CPU板卡可插拔式替换的飞控计算机的制作方法

本发明涉及CPU板卡可插拔式替换的飞控计算机，属于航空航天飞行控制
技术领域：
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背景技术：
：随着航天产业的发展，对运载器的功能需求逐渐提高，需要采用多种先进的制导控制技术来提供运载器的性能和实现新的任务功能。目前，运载器使用的堆栈式飞控计算机处理能力有限，难以满足各种对处理器运算能力要求较高的先进制导控制技术的工程实现和应用需求。为了推进各种先进制导控制技术的逐步工程化实现和型号应用，需要通过地面半实物仿真试验开展制导控制技术和算法对处理器运算性能以及实时处理的稳定性、可靠性进行摸底考核。经过广泛的调研，目前已有的多款飞控计算机只能实现固定处理能力下的仿真功能，进行处理能力升级需要对计算机的硬件和软件进行全面更改，相当于重新研制一套飞控计算机，实现分档处理能力的成本高且调试应用环境复杂，难以实现系列化和通用化。迫切需要一种能够在同样的硬件框架和软件调试应用环境下，通过CPU模块化替换实现不同水平的飞控机处理能力，以较低的代价实现系列化、模块化的半实物仿真试验飞控计算机。国内外尚无这种设计方案或者类似的实时仿真飞控计算机产品，目前国内外的实时仿真飞控计算机在需要更新更高运算性能处理器时，均需要进行计算机软硬件的重新研制、测试，仿真应用环境也需要大幅修改，研制成本高，可靠性差，使用不方便。技术实现要素：本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种CPU板卡可插拔式替换的飞控计算机，通过CPU模块化替换实现不同水平的飞控机处理能力，降低了研制成本，提升了可靠性和使用的便利性。本发明的技术解决方案是：CPU板卡可插拔式替换的飞控计算机，包括CPU板卡、串口板卡、综合板卡、电源板卡以及通用底板；通用底板上分别设计有与CPU板卡、串口板卡、综合板卡、电源板卡连接的工作接口以及备用接口；CPU板卡、串口板卡、综合板卡以及电源板卡分别通过接口插在通用底板的对应工作接口上，通过通用总线实现信息交互，所述通用总线布设在通用底板的内部；综合板卡直接或通过串口板卡接收导航系统传感器采集的飞行状态信息，进行转换处理后输出给CPU板卡；采集CPU板卡解算的控制指令，经过转换处理后直接或通过串口板卡输出给外部设备；CPU板卡运行飞控程序，根据综合板卡输出的飞行状态信息解算控制律获得控制指令，并输出给综合板卡；电源板卡对外部输入的电源进行处理得到各个板卡需要的不同电源，通过通用底板输出给相应的板卡；串口板卡提供不同类型的多路隔离串行接口和非隔离串行接口，用于实现与外部设备不同类型的串口数据传输。所述CPU板卡接口为FlashIDE接口，采用1G容量的CHIPDISK作为启动盘，采用定制BIOS启动方法启动，定制BIOS启动方法步骤如下：(2.1)CPU板卡上电；(2.2)初始化；(2.3)DOS引导。所述CPU板卡正常运行时，飞控程序实时将控制指令保存到CPU实时时钟的RTCRAM中，在断电重启后，飞控程序读取RTCRAM中的数据，使CPU板卡快速恢复到断电前的控制状态。所述综合板卡上还设置有GPS板和记录器板，所述GPS板用于对飞行的位置和速度信息进行监控，记录器板用于记录CPU板卡、串口板卡、综合板卡以及电源板卡的工作参数信息。所述串口板卡上的各路串行接口均采用独立缓冲区模式，每路串行接口的接收缓冲区与发送缓冲区各有256字节。所述电源板卡包括反向保护模块、EMI滤波器模块、过流保护模块、5V模块和±15V模块，反向保护模块在外部电源反接时切断电路，在外部电源连接正常时将电压输出给EMI滤波器模块进行平滑滤波，平滑滤波后的电压输出给5V模块和±15V模块，用于产生各个板卡需要的不同电源，5V模块产生的电源输出给通用底板，±15V模块产生的电源输出给过流保护模块，所述过流保护模块在电流超过阈值时进行限幅处理，处理后输出给通用底板，在电流未超过阈值时直接将得到的电源输出给通用底板。