無人機機載管理軟件開發(fā)技術(shù)研究

Title:TheResearchofRedundancyManagementSoftwareDevelopmentTechnologyonUAVAirborneWangZheUndertheSupervisionofProfessorChenHuaiminADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofMasterofSoftwareXi’anP.R.ChinaMarch2015本文緊跟國內(nèi)外余度管理技術(shù)的研究方向，基于無人機飛控系統(tǒng)可靠性應(yīng)用需求，發(fā)了余度管理軟件并且在飛控計算機仿真機下實現(xiàn)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(jié)合嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks的特點，在飛控計算機仿真機硬件的基WindRiverBSPBSP進行開發(fā)?？偨Y(jié)了余度管理軟件開4在基于PowerPC相似硬件環(huán)境和嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks的三余度飛控計控、故障與處理等模塊進行設(shè)計和代碼實現(xiàn)。5、利用靜態(tài)測試對余度管理軟件進行程序結(jié)構(gòu)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(huán)仿真實驗，利用靜態(tài)測試發(fā)現(xiàn)程序中多處語則，通過及時改正和反復(fù)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(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn) 1.3主要內(nèi)容與章節(jié)安 余度管理技術(shù)研 余度管理技術(shù)綜 余度管理的設(shè)計目的與要 余度管理設(shè)計的主要內(nèi) 余度形式的選 余度管理技術(shù)關(guān)鍵功能模塊概 同 交叉?zhèn)?信號的與表 機內(nèi)自檢 .............................................................................................................10無人機機載軟件架構(gòu)設(shè) 解析軟件架 軟件架構(gòu)發(fā)展歷 架構(gòu)設(shè)計中的5種視 無人機機載軟件的架 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè) 余度管理軟件架構(gòu)設(shè) 基于VXWORKS的機載軟件開發(fā)技 VXWORKS系統(tǒng)的BSP開 BSP基本概 BSP的開發(fā)方法和過 基于VXWORKS的軟件調(diào)試技術(shù)研 利用調(diào)試器進行調(diào) 軟件交付后的現(xiàn)場調(diào) 異常處 基于VXWORKS的驅(qū)動程序開 設(shè)備驅(qū)動程序基本概 硬件驅(qū)動程序與BSP的關(guān) 設(shè)備驅(qū)動程序工作流 字符設(shè)備驅(qū)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(tǒng)軟件的功能需 同 同步設(shè)計依 同步設(shè) 信號的與表決設(shè) 故障安全 信號信號表 交叉?zhèn)鬏斣O(shè) 飛行中自檢 設(shè) 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?zhèn)鬏敼收咸?總線通信故障與處 通道故障與處 軟件測試與運行結(jié)果分 軟件測試方 靜態(tài)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(huán)仿真測 實驗方 實驗結(jié)果及分 有故障閉環(huán)仿 實驗方 實驗結(jié)果及分 軟件測試結(jié) 總結(jié)與展 7.1工作總 7.2后續(xù)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(fā)展。無人機用途非常廣泛，成本較低，且無人員傷亡的風(fēng)險，在現(xiàn)代中具有極其重要的作用，在民用領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。1、由于飛控系統(tǒng)是整個飛機的，飛控系統(tǒng)的水平高低對飛機的性能和安全的現(xiàn)實意義。2驗結(jié)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(guān)重要的作用。余度管理技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)性遠于機械系統(tǒng)[4]。根據(jù)軍方標準MIL-F-9490D要求，在電傳飛行控制系統(tǒng)應(yīng)用主動控制技術(shù)的情況下因為系統(tǒng)故障而導(dǎo)致的飛機的失效率應(yīng)該1.0107/飛行小時，而目前單余度的電氣系統(tǒng)的可靠性只能達到1.010-3/飛行小時，所以根據(jù)國內(nèi)外的發(fā)展目前電傳飛行控制系統(tǒng)絕大多采用具有雙故障\工作能力的余度系統(tǒng)[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(shù)字計算機的飛速發(fā)展在后的F-16/D度數(shù)字電傳控制系統(tǒng)具有較高的可靠性和能力而且結(jié)構(gòu)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(yīng)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