基于ZENQ PSOC的三余度控制系统研究

【摘要】根据无人飞行器控制系统高可靠性、高集成度、高速处理能力的要求，提出在全可编程SOC芯片ZENQ上实现三余度控制系统的设计，通过芯片内部集成的两个Cortex-A9硬核处理器和MicroBlaze软核处理器构成三路独立控制系统，通过非相似余度技术在三路处理器中植入不同的嵌入式操作系统，实现三通道并行工作的飞行控制系统;ZENQ芯片上设计有高精度同步单元、数据比较单元、仲裁监控单元、输出切换单元等电路，完成系统的余度管理功能。通过单SOC芯片实现三路余度控制构架，采用非相似余度技术，以及结合实时多任务软件的设计能满足飞行控制系统一次故障任务安全，二次故障飞行安全的要求。

【关键词】ZENQ PSOC;余度控制;飞行控制;可靠性

Research of Treble-Redundancy Control System based on ZENQ PSOC

Wu Jian，Tian Long

（Nanjing Research Institute on Simulation Technology，Nanjing 210016，China）

Abstract：Redundancy technology is widely used in UAV control system to meet the demand of high reliability、high integration and high processing ability.A redundancy architecture design of treble-redundancy flight control system is proposed based on the all programmable SOC chip.Three independent control channels are established by using two embedded Cortex-A9 processor and one MicroBlaze processor which could be transplanted different real-time operating system.Redundancy management design is also described which is composed of high accuracy synchronization unit、vote unit and monitor unit.By using dissimilar redundancy technology the design can meet the demand of security and reliability for UAV control system.

Key Words：ZENQ PSOC;Treble-Redundancy;Flight control

1.引言

飞行控制系统是无人机的核心部件，随着无人机技术的发展和功能的拓展，对飞行控制系统的可靠性和容错能力要求不断提高，对机载设备的体积、重量、功耗的要求也越来越苛刻，同时还需满足电磁兼容性要求。为满足无人机系统对飞行控制系统的要求，设计一种高可靠性、高集成度、低功耗、高处理能力的计算机已成为必然的趋势，采用余度技术设计的控制系统是提高系统可靠性和容错能力的有效措施。随着全可编程芯片（PSOC）技术的不断更新，在单个FPGA芯片上可集成多个硬核处理器，结FPGA芯片的各种片上资源和丰富的IP核，为构建单芯片多余度控制系统提供了有效的软硬件环境。

2.三余度控制系统构架设计

2.1 三余度控制系统构架组成

基于单芯片的三余度控制系统构架主要由多输入并行处理单元、三通道独立处理器单元、仲裁控制器单元等部分组成。多输入并行处理单元主要功能包括外部输入接口设计、数据缓冲区设计、总线接口设计等三部分功能;三通道独立处理通道单元主要包括由ZENQ7000芯片的两个内部硬核处理器、一个由FPGA逻辑资源构建的硬件处理单元，构成系统的三余度处理单元;仲裁控制器主要功能包括三余度处理单元的同步时序输出、状态时序采集 、三通道独立数据总线、数据比较单元、输出通道切换单元组成。

2.2 多输入并行处理单元设计

多输入并行处理模块设计包括多串口并行处理单元、数据采集接口控制、处理器总线接口;多串口并行处理单元主要采用ZENQ芯片逻辑单元实现串并转换逻辑、数据缓冲队列等功能，用于高度、位置、姿态等传感器数据采集及各类航电部件的信息通信;I/O控制单元主要完成外设A/D芯片的控制逻辑处理、数据缓冲队列，用于对外部模拟电压的采集;总线接口采用AXI总线接口，用于多串口数据缓冲队列、I/O采集数据缓冲队列与处理器单元进行通信的数据总线。

图1 三余度控制系统构架图

多输入并行处理模块采用三通道独立并行接收、数据通过AXI总线传输方式，可以很大程度上减少处理器的工作量，AXI总线的高传输速率也保证了系统的实时性。

2.3 三余度处理器构架

图2 多输入并行处理模块结构图

三通道余度处理系统功能实现主要由ZENQ芯片内嵌的两路Cortex-A9 MPCore硬核处理器和一路MicroBlaze软核处理器构成，三路处理器与前端多输入处理模块和后端仲裁控制处理单元均采用AXI总线连接。三个处理器单元均可嵌入独立的实时操作系统，并可在实时操作系统下完成应用软件的开发。ZENQ FPGA内嵌Cortex-A9 MPCore硬核处理器单元支持NEON协处理器和单/双精度浮点处理单元、32位/32K L1高速缓存，512K L2高度缓存，及256K片上OCM低延迟存储单元，处理器最高主频可达800MHz。同时处理器支持多实时操作系统移植包括uC/OS、QNX、VxWorks、FreeRTOS等，以及开源Linux、Android等操作系统移植。