CPU板卡、串口板卡、综合板卡、电源板卡以及通用底板上的接口均为通用接口。本发明与现有技术相比的有益效果是：(1)本发明采用插板式硬件方案替代传统的堆栈式方案，能够实现在同一台计算机上对不同处理性能的CPU板卡进行模块化替换，计算机处理器性能升级后配套的软件调试和运行环境全面兼容，做到了不同运算性能处理器工作时需要的底层开发环境、仿真调试接口、硬件安全保护措施均为统一的标准接口，大幅降低设备成本、便利了仿真试验，实现了全计算机无导线设计、提高了飞控计算机的可靠性、维护性。在保证对制导控制技术进行实时仿真验证的前提下，有效地降低了硬件设备研制开发的成本和系统性能升级的代价，解决了飞控计算机模块化更新、系列化升级和低成本性能拓展的难题，极大地提升了半实物仿真验证的效率。(2)采用通用底板和独立功能模块的设计理念，实现了3个核心板卡(CPU板卡、串口板卡、综合板卡)之间的功能独立，实现了各功能模块的独立可持续升级，以及接口的标准化、通用化，大幅降低硬件升级成本。(3)CPU板卡采用定制BIOS启动方法引导DOS启动，相较于传统的普通BIOS引导DOS启动流程，减少了多个不必要的检测和设置步骤加快启动速度，同时硬件方面采用1G容量的CHIPDISK作为启动盘进一步提升程序文件读取速度，实现了1s内快速启动，同时利用CPU实时时钟实现了掉电保护的安全策略，实现了飞控计算机工作过程中的快速启动和短时间掉电保护，结合独立电源板卡上的高品质厚膜电源模块，大幅提升了实时仿真试验和工程应用的可靠性和安全性。(4)飞控计算机处理能力升级时，只需更换不同性能的CPU板卡，其他硬件配置、接口关系和调试使用环境均不需改动，极大地提高了操作使用的效率、大幅降低了工程应用成本。(5)本发明串口板卡上的各路串行接口均采用独立缓冲区模式，使用过程中无需使用中断，提高了串口的可靠性和易用性。(6)本发明电源板卡能够在外部电源反接时切断电路，保护系统免遭毁坏，同时能够产生各个板卡需要的不同电源，且在电流超过阈值时进行限幅处理，保证能够为各板卡提供安全可靠的电源。附图说明图1为本发明的飞控计算机构成示意图；图2为传统堆栈式飞控计算机内部示意图；图3为通用底板示意图；图4为电源板卡结构框图；图5为具有精简PC104总线和电源线的通用底板示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。如图2所示为传统的堆栈式飞控计算机实际构成图，存在维护性差、扩展性差、可靠性低、研制成本高的缺陷，为了克服上述缺陷，本发明采用插板式结构方案和通用底板，无导线设计，将传统的堆栈式结构转化为插板式结构，提高可维护性和扩展性。针对不同插板之间信号存在耦合、无法独立升级的问题，引进了独立功能模块的设计理念，将飞控计算机的各项功能通过相互独立的功能模块来实现，构建了三个核心板卡(CPU板卡、串口板卡、综合板卡)，做到了主要功能的独立可持续升级。同时，设计通用底板，实现了电源板卡、CPU板卡、串口板卡、综合板卡的总线共用，整个计算机实现了无导线设计，实现飞控计算机各项功能均由相互独立的硬件模块承担和完成、统一总线调度。精简了ISA总线，在通用底板内部保留能够满足性能需求的地址总线、数据总线和控制总线，将电源总线植入通用底板，可提供标准化的电源供应，极大地提高了软硬件的可维护性和可靠性。如图1所示，CPU板卡可插拔式替换的飞控计算机，包括CPU板卡1、串口板卡2、综合板卡3、电源板卡4以及通用底板5；通用底板5上分别设计有与CPU板卡1、串口板卡2、综合板卡3、电源板卡4连接的工作接口以及各个工作接口的备用接口，均采用标准化的板卡接口，实现了批量化、低成本、高可靠性。CPU板卡4、串口板卡2、综合板卡3以及电源板卡4均通过接口插在通用底板的对应工作接口上，通过通用总线实现信息交互，所述通用总线布设在通用底板的内部。