(shè)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(tǒng)[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(shù)，Boeing777更是第一次將電傳飛行控制系統(tǒng)應(yīng)用到客機中的機型，它的電傳飛控系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)是在B7J7設(shè)計的基礎(chǔ)上發(fā)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(tǒng)進行基礎(chǔ)技術(shù)研究，開展電傳飛控系統(tǒng)的相關(guān)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(shù)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(shù)，能夠滿足嚴格的可靠性要求，其飛行控制計算機系統(tǒng)必須具備三次故障后仍可操作能力，即通過硬件冗余實現(xiàn)FO/FO/FS502所與國內(nèi)各性的研究是很有必要的。飛控計算機是飛行控制系統(tǒng)的 主要內(nèi)容與章節(jié)安31Vxworks實本文一共為六章，結(jié)構(gòu)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(shù)研究。本章首先對余度管理技術(shù)進行簡明扼要的概述，并對第三章無人機機載軟件架構(gòu)設(shè)計。本章首先對軟件架構(gòu)理論進行詳細解析，然后Vxworks的機載軟件開發(fā)技術(shù)。本章詳細介紹了在嵌入式實時操作系統(tǒng)Vxworks下基于硬件進行BSP開發(fā)，開發(fā)環(huán)境Workbench的調(diào)試技術(shù)的研究和基于Vxworks的反射內(nèi)存卡、卡等設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)。第五章三余度飛行管理與控制軟件開發(fā)。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(jié)構(gòu)的分析。為了三余度飛控計算機仿真機系統(tǒng)軟件的正第七章總結(jié)與展望。本章對該主要工作進行總結(jié)，對中的不完善的地方余度管理技術(shù)的設(shè)計方法根據(jù)標MIL-F-9490D對余度有如下定義余度是需要出現(xiàn)兩個或兩個之間如何協(xié)調(diào)，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(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障模塊；這些都是余度管理技術(shù)的。與，交叉?zhèn)鬏敚收霞夹g(shù)，故障重構(gòu)技術(shù)。12表決原則進行；[13][14][15]它的優(yōu)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(yīng)冗余系統(tǒng)才能快速發(fā)現(xiàn)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(tǒng)的損害得到。由于同步及容錯等環(huán)節(jié)的實現(xiàn)對[12]。這就需要開發(fā)人員查閱相關(guān)資料深入習(xí)系統(tǒng)容錯理論知識和深入了解計算機內(nèi)orks相關(guān)通信協(xié)議來解決此問題。開發(fā)過程中，我們需要進行實時的數(shù)據(jù)傳輸，及時的故障、比較結(jié)果、切除故在每個周期內(nèi)要進行兩次交叉?zhèn)鬏敚旱谝淮问窃谟嬎銠C到數(shù)據(jù)之后的交叉?zhèn)鲬B(tài)的判斷數(shù)據(jù)及回繞隨機數(shù)據(jù)等存入自己的CCDL（CrossChannelDataLink）數(shù)據(jù)CCDL數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)將對這CCDLCCDL數(shù)據(jù)包并通過總線接收另外兩個計算機的CCDL數(shù)據(jù)包，獲取了這三個數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)，就可以對控制律的計算結(jié)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(fā)送給舵機指令的表決。對應(yīng)的多余度信號的面也設(shè)置機內(nèi)自檢測（Built-intest簡稱BIT），是指系統(tǒng)設(shè)備通過自身硬件和附加在系統(tǒng)內(nèi)飛控系統(tǒng)的BIT的基本結(jié)構(gòu)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(wù)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(nèi)外不同類型飛機的飛控系統(tǒng)的BIT工作模式的大量研究發(fā)現(xiàn)，BIT所處行中機內(nèi)自檢測（IFBIT）、機內(nèi)自檢測（MBIT）。如圖2-2所示。RAM、ROM、NVM測加電定時中斷控制數(shù)字計算機測飛行前傳感器系統(tǒng)測伺服作動系統(tǒng)測電源監(jiān)測測飛行中CPU、ROM測關(guān)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(tǒng)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(tǒng)的運行狀態(tài)進行全面的實時監(jiān)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(chǎn)中，軟件設(shè)計只是為2060年代中期，由于計算機技術(shù)的高速發(fā)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(fā)方式以提高軟件的生產(chǎn)率[35]軟件開始爆發(fā)了自1990年代以來，由于在RationalSoftwareCorporation和等知名軟件公51233-15邏輯架數(shù)邏輯架數(shù)據(jù)架開發(fā)架物理架運行架1

