處理的四個階段歸納為如圖4-。

4-1041、任務函inttaskIdListGet( intidList[],//該數組 獲取的任務id)STATUStaskStatusString( inttid,//當前任務id)inttaskIdListGet( intidList[],//該數組 獲取的任務id)STATUStaskStatusString( inttid,//當前任務id)任務流程如圖4-11所示taskStatusStringtaskStatusStringtaskIdListGet2、abort()和exit()

結調用回調函結調用回調函的是立即終止程序，多用于處理瀕臨的程序，但是必須在調用abort()前先重要int /*taskint /*taskIDoftaskto)基于VxWorks的驅動程序開VxWorks已經對很多硬件提供了支持，但是在嵌入式系統的開發過程中不可避免的會使用系統的硬件，這樣我們就必須開發VxWorks下的設備驅動程序[30]。12、隨機塊設備，主要是磁盤34、控制監視設備，一般指控制數模變換的I/O中斷控制中斷控制定時PCMCIA系VME總線PCI總線網絡接串行接Flash系磁硬件設備驅動程序的功能包含如下幾點被別的任務時則不允許其他任務進行操作直到該硬件設備資源被釋放456內擴展模應內擴展模應用程設備硬設備驅動程應用程序通過操作系統內核調用驅動程序的優點是可以使用操作系統為驅動程序的開銷，系統的穩定性和實時性會下降。硬件驅動程序與BSPVxWorks操作系統BSPVxWorks提供與硬件環境相關的接VxWorksVxWorks下運行的軟件，這些軟件包括與硬件有關的和與硬件無關的[52]。BSPVxWorks的兩種通用的驅動程序可移植性較好而SP驅動程序適用于某種的硬件環境。在為嵌入式系統開發SP時，不但要對BSP的驅動程序提供支持，而且還要將通用的驅動程序集成在SP中[52]。用的驅動程序所在的位置。VxWorks4-14所示。嵌入式系統上電后，開始執行啟動代碼并加載orks映像。接著處理器轉到orks（yInit()的首地址yInit()的作用是復位處理器，進行必要的硬件初始化，然后轉到urInit()urInitorksysInit()將硬件置于初始化狀態，接著子程序krnlInit()orksuroot()子程序產orks庫、調用應用程序啟動代碼。在上述的啟動順序中，通用的設備驅動程序位于子程序usrRoot()中，BSP的設備驅動程序位于子程序sysHWInit()中[30]。orks415所示。裝載設備驅動程裝載設備驅動程創建設創建設將設備添加到設備列設備中斷管理函啟動啟動設關閉設關閉設關的VxWorks系統函數來獲取硬件接口參數接著通過I/O和內存映射這兩種工作方式LOCALintxxDrvNum=0;/*LOCALintxxDrvNum=0;/*驅動程序索引號typedef{DEV_HRDdevHdr;//設備頭數據結構BOOLisCreate;//設備創建標志BOOLisOpen;//UINT32RegMEMBase;//UINT32ioAddr;//設備…器址址2{/*判斷驅動程序是否已經安裝…/*設備驅動程序初始化…{return}return}{/*檢查驅動程序是否安裝…/*分配內存并初始化…/*硬件設備初始化，例如：I/O地址、設備本地內存地址等…/*將設備添加到設備列表{free((char*)pxxDev);//釋放設備描述符returnERROR;}return}4LOCALULONGxxIntHandler(int{{xx_DEV*pxxDev=(xx_DEV*) 