图3 ZENQ PS单元双核处理器结构

MicroBlaze软核是32位RISC哈佛架构处理器内核，可提供高级架构选项，如AXI或PLB接口、存储器管理单元（MMU）、指令和数据端缓存、可配置的流水线深度和浮点单元（FPU） 等，具有极其灵活的架构以及丰富的指令集，并可与其他外设IP核一起，完成可编程系统芯片设计。同样MicroBlaze软核也可嵌入多种实时操作系统，如uC/OS等。

图4 MicroBlaze处理器内部结构

3.余度控制与管理系统设计

3.1 余度控制与管理总体构架

三余度控制系统的余度控制主要包括三通道处理器的同步时序控制、交叉通道数据传输、表决数据处理、数据输出控制等功能。

三通道处理器平台可移植不同实时操作系统，实时操作系统下的应用软件在各平台上独立运行，主要完成数据采集、数据比较、控制律计算、故障判断、以及实时操作系统下的多任务管理等。余度管理单元主要实现多通道处理器同步，交叉数据传输总线、多通道表决判断，数据输出通道选择等功能;余度控制总体构架与流程如图5所示，纵向为多通道处理器功能，横向为余度管理单元功能。

图5 三余度控制结构及流程图

三通道处理器在完成初始化后进行同步，在相同的控制周期内进行数据采集，通过CCDL进行采集数据比较监控，然后进行控制律计算，计算完成后再次通过CCDL进行计算结果的数据比较监控，并对三通道的健康状态进行表决，而后将表决结果数据和计算结果等输出数据通过数据总线发送给余度管理单元进行表决判断和数据选择。

3.2 三余度处理器同步实现

三通道处理器在每个控制周期开始时需要进行同步，以确保处理器均在同一周期内进行控制计算和各通道的时钟误差不会累积。本系统的同步时序控制如图6所示。

图6

3.3 三余度处理器交叉数据传输实现

图7 交叉数据传输结构图

交叉数据传输主要采用AXI总线相连的双口RAM进行数据传输，各通道通过双口RAM将自己CCDL数据包写入对应的地址单元，并在规定的地址单元内读取另外两通道的CCDL数据包，进行数据监控比较。

3.4 三余度表决与数据切换实现

三通道处理器根据同步结果、数据比较结果产生表决数据，表决功能单元通过接收来自处理器表决数据，通过逻辑表决电路判断各通道故障状态，并进行数据切换控制。在本系统设计中将三通道处理器设定不同优先级A机最高（Cortex-A9 MPCore硬核），C机最低（MicroBlaze软核）;表决原则采用：

①故障状态少的处理器，优先选通;

②同等条件，高优先级处理器优先选通;表决中将“1”代表正常;“0”代表故障;表决真值表如下表：

表1 三余度表决数据切换真值表

基于优先级的三余度表决系统在同等条件下优先级高的A机具有优先选通，在A被B、C判为故障情况下，系统将为两余度;在有两路被判为故障情况下，系统将降为单余度。

4.结语

基于ZENQ AP-SOC芯片的三余度控制系统与传统的三余度控制系统的不同点主要表现在：

①采用单芯片解决方案，通过两个内嵌Cortex-A9硬核和一个MicroBlaze 软核实现三通道处理系统，从硬件构架上为非相似结构;

②三通道处理器平台可移植不同的实时操作系统，并在相应的操作系统下进行应用软件开发，从软件构架上也是非相似结构;

③多通道同步功能采用高速AXI数据总线方式实现，保证多通道同步的高速和高精度;

④采用基于优先级的多通道表决电路，结构简单，可靠性高;

⑤系统高度集成化、高实时性、体积小、功耗低、重量轻等特点。基于ZENQ AP-SOC单芯片的多余度控制系统对于要求高可靠的航空具有很高的应用价值。

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作者简介：吴健（1979―），男，南京模拟技术研究所工程师。