3-15234物理架構(gòu)關(guān)注“目標程序及其依賴的運行庫和系統(tǒng)軟件”構(gòu)還要考慮軟件系統(tǒng)和包括硬件在內(nèi)的整個IT系統(tǒng)之間是如何相互影響的。553-2層次結(jié)構(gòu)視圖在功能和邏輯上描述的很清楚而且能夠有效地指導(dǎo)開發(fā)人員進行軟件編orksorks支持的硬件驅(qū)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(shù)據(jù)處理模系統(tǒng)管理模特定硬件環(huán)VXWORKS內(nèi)特定硬件環(huán)VXWORKS內(nèi)驅(qū)動模在大型程序中需要考慮將程序劃分成可以獨立實現(xiàn)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(tǒng)的模塊化設(shè)計有如下優(yōu)點：1、由于將一個復(fù)雜的系統(tǒng)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(guān)鍵模塊立即進行優(yōu)化處理，以確保整個系統(tǒng)的安全運行563-4地面支持地面支持軟Vxworks操作系系統(tǒng)管理軟中斷處理程設(shè)備驅(qū)動程驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理軟BIT軟BIT軟飛行控制軟起程程程飛控制程序系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)

3-4任務(wù)調(diào) （宿主機網(wǎng)交換網(wǎng)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(fā)飛控主處理器板 飛接擴擴口網(wǎng) 插...處ADD絡(luò)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(fā)平臺架構(gòu)圖（31架構(gòu)目標機是整個系統(tǒng)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(nèi)存卡等數(shù)據(jù)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(gòu)設(shè)3-8飛控軟實飛控軟實︶系操故 通數(shù)任關(guān)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(qū)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(shù)據(jù)比較數(shù)據(jù)比較數(shù)據(jù)比較AACACCB數(shù)據(jù)表決電數(shù)據(jù)表決電舵控數(shù)據(jù)到仿真3-11硬件硬件初始掛接時鐘中關(guān)關(guān)閉輔助時內(nèi)內(nèi)存分配與初始發(fā)發(fā)起任創(chuàng)建創(chuàng)建20ms任創(chuàng)建40ms任N同N同步成Y交叉?zhèn)鬏敊z測校驗N交叉?zhèn)鬏敵蒠初始同開中掛結(jié)記錄故結(jié)記錄故20ms40ms任務(wù)，20ms電源、數(shù)據(jù)記錄等。飛控系統(tǒng)內(nèi)部軟件結(jié)構(gòu)如圖3-12所示。開開應(yīng)用程序初始離散應(yīng)用程序初始任務(wù)初始各種總線初始任務(wù)初始余度管理軟20ms任務(wù)控制律計算軟20ms任務(wù)結(jié)執(zhí)行周期任結(jié)執(zhí)行周期任檢測數(shù)據(jù)記錄軟40ms任務(wù)40ms任務(wù)自定義任20ms3-13進入進入20ms20ms關(guān)閉中N關(guān)閉中N同步處理Y使能中關(guān)閉中小幀計數(shù)器遞關(guān)閉20ms任務(wù)定時允許20ms允許20ms關(guān)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(fù)N喂喂使能中小幀計數(shù)器遞通道切20ms后續(xù)任務(wù)處喂同步恢復(fù)N喂同步恢復(fù)N

3-1320ms續(xù)續(xù)20ms輸輸入信號表預(yù)預(yù)輸出指令表結(jié)結(jié)置20ms任務(wù)完成標第二次交叉第二次交叉?zhèn)鬏斎腚x散量比40ms3-15

3-1420ms3-1540msBSPBSP即BoardSupportPackage，板級支持包。它的設(shè)計使得嵌入式實時操作系統(tǒng)與硬件平臺上。對于具體的嵌入式系統(tǒng)硬件平臺，只要與硬件相關(guān)的代碼一律被封裝在BSPBSP提供，BSP與操作系統(tǒng)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(guān)的代碼，它們主要包括：12、目標系統(tǒng)上設(shè)備的驅(qū)動程序，為VxWorks硬件提供支持3、為應(yīng)用程序提供相關(guān)程序接口，可以使其底層硬件與硬件無關(guān)的軟與硬件無關(guān)的軟硬件相關(guān)的軟硬LAN控制定時串行控制SCSI控制I/O系工具—應(yīng)用程LAN驅(qū)BSP板級支持SCSI驅(qū)復(fù)用文件系VxWorks除了用戶的應(yīng)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(tǒng)與具體硬件連接起來。