中斷狀態…}intxxOpen(DEV_HDR*pxxDevHdr,intoption,int{…}intxxRead(intxxDevId,char*pBuf,int{…}IntxxWrite(intxxDevId,char*pBuf,int{…}//intxxClose(int//intxxClose(int{…}//{/*查找設備…/*釋放設備所占用的資源，例如：信號量、喚醒等待該設備的任務等…/*卸載設備returnOK;}軟件需求分VME-2536的數字量IO接口卡來實現同步；3、每40ms一個工作周期完成中規定的各種功能4、完成輸入輸出信號的表決5的故障進行實時模擬，實現故障、恢復、重構、綜合與記錄等；7、軟件需要留有接口，以便后續進一步完善其功能整個系統的地面模擬仿VxWorks操作系統是WindRiver公司于1983年設計開發的一種嵌入式實時操（TOS借其卓越的可靠性和實時性被航空航天、通信、軍事等高精尖領域廣泛采用。1、實時內核2、兼容實時操作系統標準3VxWorks網絡能與許多運行其它協議的網絡進行通信，如TCP/IP、4.3BSD、NFS、UDP、SNMP、FTP等。VxWorks可通過網絡允許任務存取文件到其它系統中，并對任務進行調用。45轉換、內存分配、消息、標準ANSI-C程序庫等系統調用。6同處理等其他一系列步驟。另外同步工作也實現了更小的比較閥值[43]。點，也就消除了因不同CPU中的時鐘不同而造成時間累積誤差。任務同步的目的是保VME-2536數字量IO接口卡（32個輸32個輸出口VME-2536IO5-1所示[44]DODODI通道DODI通道DODI通道同步算法采握手同步，周期為20ms。在每個周期的開始，飛控計算機仿真機的20ms任務周期后，首先關中斷，接著輸出一個“邏輯高”同步離散量，然后在限定5-2給出了基于雙握手的同步流程圖。N定時器1不超N定時器1不超YN其它2個端口的信全部為“高YN定時器1不超YN已經同步上的通Y重啟定時器輸出同步失啟動定時器啟動同步恢進入進入20ms關中關中啟動20ms后續任5-2信號的與表決設1、數字量信號算3個、2個、1個、0個。算法表達如下1個有效，則判斷是否可以利用控制律重構，如果系如果輸入的信號2個有效，則計算這兩個信號的差值的絕對值，差值絕對值小于閥值時兩個信號都故障，1；3個有效，則對有效的輸入信號進行排序處理，可得到最1。表5- 1234最大值減次大小于閥值大于閥值小于閥值大于閥值次大值減最小小于閥值小于閥值大于閥值大于閥值其余信號有其余信號有三信號全故個過程分為以下幾種情況：3個輸入信號有效，但只有一個信號的故障計數值到達了上限（被判一路信號為永久故障如果3個有效信號中2個達到故障上限或者3個全21個信號的故障計數值達到了故障上限，也可具體的流程如圖5-3所示是是是開超過一開超過一個效信否 控制重ILM有否是某信號故否否控制重三個號有否是僅一信號故是去除此障信否是結多故障邏重構控制號兩兩之差值>容重構控制是否圖5-3數字量信號算上圖中的多故障邏輯是故障的深入處理流程，它主要處理以下兩種情況212個信號故障計數器都323個信號故障計數器全 主 速率陀螺儀的陀螺轉 主 有ILM定故用故的通道狀態、CCDLILM定故用故是是否2個有ILM檢查故障信是否否剩余有信是否2個有2:1情是是2個有否差值>容是去除2個1:1:1情有效信1個有1個有5-4其中2:1情況表示3個有效信號中有2個信號故障計數器超限，1:1:1情況表示3個2、離散量信號算離散量信號的輸入值全部都是離散量（1為真，0為假離散量信號的采用相333022或0則兩個數據都有效，結果為1則兩個數據都無效。離散量算法如圖5-5所示開開3個離3個離散量相個個數為YNN結果為2或YN結果為3或者Y結果為YN 結果為2個離散量相三個值全部無為1的值無為0的值無三個值全部有兩個值都有兩個值都無結果為

圖5-5離散量信號算1每個通道的離散量信號的值相加，可能得到的結果為：3、2、1、0。如果相加結果是3，則表決值是1。如果相加結果是2，則表決值是1。如果相加結果是1，則表決值是0。005-6所示。NNNYNYNYYN2