综合板卡3上设置有A/D转换模块、D/A转换模块、DI转换模块、DO转换模块和GPS板和记录器板，直接或通过串口板卡2接收导航系统传感器采集的飞行状态信息，进行转换处理后输出给CPU板卡1；采集CPU板卡1解算的控制指令，经过转换处理后输出给外部设备，GPS板用于对飞行的位置和速度信息进行监控，记录器板用于记录CPU板卡1、串口板卡2、综合板卡3以及电源板卡4的工作参数信息。GPS板和记录器板均为专业公司的系列化货架产品，管脚兼容、可实现无缝升级。CPU板卡1运行飞控程序，根据综合板卡3输出的飞行状态信息解算控制律获得控制指令，并输出给综合板卡3；CPU板卡1采用FlashIDE接口，采用1G容量的CHIPDISK作为启动盘，采用定制BIOS启动方法启动，定制BIOS启动方法步骤如下：(1)CPU板卡1上电；(2)初始化；(3)DOS引导。CPU板卡1正常运行时，飞控程序实时将控制指令保存到CPU实时时钟的RTCRAM中，在断电重启后，飞控程序读取RTCRAM中的数据，使CPU板卡恢复断电前的控制状态。电源板卡4对外部输入的电源进行处理得到各个板卡和外围设备需要的不同电源，通过通用底板输出给相应的板卡和外围设备，为提高电源品质，保证电磁兼容性，电源板卡4采用高品质厚膜电源模块，如图4所示，包括反向保护模块、EMI滤波器模块、过流保护模块、5V模块和±15V模块，反向保护模块在外部电源反接时切断电路，保护系统免遭毁坏。在外部电源连接正常时将电压输出给EMI滤波器模块进行平滑滤波，平滑滤波后的电压输出给5V模块和±15V模块，用于产生各个板卡需要的不同电源，5V模块产生的电源输出给通用底板5，±15V模块产生的电源输出过流保护模块，过流保护模块在电流超过阈值时进行限幅处理，处理后输出给通用底板和外围设备，在电流未超过阈值时直接将得到的电源输出给通用底板和外围设备。串口板卡2提供不同类型的多路隔离串行接口和非隔离串行接口，用于实现与外部设备不同类型的串口数据传输。串口板卡上的各路串行接口均采用独立缓冲区模式，每路串口的接收缓冲区与发送缓冲区各有256字节。串口可实现RS232/RS422跳线任选、每路串口可接收发送FIFO256字节，而且使用过程中无需使用中断，大大简化了用户的使用和维护。本发明基于通用总线设计出的通用底板如图3所示，内部布设了通用总线。电源板卡4采用高品质厚膜电源实现，使用VPT公司50W/5V模块作为基础电源，进一步提升电源的效率(发热量特别小)、启动时的抗容性负载能力特别强。同时，CPU板卡为主从CPU的模式，实现了当前的主流飞控计算机CPU冗余配置，两个CPU只要有一个正常，系统就能够安全运行。可靠的电源、冗余配置的CPU、软硬件设计上的监控和保护逻辑，实现了飞控计算机的快速启动和短时间掉电自动保护。针对可重复使用运载器对先进制导控制技术方案开展半实物仿真试验验证的需求，本发明兼顾了飞控计算机CPU模块化替换和使用维护高效方便两方面需求，设计出了在同一台实时飞控计算机上具备进行不同运算处理性能CPU板卡模块化替换功能的飞控计算机，能够实现在同一台计算机上对不同处理性能的CPU板卡进行模块化替换。传统方法不同运算性能的飞控计算机只能由不同单机实现，这导致由于性能参数等的不同，配套的软件调试和运行环境并不能全面兼容，底层开发环境、仿真调试接口、硬件安全保护措施接口不统一，而本发明在同一台计算机上对不同处理性能的CPU板卡进行模块化替换，无需更改硬件配置和软件环境。计算机处理器性能升级后配套的软件调试和运行环境全面兼容，做到了不同运算性能处理器工作时需要的底层开发环境、仿真调试接口、硬件安全保护措施均为统一的标准接口，不同处理性能CPU工作时测试和应用环境均完全一致，大幅降低了设备成本、便利了仿真试验，实现了全计算机无导线设计、同一台计算机处理能力的系列化，极大地提高了计算机的可靠性、维护性。在保证对制导控制技术进行实时仿真验证的前提下，有效地降低了硬件设备研制开发的成本和系统性能升级的代价，解决了飞控计算机模块化更新、系列化升级和低成本性能拓展的难题，极大地提升了半实物仿真验证的效率。实施例：机箱外部输入+27VDC电源通过连接器输出给电源板卡4，电源板卡4首先对外部输入+27VDC电源进行反向保护和EMI滤波，反向保护通过两个并联二极管实现。