SystemInit主要是準備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)的運行進行數(shù)據(jù)初始化。BSP4-2所示。BoardInitCPU驅(qū)動程序與component的接驅(qū)動程序與I/O系統(tǒng)的接驅(qū)動程序的常規(guī)操與I/O系統(tǒng)的接口驅(qū)動程序與component的接驅(qū)動程序與I/O系統(tǒng)的接驅(qū)動程序的常規(guī)操控制寄存地址寄存狀態(tài)寄存控制寄存地址寄存狀態(tài)寄存其它接光接機械接控制電I/O處數(shù)字信數(shù)字電4-5VxWorksBSP在系統(tǒng)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(diào)試系統(tǒng)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(qū)動程序模塊[53]BSP的開發(fā)要根據(jù)具體目標板的硬件進行，可以根據(jù)目標系統(tǒng)的硬件環(huán)境對tornado\target\configorks系統(tǒng)需要用到\torndo\tagt\onfig下包含的文件來進行，該包括了公共執(zhí)行模塊（ll）和與目標系統(tǒng)相關(guān)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(tǒng)[38]\tagt\onfig\ll\ofigAll.h和\target\config\bspname\config.h，配置的模塊文件有\(zhòng)target\config\all\usrConfig.c target/config/allVxWorks結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(shè)置了默認的配置。target/config/all1、bootConfig.c——用作引導(dǎo)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(dǎo)ROM工作和一個網(wǎng)絡(luò)裝置初始化的表格。此模塊是usrConfig.c引導(dǎo)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?qū)⑽谋径魏蛿?shù)據(jù)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(nèi)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(guān)參數(shù)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(wǎng)絡(luò)器基于VxWorks的軟件調(diào)試技術(shù)研[23]們需要知道這個問題是因為開發(fā)人員的疏忽而導(dǎo)致的偶然性現(xiàn)象還是一個設(shè)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(diào)試（應(yīng)用開發(fā)工具目標程…進程管理模設(shè)備驅(qū)動模20%~50%的時間[25]。在嵌入式軟件的開發(fā)過程中，會頻繁地出現(xiàn)各種各樣的錯誤須借助VxWorks自帶的調(diào)試器發(fā)現(xiàn)并排除錯誤，VxWorks調(diào)試器通過交換機連接目標機對被調(diào)試程序的執(zhí)行狀態(tài)進行宿主系控調(diào)試（應(yīng)用開發(fā)工具目標程…進程管理模設(shè)備驅(qū)動模宿主進外設(shè)模擬線處理器狀態(tài)模處理寄存器模擬模目標-宿主異常處理模宿主線目標內(nèi)4-8目目標機向調(diào)試器報異常情是否解決了題結(jié)束本次調(diào) 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(jié)構(gòu)體全局變量，程序中的變量和函數(shù)信息，并定義數(shù)組的結(jié)。括：程序斷點、浮點數(shù)或整數(shù)溢出、內(nèi)存、地址、除數(shù)為零等。在VxWorks系的[29]，方便調(diào)用用戶自己的異常處理函數(shù)異常處理的四個階段歸納為如圖4-。

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

結(jié)調(diào)用回調(diào)函結(jié)調(diào)用回調(diào)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(diào)用abort()前先重要int /*taskint /*taskIDoftaskto)基于VxWorks的驅(qū)動程序開VxWorks已經(jīng)對很多硬件提供了支持，但是在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程中不可避免的會使用系統(tǒng)的硬件，這樣我們就必須開發(fā)VxWorks下的設(shè)備驅(qū)動程序[30]。12、隨機塊設(shè)備，主要是磁盤34、控制監(jiān)視設(shè)備，一般指控制數(shù)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(wǎng)絡(luò)接串行接Flash系磁硬件設(shè)備驅(qū)動程序的功能包含如下幾點被別的任務(wù)時則不允許其他任務(wù)進行操作直到該硬件設(shè)備資源被釋放456內(nèi)擴展模應(yīng)內(nèi)擴展模應(yīng)用程設(shè)備硬設(shè)備驅(qū)動程應(yīng)用程序通過操作系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)用驅(qū)動程序的優(yōu)點是可以使用操作系統(tǒng)為驅(qū)動程序的開銷，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性會下降。