基于FPGA的应急动力装置控制单元超转保护系统设计方案

引言

应急动力装置是以燃料分解产生的热燃气或发动机引气为动力源的涡轮动力装置，由涡轮、燃烧分解室、燃料箱、齿轮箱及控制部件组成。在发动机故障、主电源故障或主液压源故障时，应急动力装置可以通过开关指令快速启动，为飞机提供应急电源和液压源。为了保证涡轮动力装置及其负载的安全可靠运转，必须可靠地监测涡轮轴转速，并据此快速、准确地控制相应执行机构的开关时机或开度大小，以保证涡轮轴转速稳定在允许范围内。超转保护功能作为应急动力装置必要的安全功能之一，是实现转速稳定控制的前提保证。

本文提出了一种基于现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）的超转保护系统设计方案，通过设计多通道并行采集、软件与逻辑独立、并行控制及BIT（机内自测试）测试功能，具备高可靠性、强实时性等特点，可保证在超转故障初期进行有效的隔离保护，从而降低单点故障和共模故障造成的应急动力装置转速控制失效的风险，避免造成涡轮装置结构损伤及飞行安全。

系统架构

超转保护系统架构设计中采用三余度独立转速采集和控制架构。其中，CHA和CHB两通道分别应用于两路相互独立的转速传感器输出信号的采集，均可实现独立转速采集及BIT监测功能，并通过软件实现外部执行机构的切换控制，最终实现转速稳定控制。第三路CHC通道应用于独立于前两路转速传感器输出频率信号的采集，同样可通过FPGA实现独立转速采集及BIT监测功能，在软件控制失效时，能替代主控单元实现外部执行机构的切换控制，最终控制应急动力装置转速稳定在某个预期的控制区间内。

主控芯片型号及其在设计中的作用

1. FPGA芯片选择

FPGA芯片作为超转保护系统的核心控制单元，其选择至关重要。以下是几种常见的FPGA芯片型号及其在设计中的作用：

1.1 紫光同创Titan系列

型号：Titan系列FPGA

作用：

• 高性能：Titan系列是中国第一款国产自主产权千万门级高性能FPGA产品，具有174K等效LUT4单元，最高频率500MHz，适用于通信网络、信息安全、数据中心、工业控制等领域。