经过电源板卡上的隔离变换处理，得到+5VDC、±15VDC、+27VDC高品质电源，通过通用底板连接器引到通用底板上，其中+5VDC用于16位精简PC104总线，±15VDC用于板卡电路使用。这样其它每个板卡就根据其功能要求直接从通用底板上获取所需电源。电源板卡4不但为其他板卡提供高品质电源，同时也会将+27VDC电源和±15VDC电源引出供其他外围设备使用。通用总线使用16位精简PC104并行总线，16位PC104总线仅需要64芯插座。在16位精简PC104总线基础上还配置+27VDC、±15VDC、+5VDC等多种电源类型对应的电源线，一方面对16位精简PC104总线供电，另一方面还将这些电源通过通用底板引到板卡供板卡使用，同时通过板卡将这些电源引出到通用底板接口的插座上，以便对外部设备直接供电。具有精简PC104总线和电源线的通用底板结构如图5所示。通用底板5的各个接口采用90芯插座(PDS-90JW、中航光电)与各个板卡连接，该插座长80mm。其中16位PC104信号线使用了50个管脚。+27VDC电源配置6路，共需要12个管脚。+15VDC电源配置4路，-15VDC电源配置3路，±15VDC地配置3路，+5VDC电源配置4路，+5VDC地配置4路，共需要18个管脚。剩下10个管脚悬空。由于通用底板是一个具有可扩展能力的标准化架构，为了确保16位总线的驱动能力和信号品质，在设计通用底板时采用总线滤波技术，以确保总线的可靠性。CPU板卡1采用x86架构处理器，以STM-6530为核心，扩展CHIPDISK插座、实时时钟、看门狗、状态灯、实时时钟电池等资源，通过精简16位ISA总线插座插在通用底板上，与其它板卡构成完整的飞控计算机系统。CPU板卡1引出的接口资源为4路RS232串行接口，其中，2路为STM-6530内置串口，2路为扩展串口。采用25芯J30J快锁型航空插座。通过底板连接器与通用底板连接。STM6530是一种高度集成的单板CPU模块，它被设计成为可方便与其他周边设备及模块构成完整系统的核心部件。STM6530采用x86架构的80486或者80586作为CPU，形成CPU板卡1，与其他板卡一起构成一个完整的计算机系统，可以满足飞控计算机对CPU板卡的所有功能需求。串口板卡2提供12路串行接口，分别为4路RS232/RS422隔离串行接口、2路RS232/RS422/RS485隔离串行接口和6路RS232/RS422非隔离串行接口，各路串口模式可通过跳线配置，每路串行接口应可独立复位、配置、接收数据与发送数据。为了提高串口的可靠性和易用性，各路串口不使用中断模式，而是使用独立缓冲区模式，每路串口的接收缓冲区与发送缓冲区各有256字节。采用5线制的RS232与RS422兼容接口，5线制接口的信号(包括RS232/RS422/RS485)定义如表1所示。表1串口信号定义CPU板卡通过驱动程序接口对串口卡进行访问，驱动程序的编程接口定义如表2所示。表2函数列表函数名函数功能SioReset复位指定通道SioOpen配置指定通道的串口传输格式SioWorkMode设置指定通道的工作模式SioRxLen接收FIFO的数据量SioRxRead读取串口数据SioTxLen获取发送FIFO的数据量SioTxWrite向串口写数据当需要升级提高处理能力时，CPU板卡可以实现断电后直接插拔替换，通过断电保护能够迅速恢复断电前的控制状态，通过定制BIOS启动方法在1秒以内启动，满足大多数飞行器稳定飞行的要求。基于该方案目前已完成了飞控机的研制和出厂测试，并在实际项目的半实物仿真测试中得到了应用。结果表明，该飞控计算机能够结合系列化的CPU板卡，实现不同制导控制算法在线运算需求的半实物仿真和摸底验证，在同一套半实物仿系统中实现了系列化的实时处理能力，极大地降低了研制成本、提高了设备应用和调试的效率。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。当前第1页1 2 3