硬件驅(qū)動程序與BSPVxWorks操作系統(tǒng)BSPVxWorks提供與硬件環(huán)境相關(guān)的接VxWorksVxWorks下運行的軟件，這些軟件包括與硬件有關(guān)的和與硬件無關(guān)的[52]。BSPVxWorks的兩種通用的驅(qū)動程序可移植性較好而SP驅(qū)動程序適用于某種的硬件環(huán)境。在為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)SP時，不但要對BSP的驅(qū)動程序提供支持，而且還要將通用的驅(qū)動程序集成在SP中[52]。用的驅(qū)動程序所在的位置。VxWorks4-14所示。嵌入式系統(tǒng)上電后，開始執(zhí)行啟動代碼并加載orks映像。接著處理器轉(zhuǎn)到orks（yInit()的首地址yInit()的作用是復(fù)位處理器，進行必要的硬件初始化，然后轉(zhuǎn)到urInit()urInitorksysInit()將硬件置于初始化狀態(tài)，接著子程序krnlInit()orksuroot()子程序產(chǎn)orks庫、調(diào)用應(yīng)用程序啟動代碼。在上述的啟動順序中，通用的設(shè)備驅(qū)動程序位于子程序usrRoot()中，BSP的設(shè)備驅(qū)動程序位于子程序sysHWInit()中[30]。orks415所示。裝載設(shè)備驅(qū)動程裝載設(shè)備驅(qū)動程創(chuàng)建設(shè)創(chuàng)建設(shè)將設(shè)備添加到設(shè)備列設(shè)備中斷管理函啟動啟動設(shè)關(guān)閉設(shè)關(guān)閉設(shè)關(guān)的VxWorks系統(tǒng)函數(shù)來獲取硬件接口參數(shù)接著通過I/O和內(nèi)存映射這兩種工作方式LOCALintxxDrvNum=0;/*LOCALintxxDrvNum=0;/*驅(qū)動程序索引號typedef{DEV_HRDdevHdr;//設(shè)備頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)BOOLisCreate;//設(shè)備創(chuàng)建標志BOOLisOpen;//UINT32RegMEMBase;//UINT32ioAddr;//設(shè)備…器址址2{/*判斷驅(qū)動程序是否已經(jīng)安裝…/*設(shè)備驅(qū)動程序初始化…{return}return}{/*檢查驅(qū)動程序是否安裝…/*分配內(nèi)存并初始化…/*硬件設(shè)備初始化，例如：I/O地址、設(shè)備本地內(nèi)存地址等…/*將設(shè)備添加到設(shè)備列表{free((char*)pxxDev);//釋放設(shè)備描述符returnERROR;}return}4LOCALULONGxxIntHandler(int{{xx_DEV*pxxDev=(xx_DEV*) 中斷狀態(tài)…}intxxOpen(DEV_HDR*pxxDevHdr,intoption,int{…}intxxRead(intxxDevId,char*pBuf,int{…}IntxxWrite(intxxDevId,char*pBuf,int{…}//intxxClose(int//intxxClose(int{…}//{/*查找設(shè)備…/*釋放設(shè)備所占用的資源，例如：信號量、喚醒等待該設(shè)備的任務(wù)等…/*卸載設(shè)備returnOK;}軟件需求分VME-2536的數(shù)字量IO接口卡來實現(xiàn)同步；3、每40ms一個工作周期完成中規(guī)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(xiàn)故障、恢復(fù)、重構(gòu)、綜合與記錄等；7、軟件需要留有接口，以便后續(xù)進一步完善其功能整個系統(tǒng)的地面模擬仿VxWorks操作系統(tǒng)是WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(fā)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(lǐng)域廣泛采用。1、實時內(nèi)核2、兼容實時操作系統(tǒng)標準3VxWorks網(wǎng)絡(luò)能與許多運行其它協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)進行通信，如TCP/IP、4.3BSD、NFS、UDP、SNMP、FTP等。VxWorks可通過網(wǎng)絡(luò)允許任務(wù)存取文件到其它系統(tǒng)中，并對任務(wù)進行調(diào)用。45轉(zhuǎn)換、內(nèi)存分配、消息、標準ANSI-C程序庫等系統(tǒng)調(diào)用。6同處理等其他一系列步驟。另外同步工作也實現(xiàn)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(wù)同步的目的是保VME-2536數(shù)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(wù)周期后，首先關(guān)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(jīng)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(guān)中關(guān)中啟動20ms后續(xù)任5-2信號的與表決設(shè)1、數(shù)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(gòu)，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(shù)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(shù)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(jié)多故障邏重構(gòu)控制號兩兩之差值>容重構(gòu)控制是否圖5-3數(shù)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(shù)器都323個信號故障計數(shù)器全 