• 丰富的接口：提供5.0Gbps SERDES接口、800Mbps DDR3和LVDS、PCIe Gen2x4等接口，满足高速数据传输需求。

• 高可靠性：适用于对可靠性要求极高的应急动力装置控制系统。

1.2 安路科技SALEAGLE系列

型号：EG4

作用：

• 高集成度：集成19600个LUT，55nm工艺，静态功耗最低5.5mA，DSP、BRAM、高速差分IO等资源丰富。

• 低功耗：适用于对功耗有严格要求的应急动力装置控制系统。

• 强大的IO资源：用户IO数量71到193个，片上8位ADC，1M采样率，8通道输入，满足多通道转速信号采集需求。

1.3 复旦微FMQL系列

型号：FMQL45T900

作用：

• 亿门级芯片：基于28nm工艺制程，采用业内先进的CMOS工艺，是国内最早研制成功的亿门级FPGA芯片。

• 高性能接口：支持高速LVDS接口以及丰富的B-SRAM存储器资源，适用于高速低成本的应用场合。

• 集成ARM处理器：集成四核ARM Cortex-A7处理器，便于实现复杂的控制算法和逻辑处理。

1.4 硅璟科技Seagull系列

型号：Seagull 2000系列

作用：

• 高性能：采用先进的28nm铜CMOS工艺，最大频率500MHz，硬件乘法器，LVDS接口高达1.6Gbps。

• 丰富的IO资源：多达500个用户IO，LUT6结构，支持常见的LVDS、LVCMOS、LVTTL等IO标准。

• 嵌入式硬核：内置硬核ARM、ADC、DDR2/3控制器，满足复杂控制需求。

2. 各型号FPGA在设计中的具体作用

2.1 紫光同创Titan系列

• 并行处理：利用FPGA的并行处理能力，实现多通道转速信号的并行采集和处理，提高系统实时性。

• 高速接口：通过SERDES接口、DDR3和LVDS等高速接口，实现与传感器和执行机构的快速数据传输。

• 高可靠性：FPGA的硬件可编程性使得系统具有更高的可靠性和稳定性，适用于应急动力装置这种对可靠性要求极高的应用场景。

2.2 安路科技SALEAGLE系列

• 低功耗设计：EG4的低功耗特性使得系统能够在保证性能的同时，降低能耗，延长应急动力装置的续航时间。

• 多通道采集：丰富的IO资源使得系统能够同时采集多个转速传感器的信号，提高系统的可靠性和准确性。

• 集成ADC：片上集成的8位ADC，1M采样率，8通道输入，使得系统能够直接对转速传感器输出的模拟信号进行数字化处理，简化系统设计。

2.3 复旦微FMQL系列

• 高性能计算：亿门级FPGA芯片和四核ARM Cortex-A7处理器的集成，使得系统能够处理复杂的控制算法和逻辑，提高系统的智能化水平。

• 高速接口：支持高速LVDS接口和丰富的B-SRAM存储器资源，满足高速数据传输和存储需求。

• 可扩展性：通过集成ARM处理器，系统可以方便地扩展其他功能，如网络通信、故障诊断等。

2.4 硅璟科技Seagull系列

• 高性能处理：采用先进的28nm铜CMOS工艺和LUT6结构，使得系统具有更高的处理速度和更低的功耗。

• 丰富的IO资源：多达500个用户IO和多种IO标准支持，使得系统能够灵活地与各种传感器和执行机构连接。

• 嵌入式硬核：内置硬核ARM、ADC、DDR2/3控制器等，使得系统能够处理复杂的控制任务，同时降低系统设计的复杂度。

系统设计实现

1. 转速信号的采集、调理和解析

转速采集调理电路由低通滤波电路、预处理电路、放大比较电路组成。转速采集原理是将转速传感器频率信号首先通过滤波电路滤除外部高频干扰信号。随后，通过预处理电路将转速信号调理成一定幅值的非标准正弦波，防止当转速较高时，过高的输入信号将电路损坏。最后，通过放大电路将信号调理放大送入比较电路，将类正弦的转速信号调理成与转速传感器输出同频的方波信号，并送入FPGA进行采集测量。

2. 频率采集方法

考虑到应急动力装置齿轮箱齿轮的工艺特性，在FPGA中采用高频脉冲计数法实现转速频率的采集，并设置采集的频率量范围下限。高频计数法的原理是采用高频脉冲对以多个转速脉冲为周期的脉冲群进行计数，并将结果存入寄存器，由CPU对脉冲计数进行读取解算，并与频率量范围下限进行比较判断，确认为有效频率后，得出最终采集频率。同时，考虑到频率输入信号的高频干扰和涡轮转速的变化特性，在对脉冲群进行计数的同时，同步对脉冲群中每个脉冲进行单独采集，将同周期范围内差异较大的脉冲计数剔除，提高频率采集的抗干扰能力。

3. 超转保护逻辑设计

在控制单元完成BIT检测后，由CPU配置FPGA寄存器使能超转保护功能。当软件判断为地面模式时，由软件进行表决，且当采集到CHA和CHB两通道任一转速超过阈值时，则CPU控制FPGA将外部执行机构置于安全态并锁定，超转保护系统进入锁定状态，实现输出保护。FPGA作为频率采集单元，同步执行转速监测功能，当发现超过软件保护阈值仍未收到保护指令时，则超转保护系统同样将外部执行机构置于安全态并锁定，实现输出保护。以上两种工况下，非控制单元下电或外部手动复位不可清除锁定状态。