33個信號有效時，32215-7開開N3通道數據都有NY2通道數據都有YN1通道數據都有Y3通道數據排取故障安全取該信取平均取中交叉傳輸設

在飛控計算機仿真機的運行過程中，每個通道計算機自己的是X，則其余兩個通道計算機的是Y和Z。交叉傳輸流程如圖5-8所示[47]。CCDLYY交叉傳輸超NY收到Y通道數讀其它通道的數據置Y通道成N置Y通道CCDL失N已經讀到其余個通道的CCDL數Y收到Z通道數YN叉叉傳輸成功標結

5-8飛行中BIT軟件分為四層，分別為：IFBIT啟/停條件判定層、IFBIT流程管理與調度層、IFBIT硬件驅動層、IFBIT結果記錄與告警層。IFBIT啟/停條件判定層主要來控制IFBITIFBITIFBITIFBIT硬件驅動層需要完成飛機在飛行中軟件驅動硬件的BIT功能。IFBITNVRAM中。飛控系統飛行中BIT5-9所示。IFBITIFBITIFBITIFBIT流程管理與調度庫令數據5-9BITBIT能否滿足聯鎖條件，如果滿足聯鎖條件則系統完成上電BITBITBITBIT將故NVRAMBITBIT檢測，檢測是否滿NVRAMBIT。接著是飛行中BIT，判斷條件同上。然后是運行BIT，通過分析NVRAM中的故障數據，BIT。綜上所述，BIT軟件設5-10所述。NN是否滿足YYNNYPBITYNN是否滿足YIFBITYNNYMBIT地 檢退出PUBIT 設