主 速率陀螺儀的陀螺轉(zhuǎn) 主 有ILM定故用故的通道狀態(tài)、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(shù)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(shù)據(jù)都有效，結(jié)果為1則兩個數(shù)據(jù)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(shù)為YNN結(jié)果為2或YN結(jié)果為3或者Y結(jié)果為YN 結(jié)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(jié)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(jié)果為：3、2、1、0。如果相加結(jié)果是3，則表決值是1。如果相加結(jié)果是2，則表決值是1。如果相加結(jié)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(shù)據(jù)都有NY2通道數(shù)據(jù)都有YN1通道數(shù)據(jù)都有Y3通道數(shù)據(jù)排取故障安全取該信取平均取中交叉?zhèn)鬏斣O(shè)

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?zhèn)鬏斄鞒倘鐖D5-8所示[47]。CCDLYY交叉?zhèn)鬏敵琋Y收到Y(jié)通道數(shù)讀其它通道的數(shù)據(jù)置Y通道成N置Y通道CCDL失N已經(jīng)讀到其余個通道的CCDL數(shù)Y收到Z通道數(shù)YN叉叉?zhèn)鬏敵晒私Y(jié)

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(diào)度層、IFBIT硬件驅(qū)動層、IFBIT結(jié)果記錄與告警層。IFBIT啟/停條件判定層主要來控制IFBITIFBITIFBITIFBIT硬件驅(qū)動層需要完成飛機在飛行中軟件驅(qū)動硬件的BIT功能。IFBITNVRAM中。飛控系統(tǒng)飛行中BIT5-9所示。IFBITIFBITIFBITIFBIT流程管理與調(diào)度庫令數(shù)據(jù)5-9BITBIT能否滿足聯(lián)鎖條件，如果滿足聯(lián)鎖條件則系統(tǒng)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(shù)據(jù)，BIT。綜上所述，BIT軟件設(shè)5-10所述。NN是否滿足YYNNYPBITYNN是否滿足YIFBITYNNYMBIT地 檢退出PUBIT 設(shè)

5-10BIT。余度管理設(shè)計的一項關(guān)鍵內(nèi)容就是合理地選擇余度系統(tǒng)面的位置和數(shù)目。同步1，同時應(yīng)該通知器將對方通道的輸入數(shù)據(jù)判定為無效數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)，并且對對方CCDL回繞CCDLCCDL數(shù)據(jù)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(jiān)控是在每個周期內(nèi)兩次的CCDL交叉?zhèn)鬏斨羞M行的，CCDL回繞數(shù)據(jù)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(fā)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(fā)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(tài)故障CPCI瞬態(tài)故障計數(shù)--;if(CPCI瞬態(tài)故障計數(shù)值<0){CPCI瞬態(tài)故障計數(shù)}return}{CPCI瞬態(tài)故障CPCI瞬態(tài)故障計數(shù)if(CPCI瞬態(tài)故障計數(shù)>最大故障計數(shù)門限{CPCI永久故障}記錄故障幀fault_frame;returnNOT_VALID;}}通道通道是實現(xiàn)3個CPU之間的與表決的關(guān)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(xiàn)故障、I/O與輸出電路出現(xiàn)故障都會導(dǎo)致失步。CCDLCCDL交叉?zhèn)鰿CDL交叉?zhèn)鬏斒。瑒t認為該通道和其他通CCDLCCDL交叉?zhèn)鬏斒ǖ缹?yīng)的輸入數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)且對該通道投票，如果故障計數(shù)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(shù)來累計發(fā)送的幀數(shù)如果幀計數(shù)越界的話就從0開始每發(fā)送一組數(shù)據(jù)幀計數(shù)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(tài)測通過代碼走查發(fā)現(xiàn)標準的情況總結(jié)如下123456、函數(shù)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?shù)臄?shù)據(jù)應(yīng)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(shù)實現(xiàn)，該函數(shù)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(shè)計需求。