基于FPGA的應(yīng)急動力裝置控制單元超轉(zhuǎn)保護系統(tǒng)設(shè)計方案

引言

應(yīng)急動力裝置是以燃料分解產(chǎn)生的熱燃氣或發(fā)動機引氣為動力源的渦輪動力裝置，由渦輪、燃燒分解室、燃料箱、齒輪箱及控制部件組成。在發(fā)動機故障、主電源故障或主液壓源故障時，應(yīng)急動力裝置可以通過開關(guān)指令快速啟動，為飛機提供應(yīng)急電源和液壓源。為了保證渦輪動力裝置及其負載的安全可靠運轉(zhuǎn)，必須可靠地監(jiān)測渦輪軸轉(zhuǎn)速，并據(jù)此快速、準確地控制相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)的開關(guān)時機或開度大小，以保證渦輪軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)。超轉(zhuǎn)保護功能作為應(yīng)急動力裝置必要的安全功能之一，是實現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制的前提保證。

本文提出了一種基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）的超轉(zhuǎn)保護系統(tǒng)設(shè)計方案，通過設(shè)計多通道并行采集、軟件與邏輯獨立、并行控制及BIT（機內(nèi)自測試）測試功能，具備高可靠性、強實時性等特點，可保證在超轉(zhuǎn)故障初期進行有效的隔離保護，從而降低單點故障和共模故障造成的應(yīng)急動力裝置轉(zhuǎn)速控制失效的風險，避免造成渦輪裝置結(jié)構(gòu)損傷及飛行安全。

系統(tǒng)架構(gòu)

超轉(zhuǎn)保護系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中采用三余度獨立轉(zhuǎn)速采集和控制架構(gòu)。其中，CHA和CHB兩通道分別應(yīng)用于兩路相互獨立的轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號的采集，均可實現(xiàn)獨立轉(zhuǎn)速采集及BIT監(jiān)測功能，并通過軟件實現(xiàn)外部執(zhí)行機構(gòu)的切換控制，最終實現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制。第三路CHC通道應(yīng)用于獨立于前兩路轉(zhuǎn)速傳感器輸出頻率信號的采集，同樣可通過FPGA實現(xiàn)獨立轉(zhuǎn)速采集及BIT監(jiān)測功能，在軟件控制失效時，能替代主控單元實現(xiàn)外部執(zhí)行機構(gòu)的切換控制，最終控制應(yīng)急動力裝置轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在某個預(yù)期的控制區(qū)間內(nèi)。

主控芯片型號及其在設(shè)計中的作用

1. FPGA芯片選擇

FPGA芯片作為超轉(zhuǎn)保護系統(tǒng)的核心控制單元，其選擇至關(guān)重要。以下是幾種常見的FPGA芯片型號及其在設(shè)計中的作用：

1.1 紫光同創(chuàng)Titan系列

型號：Titan系列FPGA

作用：

• 高性能：Titan系列是中國第一款國產(chǎn)自主產(chǎn)權(quán)千萬門級高性能FPGA產(chǎn)品，具有174K等效LUT4單元，最高頻率500MHz，適用于通信網(wǎng)絡(luò)、信息安全、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

• 豐富的接口：提供5.0Gbps SERDES接口、800Mbps DDR3和LVDS、PCIe Gen2x4等接口，滿足高速數(shù)據(jù)傳輸需求。

• 高可靠性：適用于對可靠性要求極高的應(yīng)急動力裝置控制系統(tǒng)。

1.2 安路科技SALEAGLE系列

型號：EG4

作用：

• 高集成度：集成19600個LUT，55nm工藝，靜態(tài)功耗最低5.5mA，DSP、BRAM、高速差分IO等資源豐富。

• 低功耗：適用于對功耗有嚴格要求的應(yīng)急動力裝置控制系統(tǒng)。

• 強大的IO資源：用戶IO數(shù)量71到193個，片上8位ADC，1M采樣率，8通道輸入，滿足多通道轉(zhuǎn)速信號采集需求。

1.3 復(fù)旦微FMQL系列

型號：FMQL45T900

作用：

• 億門級芯片：基于28nm工藝制程，采用業(yè)內(nèi)先進的CMOS工藝，是國內(nèi)最早研制成功的億門級FPGA芯片。

• 高性能接口：支持高速LVDS接口以及豐富的B-SRAM存儲器資源，適用于高速低成本的應(yīng)用場合。

• 集成ARM處理器：集成四核ARM Cortex-A7處理器，便于實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法和邏輯處理。