5-10BIT。余度管理設計的一項關鍵內容就是合理地選擇余度系統面的位置和數目。同步1，同時應該通知器將對方通道的輸入數據判定為無效數據，并且對對方通道放棄投票。行同步，永久失步故障將會通知器對對方通道的輸入數據為無效數據，并且對對方CCDL回繞CCDLCCDL數據包。飛控計算機三通道間采用CCDL回繞的方法對交叉通道傳輸進行CCDL回繞監控是在每個周期內兩次的CCDL交叉傳輸中進行的，CCDL回繞數據包有兩類特殊電源電源采用硬件和軟件硬件采用的是BIT電路周期性地對電源進行。有效電壓直接連接到CPU板的通道故障邏輯電路，當任一電源發生故障時，該故障邏輯電路就可以直接切除故障支路。軟件方法主要是利用電源軟件器，周期性地各種電源的電平信號，并且獲取幅值和頻率等信息來判定該電平信號是否發生故障。電源的對象包括5V、3.3V、12V等直流部分和交流部分。若到的電if(電源電壓故障{return}{if（3.3V1&&5V1&&15V{return}}{return}}總線通信staticMOS_UINT32temp=0; if（CPCI板卡永久故障）{{CPCI瞬態故障CPCI瞬態故障計數--;if(CPCI瞬態故障計數值<0){CPCI瞬態故障計數}return}{CPCI瞬態故障CPCI瞬態故障計數if(CPCI瞬態故障計數>最大故障計數門限{CPCI永久故障}記錄故障幀fault_frame;returnNOT_VALID;}}通道通道是實現3個CPU之間的與表決的關鍵飛控計算機三余度通道的CPU故障與處CPU板定時器的時間漂移、I/O硬線出現故障、I/O與輸出電路出現故障都會導致失步。CCDLCCDL交叉傳CCDL交叉傳輸失敗，則認為該通道和其他通CCDLCCDL交叉傳輸失效通道對應的輸入數據為無效數據且對該通道投票，如果故障計數的累加達到閥值，就判定此通道為CCDLCPCI總線進行通信。我們使用幀計數來累計發送的幀數如果幀計數越界的話就從0開始每發送一組數據幀計數就累加1。通道故障與處PCOX主CPU及其他通道表決后的控制信號記為SCOX、SCOY、SCOZ。三余度信號算法對PCOX、PCOY、PCOZ、SCOX、SCOY、SCOZ分別進行，軟件測試方Bug被找到并被改正，靜態測通過代碼走查發現標準的情況總結如下123456、函數全局變78、全局變量在時沒有初始910、#include后的文件名沒有加單元測1算法進行功能性測試，當三通道同步正常時打印CCDL傳輸的數據應該具有一致性。2、打印CCDL6-16-1CCDL信號的表決測1、離散量離散量在程序中由IOMonitor函數實現，該函數的原型為 表6- 測試用例表6- 測試用例表表6- 測試用例6-16-26-3離散量算法符合軟件設計需求。2、數字量數字數字 在程序中由DigiMonitor函數實現，該函數的原型為input_valid[3] input_data[3]表6- 測試用例return_valid[0]=1return_valid[0]=1return_valid[1]=1return_valid[1]=1表表6- 測試用例表6- 測試用例6-46-56-6數字量算法符合軟件設計需求。3usableusablevote_value表表6- 測試用例vote_value=3vote_value=3表6- 測試用例表6- 測試用例6-76-86-94離散量表決在程序中由IOVote表6- 測試用例表6- 表6- 測試用例CCDL1本項目中具有兩次CCDL，CCDL采用回繞方法實時CCDL的有效性。回繞方法舉例如下：A計算機通過第一次CCDL發送一個隨機數X給B和C，B和CCCDLXA計算機，A計算機通過比較發出和返回的隨機數即可判定CCDL鏈路是否正常。出來，通過比較分析判定CCDL方法的有效性。A計算機發出的隨機數X，由B、CB計算機發出的隨機數Y，由A、CC計算機發出的隨機數Z，由A、B2表6- 測試用例6- dFirstFromXFirstFromYSecondSendX=263SecondFromY2XSecondFromY2Y6- dFirstFromXFirstFromYSecondSendX=274SecondFromY2XSecondFromY2Y3、通道測1實際程序中由ChanMonitor函數實現通道，具體的測試方法是隨機選取一組輸intintdoublewucha=0.1;{{}}{}26-6-intdoublewucha=0.1;{{}}{}ChannelXOK;ChannelYChannelXOK;ChannelY表表6- 測試用例intdoublewucha=0.1;{{}}{}ChannelXFailed;ChannelYChannelXFailed;ChannelYintdoublewucha=0.1;{{}}{}ChannelXFailed;ChannelYChannelXFailed;ChannelY3、知，通道算法符合軟件設計需求。1三余度飛控計算機CPU6-1&&&&