2、數(shù)字量數(shù)字數(shù)字 在程序中由DigiMonitor函數(shù)實現(xiàn)，該函數(shù)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(shù)字量算法符合軟件設(shè)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(fā)送一個隨機數(shù)X給B和C，B和CCCDLXA計算機，A計算機通過比較發(fā)出和返回的隨機數(shù)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(fā)出的隨機數(shù)X，由B、CB計算機發(fā)出的隨機數(shù)Y，由A、CC計算機發(fā)出的隨機數(shù)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(shù)實現(xiàn)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(shè)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(shè)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(tài)約定為：1為有效，0為故障。電源結(jié)在CPU板上有專門的電路檢測15V、+5V、+3.3V三種電壓，產(chǎn)生三個信號，即為15VV、+5VV、+3.3VV，把這三個信號作為輸入，經(jīng)過與邏輯產(chǎn)生一個PSV200msDPV看門狗結(jié)看門狗對飛行控制軟件進行若軟件能周期性復(fù)位看門狗則看門狗輸出有效，即產(chǎn)生WDV有效高電平信號。CPU結(jié)個“本通道故障”CPUV0給通道故障邏輯?？缤ǖ澜Y(jié)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(fù)位信號，即為FR。CPU板發(fā)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(shù)（包含故障注入結(jié)果經(jīng)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(huán)仿真測6-2 圖6-2無故障閉環(huán)仿真曲線，70010s時開始右滾轉(zhuǎn)，有故障閉環(huán)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(fù)平飛狀態(tài)，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(fù)平飛狀態(tài)，選擇優(yōu)先級較低的傳感器數(shù)軟件測試結(jié)綜上所述，單余度開環(huán)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(jié)合余度管理技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，通過參與相關(guān)的橫向課題，對無人機機載余度管理軟件開發(fā)技術(shù)進行深入研究。根據(jù)課題的應(yīng)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(jié)：1從的選題背景和意義入手說明了穩(wěn)定性和可靠性是開發(fā)機載軟件的關(guān)鍵，3、對軟件架構(gòu)的發(fā)展歷程進行回顧，詳細描述了多用于架構(gòu)設(shè)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(fā)，并在嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks的軟件調(diào)試技術(shù)進行重點研究。后續(xù)工作展1本中的軟件架構(gòu)是否是性能最好的還不確定軟件架構(gòu)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(guān)閥值的選4、由于時間有限，在開發(fā)工作中只對中提及到的余度管理策略進行了設(shè)計的工作中需要不斷進試并對軟件運行中出現(xiàn)的缺陷進行修改。馬秋瑜.無人機飛控系統(tǒng)實時余度軟件設(shè)計[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2007:2-王珍熙.可靠性、冗余及容錯技術(shù)[M].：航空工業(yè)，1991:15-占正勇,.分布式電傳飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展及分析[J].飛行力學(xué),2009,1-,,.四余度數(shù)字電傳控制系統(tǒng)輸入信息余度管理策略及其應(yīng)[J].測控技術(shù)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(tǒng)初探[J].航空標準化與質(zhì)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(shè)計和仿真技術(shù)研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2007:12-,李沛瓊.可靠性及余度技術(shù)[M].:航空工業(yè),1991:56-熊庭剛,馬中,袁由光.基于操作系統(tǒng)調(diào)用的容錯計算機系統(tǒng)同步技術(shù)研究[J].計算機研究與發(fā)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(tǒng)的分系統(tǒng)[M].:國防工業(yè),2003:124-[17],陳懷民,.機載飛控計算機機內(nèi)