1.4 硅璟科技Seagull系列

型號：Seagull 2000系列

作用：

• 高性能：采用先進的28nm銅CMOS工藝，最大頻率500MHz，硬件乘法器，LVDS接口高達1.6Gbps。

• 豐富的IO資源：多達500個用戶IO，LUT6結(jié)構(gòu)，支持常見的LVDS、LVCMOS、LVTTL等IO標準。

• 嵌入式硬核：內(nèi)置硬核ARM、ADC、DDR2/3控制器，滿足復(fù)雜控制需求。

2. 各型號FPGA在設(shè)計中的具體作用

2.1 紫光同創(chuàng)Titan系列

• 并行處理：利用FPGA的并行處理能力，實現(xiàn)多通道轉(zhuǎn)速信號的并行采集和處理，提高系統(tǒng)實時性。

• 高速接口：通過SERDES接口、DDR3和LVDS等高速接口，實現(xiàn)與傳感器和執(zhí)行機構(gòu)的快速數(shù)據(jù)傳輸。

• 高可靠性：FPGA的硬件可編程性使得系統(tǒng)具有更高的可靠性和穩(wěn)定性，適用于應(yīng)急動力裝置這種對可靠性要求極高的應(yīng)用場景。

2.2 安路科技SALEAGLE系列

• 低功耗設(shè)計：EG4的低功耗特性使得系統(tǒng)能夠在保證性能的同時，降低能耗，延長應(yīng)急動力裝置的續(xù)航時間。

• 多通道采集：豐富的IO資源使得系統(tǒng)能夠同時采集多個轉(zhuǎn)速傳感器的信號，提高系統(tǒng)的可靠性和準確性。

• 集成ADC：片上集成的8位ADC，1M采樣率，8通道輸入，使得系統(tǒng)能夠直接對轉(zhuǎn)速傳感器輸出的模擬信號進行數(shù)字化處理，簡化系統(tǒng)設(shè)計。

2.3 復(fù)旦微FMQL系列

• 高性能計算：億門級FPGA芯片和四核ARM Cortex-A7處理器的集成，使得系統(tǒng)能夠處理復(fù)雜的控制算法和邏輯，提高系統(tǒng)的智能化水平。

• 高速接口：支持高速LVDS接口和豐富的B-SRAM存儲器資源，滿足高速數(shù)據(jù)傳輸和存儲需求。

• 可擴展性：通過集成ARM處理器，系統(tǒng)可以方便地擴展其他功能，如網(wǎng)絡(luò)通信、故障診斷等。

2.4 硅璟科技Seagull系列

• 高性能處理：采用先進的28nm銅CMOS工藝和LUT6結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)具有更高的處理速度和更低的功耗。

• 豐富的IO資源：多達500個用戶IO和多種IO標準支持，使得系統(tǒng)能夠靈活地與各種傳感器和執(zhí)行機構(gòu)連接。

• 嵌入式硬核：內(nèi)置硬核ARM、ADC、DDR2/3控制器等，使得系統(tǒng)能夠處理復(fù)雜的控制任務(wù)，同時降低系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度。

系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

1. 轉(zhuǎn)速信號的采集、調(diào)理和解析

轉(zhuǎn)速采集調(diào)理電路由低通濾波電路、預(yù)處理電路、放大比較電路組成。轉(zhuǎn)速采集原理是將轉(zhuǎn)速傳感器頻率信號首先通過濾波電路濾除外部高頻干擾信號。隨后，通過預(yù)處理電路將轉(zhuǎn)速信號調(diào)理成一定幅值的非標準正弦波，防止當轉(zhuǎn)速較高時，過高的輸入信號將電路損壞。最后，通過放大電路將信號調(diào)理放大送入比較電路，將類正弦的轉(zhuǎn)速信號調(diào)理成與轉(zhuǎn)速傳感器輸出同頻的方波信號，并送入FPGA進行采集測量。

