[发明专利]一种基于嵌入式CPU与FPGA的异构计算结构的飞机模拟电负载控制系统

说明书

本发明是一种基于嵌入式CPU与FPGA的异构计算结构的飞机模拟电负载控制系统。基于嵌入式CPU与可重构的FPGA架构的控制器，根据需求配置了不同I/O功能模块，搭建飞机模拟点负载功率计算与调节系统平台，提升系统性能并简化了嵌入式控制和监测系统的设计。本发明对软、硬件分别实现的功能进行合理划分，充分利用了FPGA可完全重配置与提供硬件定时的快速性与稳定性，实现数据采集与控制逻辑；也充分利用了嵌入式CPU能够完成复杂算法计算优势实现了差值匹配算法与良好的交互界面。

技术领域

本发明涉及飞机定型试飞科目模拟电负载技术领域，是一种基于嵌入式CPU与FPGA的异构计算结构的飞机模拟电负载控制系统。

背景技术

飞机定型试飞科目模拟电负载领域中，需要设计一套完整的系统用于将飞机电源系统发电机的输出功率达到特定状态，以满足部分试飞科目要求。而通过控制可变负载的阻值参数实现与发电机功率匹配，同时为了保证系统在发生紧急情况部分功能失效后，飞机可以中断发电机与负载的连接，还需设计应急卸载机制。一般民用飞机常使用工业控制计算机为核心的控制系统来实现自动控制测量，即可编程逻辑控制器(简称PLC)，该系统中包括CPU模块、模拟量输入(AI)模块、开关量输入(DI)模块、模拟量输出(AO)模块、开关量输出(DO)模块及电源模块以及通讯模块通过“搭积木”的方式共存于专用的底板上，通过内部总线交换信息。工控机在飞机试飞科目中应用有较为明显的弊端，其抗干扰能力与电磁兼容的能力直接影响其工作的稳定性。

飞机试飞定型过程中，安全性是所有试飞科目中需要考虑的关键，控制器的可靠性、抗干扰能力与电磁兼容能力是设计控制器的前提条件，其次为了满足不同试飞科目的需求，满足基本功能需求外，还要有通用性强、易于扩展与维护简单等特点。控制飞机负载的系统需满足电负载试飞科目中所有的任务以及指标要求。指标要求主要包括模拟负载与飞机抽引口的功率匹配、模拟负载的加载梯度、卸载梯度以及卸载不平衡度、根据飞机发电机的输出功率可自动调控保持负载总加载值。需要实现较为精确的电压电流采集与功率因数的计算、稳定的闭环控制算法测试数据存储回放、与飞机通讯以及简单便捷的人机交互界面。

发明内容

本发明为实现负载系统的自动化调节程度不断提高，系统调节的高精度、可靠性，本发明提供了一种基于嵌入式CPU与FPGA的异构计算结构的飞机模拟电负载控制系统，本发明提供了以下技术方案：

一种基于嵌入式CPU与FPGA的异构计算结构的飞机模拟电负载控制系统，所述系统包括嵌入式CPU、FPGA、数字I/O模块、ARINC 429模块、RTD测温模块、接触器执行模块、指示灯、应急卸载模块、模拟电压和电流采集模块；

所述嵌入式CPU连接FPGA，所述FPGA连接数字I/O模块，所述数字I/O模块连接指示灯、应急卸载模块，所述FPGA连接ARINC 429模块、RTD测温模块，所述FPGA连接模拟电压和电流采集模块，所述FPGA连接接触器执行模块。

优选地，所述嵌入式CPU通过USB连接键盘、鼠标和U盘。

优选地，所述数字I/O模块直接采集负载箱出入水口的输出信号和接触器执行模块的反馈信号，传输至FPGA进行逻辑运算后转换为可供处理的数据，并将可供处理的数据发送至嵌入式CPU。

优选地，通过所述模拟电压和电流采集模块采集三相交流电抽引口的电压和电流数据，将所述电压和电流数据经缓冲和调理后通过FPGA进行逻辑运算处理之后传送给嵌入式CPU。

优选地，通过ARINC 429模块与飞机测试系统通讯，采集到总线数据并进行解码，将飞行状态信息转换为可供处理的数据。

优选地，所述RTD测温模块采集每个负载箱内的空气温度和飞机盘箱温度，当每个RTD通道经滤波、A/D转换采样后经FPGA逻辑运算处理之后传给嵌入式CPU。

优选地，所述嵌入式CPU内置硬件看门狗。