OCDPVFYDPVFOC&&

&6-1&余度計算機各CPU板均設置通道故障邏輯電路，用于本通道的故障和故障切除。通道故障邏輯圖中每一個信號的狀態約定為：1為有效，0為故障。電源結在CPU板上有專門的電路檢測15V、+5V、+3.3V三種電壓，產生三個信號，即為15VV、+5VV、+3.3VV，把這三個信號作為輸入，經過與邏輯產生一個PSV200msDPV看門狗結看門狗對飛行控制軟件進行若軟件能周期性復位看門狗則看門狗輸出有效，即產生WDV有效高電平信號。CPU結個“本通道故障”CPUV0給通道故障邏輯。跨通道結即為DPVFY、DPVFZ兩個信號，這兩個信號是其它通道對本通道的投票信DPVFY、DPVFZ兩個信號0DPV0。人工復位信號，即為FR。CPU板發生故障時，CPUDPV信號(本通道處理器有效)0CPU板（即本支路）故障，模擬電路會自動切除本支路，當DPV1時表示本支路有效。作過程周期以上輸入數（包含故障注入結果經過故障邏輯軟件包的邏輯計算DPV信號。#include"RSIM_AGENT.h"#include"RSIM_API.h"#include#include"RSIM_AGENT.h"#include"RSIM_API.h"#include"RSIM_WHOAMI.h"externCHANLOGIC_TYPEchanLogic;{chanLogic.Power_psv[0]=12;//15VV電壓 chanLogic.Power_psv[1]=5;//+5VV電壓信號chanLogic.Power_psv[2]=3;//+3.3VV電壓信號}2表6- 測試用例15V表6- 測試用例CPUV表6- 測試用例DPVX3、無故障閉環仿真測6-2 圖6-2無故障閉環仿真曲線，70010s時開始右滾轉，有故障閉環仿CPU死機注入CPU6-36- 圖6-3CPU死機故障仿真曲線10s左右時，開始注入CPU死機故30?，然后恢復平飛狀態，飛控計算機仿真機一個 圖6-4傳感器故障仿真曲線70010s左右時，開始注入傳感器故障，30?，然后恢復平飛狀態，選擇優先級較低的傳感器數軟件測試結綜上所述，單余度開環表明，機載余度管理軟件中各模塊功能正確無誤且工作總本結合余度管理技術國內外研究現狀，通過參與相關的橫向課題，對無人機機載余度管理軟件開發技術進行深入研究。根據課題的應用需求，選擇了硬件來配置分析問題解決問題的能力都得到了極大的提高。對的整個工作做如下總結：1從的選題背景和意義入手說明了穩定性和可靠性是開發機載軟件的關鍵，3、對軟件架構的發展歷程進行回顧，詳細描述了多用于架構設計中的5中視圖，4、基于飛控計算機仿真機硬件對BSP進行開發，并在嵌入式實時操作系統VxWorks的軟件調試技術進行重點研究。后續工作展1本中的軟件架構是否是性能最好的還不確定軟件架構的可靠性安全性、可擴展性、可性等方面還有待提高。2BSP3、在余度管理策略方面的理論研究還不夠深入，在信號算法中有關閥值的選4、由于時間有限，在開發工作中只對中提及到的余度管理策略進行了設計的工作中需要不斷進試并對軟件運行中出現的缺陷進行修改。馬秋瑜.無人機飛控系統實時余度軟件設計[D].西安:西北工業大學,2007:2-王珍熙.可靠性、冗余及容錯技術[M].：航空工業，1991:15-占正勇,.分布式電傳飛行控制系統結構發展及分析[J].飛行力學,2009,1-,,.四余度數字電傳控制系統輸入信息余度管理策略及其應[J].測控技術2008,27(1111-A320/A330/A340tofuturemilitarytransportaircraft[J].MicroprocessorsandMicrosystemsVolume19Number2,march1995NaiduA.Casestudy.AirbusA340flightcontrolsystem[D].UniversityofVirginia,2002:王永,.民用飛機電傳飛行控制系統初探[J].航空標準化與質量,24-YehYC.Triple-TripleRedundant777PrimaryFlightComputer[C].AerospaceApplicationsConference.Aspen,Co.1996(1):293-307.tolerantsystems[C].TheTwenty-ThirdInternationalSymposium.Aerospatiale,316,routedeBayonne,31060Toulouse,France.June,1993:616-623.楊飛.余度飛控計算機的設計和仿真技術研究[D].西安:西北工業大學,2007:12-,李沛瓊.可靠性及余度技術[M].:航空工業,1991:56-熊庭剛,馬中,袁由光.基于操作系統調用的容錯計算機系統同步技術研究[J].計算機研究與發展,2006,43(11):1986-1987.[13]DKPradnan.Fault-TolerrantComputerSystemDesign[M].EnglewoodCliffs,NJ:Prentice-HallInc,1998.[14]DPSiewiorek,RSSwarz,etal.TheTheoryandPracticeofReliableSystemBedford,MA:DigitalPress, 1999-10-[16],.飛行控制系統的分系統[M].:國防工業,2003:124-[17],陳懷民,.機載飛控計算機機內