基于VxWorks 的喷水桁杆控制系统设计

创新者：段世梅

针对喷水桁杆控制系统对采集信号、数据处理、控制律解算及信号发送等强实时性、稳定性的要求，传统的软硬件结构已经不能满足系统性能指标的要求，因此需要选用一个新的开发平台，来满足系统的设计要求。本文选用了嵌入式操作系统VxWorks 为开发平台，对喷水桁杆控制系统的软硬件进行了设计，并对设计的系统进行了测试。测试证明，该系统具有较强的实时性与稳定性，满足了系统开发者的要求。

飞机的结冰试验，对于研究飞机结冰的相关性能十分关键。而在国内，没有相应的喷水结冰试验设备，需要远赴加拿大进行相关试验。为了改变国内喷水结冰试验现状，需要研发一套空中喷水作业系统。喷水桁杆控制系统是空中喷水作业系统的重要组成部分，需要控制电动绞车和小翼协调工作，使桁杆能稳定收放，并能稳定在设定角度进行喷水作业。对空中出现的各种紧急情况能快速做出响应，因而要求控制系统必须有较强的实时性。

美国风河（Wind River）公司开发的VxWorks 嵌入式实时操作系统采用Wind 微内核设计减少了系统开销，从而保证了对外部事件的快速反应，提高了实时性和可靠性。

本文基于VxWorks 实时嵌入式平台，对系统功能进行了分析，对系统的硬件平台进行了搭建，对系统的软件结构和流程进行了设计，并对设计的系统进行了测试。测试证明，该系统具有较强的实时性与稳定性，满足了开发者的要求。

系统总体设计

桁杆安装在某型飞机货舱门外，小翼安装在桁杆后端，如图1 所示。喷水时，控制小翼使桁杆保持设定角度；收放时，控制小翼使钢索的张力在设定范围内。

系统功能分析

对系统进行功能分析，系统主要功能包括采集各类传感器信号、接收GPS 信息、对小翼的控制、对电动绞车的控制、各种信号进行处理、控制律解算、并有监控和显示功能。喷水桁杆控制系统主要由控制台、控制计算机、显示计算机、前舱显示器、控制面板、摄像头、各类传感器、GPS 模块、控制手柄、电动绞车、上位锁和电动舵机组成，系统总体结构如图2 所示。

系统工作原理

操作人员操作控制面板，控制计算机给绞车发送正转指令，绞车正转带动钢索放下桁杆；在桁杆下放的过程中，控制计算机采集传感器信号并进行控制律解算，并将结果发送舵机带动小翼偏转，以达到稳定放下桁杆的目的。

当桁杆放到设置角度时，控制计算机自动向绞车发送停转信号；此时，操作人员操作控制面板，使系统进入保持模态；控制计算机采集传感器信号并进行控制律解算，并将结果发送舵机带动小翼偏转，以达到保持桁杆角度稳定的目的。系统同时引入杆头振动加速度和钢索张力，作为监控使用。系统在保持模态下进行喷水作业。

喷水工作完成后，操作人员操作控制面板，绞车反转收起桁杆。当桁杆紧贴舱门时，上位锁上锁，锁住桁杆。

显示计算机连接3 个摄像头，实时监控桁杆系统的工作状态。在系统整个工作过程中，相关参数和监控视频都显示在显示计算机的显示器上，供操作人员观察判断。

硬件平台

控制计算机是喷水桁杆控制系统的核心，为了保证系统的实时性，采用VxWorks 实时操作系统为开发平台。显示计算机采用嵌入式图像处理系统，操作系统采用WindowsXPE。喷水桁杆控制系统的全部硬件连接图如图4 所示。

图1 某型飞机尾部桁杆示意图

图2 喷水桁杆控制系统结构图

图3 喷水桁杆控制系统硬件连接关系图

图4 喷水桁杆控制系统任务优先级划分

软件设计

基于优先级的任务划分

按照任务优先级高低划分为7 种任务，如图4 所示。

看门狗定时器任务，该任务中实现的功能有采集模拟量和离散量，对各种传感器信号进行处理（数据类型有模拟量、离散量、脉冲信号422）。

中断服务任务（响应GPS 秒脉冲）；

422 接收任务，该任务接收角速率传感器信号、舵机状态信息；

422 发送任务，该任务发送控制指令给舵机；

电动绞车发送任务，该任务发送离散量控制信号给电动绞车；

232 发送任务，该任务发送显示信息给前舱显示器；

UDP 网络发送任务，该任务发送各类参数给监控计算机监控用。

主任务流程设计

控制软件主程序流程如图5 所示。系统上电，开始初始化，初始化完成，若不结束，等待看门狗定时器释放信号量（10ms 释放一次），若信号量释放，则程序主循环执行。接收模拟量和离散量数据，并对数据进行测量噪声滤波等处理，然后进行控制律解算，把解算结果发送给舵机。若程序执行不结束，则进入下一轮的看门狗信号量释放等待。

图5 控制软件主程序流程图

系统测试

对完成的系统进行测试和验证，主程序设置成10ms执行一次。在Tornado 中查看系统的各个任务运行状况，可以看到主程序（看门狗定时器控制的任务）能保证10ms 执行一次，看门狗定时器控制的任务实际开销不到5ms。看门狗的定时精度小于1tick（在本系统中代表1ms）。

结语

针对喷水桁杆控制系统的特点，采用了嵌入式操作系统VxWorks 为开发平台，对系统功能进行了分析，对硬件平台进行了搭建，对软件进行了基于优先级的任务划分和流程设计，并对设计的系统进行了测试。测试证明，该系统具有较强的实时性与稳定性，满足了开发者的要求。