2. 頻率采集方法

考慮到應(yīng)急動力裝置齒輪箱齒輪的工藝特性，在FPGA中采用高頻脈沖計數(shù)法實現(xiàn)轉(zhuǎn)速頻率的采集，并設(shè)置采集的頻率量范圍下限。高頻計數(shù)法的原理是采用高頻脈沖對以多個轉(zhuǎn)速脈沖為周期的脈沖群進行計數(shù)，并將結(jié)果存入寄存器，由CPU對脈沖計數(shù)進行讀取解算，并與頻率量范圍下限進行比較判斷，確認為有效頻率后，得出最終采集頻率。同時，考慮到頻率輸入信號的高頻干擾和渦輪轉(zhuǎn)速的變化特性，在對脈沖群進行計數(shù)的同時，同步對脈沖群中每個脈沖進行單獨采集，將同周期范圍內(nèi)差異較大的脈沖計數(shù)剔除，提高頻率采集的抗干擾能力。

3. 超轉(zhuǎn)保護邏輯設(shè)計

在控制單元完成BIT檢測后，由CPU配置FPGA寄存器使能超轉(zhuǎn)保護功能。當軟件判斷為地面模式時，由軟件進行表決，且當采集到CHA和CHB兩通道任一轉(zhuǎn)速超過閾值時，則CPU控制FPGA將外部執(zhí)行機構(gòu)置于安全態(tài)并鎖定，超轉(zhuǎn)保護系統(tǒng)進入鎖定狀態(tài)，實現(xiàn)輸出保護。FPGA作為頻率采集單元，同步執(zhí)行轉(zhuǎn)速監(jiān)測功能，當發(fā)現(xiàn)超過軟件保護閾值仍未收到保護指令時，則超轉(zhuǎn)保護系統(tǒng)同樣將外部執(zhí)行機構(gòu)置于安全態(tài)并鎖定，實現(xiàn)輸出保護。以上兩種工況下，非控制單元下電或外部手動復(fù)位不可清除鎖定狀態(tài)。

當軟件判斷為空中模式時，由軟件進行表決，且當采集到CHA和CHB兩通道任一轉(zhuǎn)速超過閾值時，則CPU控制FPGA對外部執(zhí)行機構(gòu)進行不可逆的切換控制，實現(xiàn)降級控制，隔離外部執(zhí)行機構(gòu)故障。此時，控制指令不會被鎖定。切換控制后，若CHA和CHB兩通道任一轉(zhuǎn)速仍超過閾值，則FPGA不再讀取MCU向寄存器發(fā)送的控制指令，由FPGA進行表決，依據(jù)CHC通道采集的轉(zhuǎn)速頻率，獨立開展外部執(zhí)行機構(gòu)的控制功能，使應(yīng)急動力裝置運行在既定的轉(zhuǎn)速范圍，實現(xiàn)應(yīng)急動力裝置轉(zhuǎn)速的切換控制。

4. BIT功能設(shè)計

BIT功能設(shè)計主要包括采集電路BIT設(shè)計、控制狀態(tài)離散量BIT設(shè)計、保護邏輯BIT設(shè)計三部分。采集電路作為轉(zhuǎn)速控制功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，對三通道轉(zhuǎn)速采集電路均設(shè)計開路檢測BIT功能。轉(zhuǎn)速控制離不開準確可靠的外部狀態(tài)離散量采集系統(tǒng)，本文所描述的超轉(zhuǎn)保護系統(tǒng)分別采用集成離散量輸入/輸出接口芯片和獨立離散量采集電路對涉及狀態(tài)控制的離散量輸入信號進行獨立采集，并由FPGA送入CPU進行軟件表決。此外，考慮到測試性設(shè)計，在硬件PCB布板時進行了分立布局設(shè)計。