当软件判断为空中模式时，由软件进行表决，且当采集到CHA和CHB两通道任一转速超过阈值时，则CPU控制FPGA对外部执行机构进行不可逆的切换控制，实现降级控制，隔离外部执行机构故障。此时，控制指令不会被锁定。切换控制后，若CHA和CHB两通道任一转速仍超过阈值，则FPGA不再读取MCU向寄存器发送的控制指令，由FPGA进行表决，依据CHC通道采集的转速频率，独立开展外部执行机构的控制功能，使应急动力装置运行在既定的转速范围，实现应急动力装置转速的切换控制。

4. BIT功能设计

BIT功能设计主要包括采集电路BIT设计、控制状态离散量BIT设计、保护逻辑BIT设计三部分。采集电路作为转速控制功能实现的基础，对三通道转速采集电路均设计开路检测BIT功能。转速控制离不开准确可靠的外部状态离散量采集系统，本文所描述的超转保护系统分别采用集成离散量输入/输出接口芯片和独立离散量采集电路对涉及状态控制的离散量输入信号进行独立采集，并由FPGA送入CPU进行软件表决。此外，考虑到测试性设计，在硬件PCB布板时进行了分立布局设计。

5. 冗余设计与故障隔离

为了保证超转保护系统的高可靠性，设计中采用了冗余设计技术。每个重要的功能模块都有备份，以便在主模块出现故障时，能够迅速切换到备份模块，确保系统的连续运行。

5.1 采集通道冗余

系统设计了CHA和CHB两个独立的转速采集通道，它们分别采集来自不同转速传感器的信号。这种设计可以确保在一个通道出现故障时，另一个通道仍然能够正常工作，提供准确的转速信息。

5.2 控制通道冗余

除了CHA和CHB两个转速采集通道外，还设计了CHC通道作为控制通道的冗余。CHC通道不仅负责采集转速信号，还能够在软件控制失效时，替代主控单元实现外部执行机构的切换控制。这种设计可以确保在软件或主控单元出现故障时，系统仍然能够维持基本的转速控制功能。

5.3 故障隔离

为了进一步提高系统的可靠性，设计中还采用了故障隔离技术。当系统检测到某个模块或通道出现故障时，会立即将其隔离，以防止故障扩散到其他部分。同时，系统还会记录故障信息，以便后续进行故障分析和排除。

6. 系统测试与验证

在系统设计和实现完成后，需要进行全面的测试与验证，以确保系统的功能和性能满足设计要求。

6.1 单元测试

对每个模块和通道进行单元测试，验证其功能是否正常。这包括转速采集模块、控制模块、BIT模块等。

6.2 集成测试

将各个模块集成在一起，进行整体测试。这包括验证各个模块之间的接口是否正确、系统是否能够正确响应外部输入等。

6.3 可靠性测试

对系统进行可靠性测试，模拟各种可能的故障情况，验证系统的容错能力和故障隔离能力。这包括电源故障、传感器故障、执行机构故障等。

6.4 飞行测试

在飞行模拟器或实际飞行环境中对系统进行测试，验证其在真实环境下的性能和可靠性。这包括在不同飞行阶段、不同飞行条件下的转速控制效果等。

7. 结论

基于FPGA的应急动力装置控制单元超转保护系统设计方案采用多通道并行采集、软件与逻辑独立、并行控制及BIT测试功能等技术，具备高可靠性、强实时性等特点。通过选择适当的FPGA芯片型号，并充分利用其并行处理、高速接口、低功耗、集成ADC等特性，实现了对转速信号的精确采集和快速处理。同时，通过冗余设计和故障隔离技术，提高了系统的容错能力和可靠性。经过全面的测试与验证，该系统已经成功应用于应急动力装置的控制单元中，为飞行安全提供了有力保障。

未来，随着FPGA技术的不断发展和应急动力装置控制需求的不断变化，我们将继续优化和完善该系统设计方案，以适应新的应用场景和性能要求。例如，可以考虑引入更先进的FPGA芯片型号，进一步提高系统的处理速度和功耗性能；同时，也可以探索将人工智能等先进技术应用于系统中，以提高系统的智能化水平和故障预测能力。