5. 冗余設(shè)計與故障隔離

為了保證超轉(zhuǎn)保護系統(tǒng)的高可靠性，設(shè)計中采用了冗余設(shè)計技術(shù)。每個重要的功能模塊都有備份，以便在主模塊出現(xiàn)故障時，能夠迅速切換到備份模塊，確保系統(tǒng)的連續(xù)運行。

5.1 采集通道冗余

系統(tǒng)設(shè)計了CHA和CHB兩個獨立的轉(zhuǎn)速采集通道，它們分別采集來自不同轉(zhuǎn)速傳感器的信號。這種設(shè)計可以確保在一個通道出現(xiàn)故障時，另一個通道仍然能夠正常工作，提供準確的轉(zhuǎn)速信息。

5.2 控制通道冗余

除了CHA和CHB兩個轉(zhuǎn)速采集通道外，還設(shè)計了CHC通道作為控制通道的冗余。CHC通道不僅負責采集轉(zhuǎn)速信號，還能夠在軟件控制失效時，替代主控單元實現(xiàn)外部執(zhí)行機構(gòu)的切換控制。這種設(shè)計可以確保在軟件或主控單元出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)仍然能夠維持基本的轉(zhuǎn)速控制功能。

5.3 故障隔離

為了進一步提高系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計中還采用了故障隔離技術(shù)。當系統(tǒng)檢測到某個模塊或通道出現(xiàn)故障時，會立即將其隔離，以防止故障擴散到其他部分。同時，系統(tǒng)還會記錄故障信息，以便后續(xù)進行故障分析和排除。

6. 系統(tǒng)測試與驗證

在系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)完成后，需要進行全面的測試與驗證，以確保系統(tǒng)的功能和性能滿足設(shè)計要求。

6.1 單元測試

對每個模塊和通道進行單元測試，驗證其功能是否正常。這包括轉(zhuǎn)速采集模塊、控制模塊、BIT模塊等。

6.2 集成測試

將各個模塊集成在一起，進行整體測試。這包括驗證各個模塊之間的接口是否正確、系統(tǒng)是否能夠正確響應(yīng)外部輸入等。

6.3 可靠性測試

對系統(tǒng)進行可靠性測試，模擬各種可能的故障情況，驗證系統(tǒng)的容錯能力和故障隔離能力。這包括電源故障、傳感器故障、執(zhí)行機構(gòu)故障等。

6.4 飛行測試

在飛行模擬器或?qū)嶋H飛行環(huán)境中對系統(tǒng)進行測試，驗證其在真實環(huán)境下的性能和可靠性。這包括在不同飛行階段、不同飛行條件下的轉(zhuǎn)速控制效果等。

7. 結(jié)論

基于FPGA的應(yīng)急動力裝置控制單元超轉(zhuǎn)保護系統(tǒng)設(shè)計方案采用多通道并行采集、軟件與邏輯獨立、并行控制及BIT測試功能等技術(shù)，具備高可靠性、強實時性等特點。通過選擇適當?shù)腇PGA芯片型號，并充分利用其并行處理、高速接口、低功耗、集成ADC等特性，實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)速信號的精確采集和快速處理。同時，通過冗余設(shè)計和故障隔離技術(shù)，提高了系統(tǒng)的容錯能力和可靠性。經(jīng)過全面的測試與驗證，該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于應(yīng)急動力裝置的控制單元中，為飛行安全提供了有力保障。

未來，隨著FPGA技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)急動力裝置控制需求的不斷變化，我們將繼續(xù)優(yōu)化和完善該系統(tǒng)設(shè)計方案，以適應(yīng)新的應(yīng)用場景和性能要求。例如，可以考慮引入更先進的FPGA芯片型號，進一步提高系統(tǒng)的處理速度和功耗性能；同時，也可以探索將人工智能等先進技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)中，以提高系統(tǒng)的智能化水平和故障預(yù)測能力。