一种用于低空飞行器航电系统的综合计算平台的制作方法

本发明涉及低空飞行器航电系统，具体涉及一种用于低空飞行器航电系统的综合计算平台，适用于各类低空飞行器的航电数据采集、处理、传输及设备协同控制场景。

背景技术：

1、随着低空飞行器应用场景的不断拓展，其航电系统对综合计算平台的可靠性、防护能力、能耗控制、扩展灵活性及维护便捷性提出了更高要求。现有技术存在以下关键不足：

2、模块化设计不完善：各功能模块接口不统一，模块间协同性差，后期新增功能需改动平台整体设计，扩展成本高、周期长；

3、电源系统防护与冗余不足：缺乏针对机上电源的浪涌、冲击、雷击等多维度防护，主备电源切换逻辑单一，故障时易导致航电系统中断；

4、散热系统效率低：多采用固定转速散热设计，无法根据负载与温度动态调整，低负载时能耗浪费严重，高负载时散热不足，且缺乏冗余控制机制；

5、总线传输可靠性有限：总线优先级划分不明确，硬实时与软实时数据混传易造成带宽拥堵，故障切换延迟高，数据传输完整性难以保障；

6、针对上述缺陷，亟需一种架构标准化、防护全面、冗余可靠、扩展灵活且维护便捷的低空飞行器航电系统综合计算平台。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术实施例提供一种用于低空飞行器航电系统的综合计算平台，以解决现有低空飞行器航电计算平台模块化程度低、冗余可靠性不足、散热能耗失衡及扩展能力有限的问题，实现平台高可靠性、能耗优化与灵活扩展的核心需求。

2、本技术实施例提供以下技术方案：一种用于低空飞行器航电系统的综合计算平台，包括：

3、以标准化背板为核心互联枢纽，分为功能模块组与核心支撑系统，所有功能模块通过标准化插槽插入背板并对称均匀分布。

4、所述功能模块组配置独立标准化id，用于模块身份识别、功能区分及协同调度，通过背板机械防呆结构与电气id验证实现防差错设计，所有模块采用openvpx标准电源输入。

5、所述核心支撑系统包含动态余度电源系统、flexray/pcie混合主总线系统、微型导冷-风冷自适应散热系统、模块双冗余架构及备用总线系统，各组件协同为功能模块组提供供电、总线传输、散热及冗余保障。

6、根据本技术一种实施例，所述功能模块组包括n1个中央处理模块、n2个数字总线模块、n3个模拟采集模块、可选配置的n4个音频模块、n5个视频模块以及n6个预留模块槽位（ni≥2，i=1,2,3,4,5,6）；

7、其中，中央处理模块采用异构多核处理器架构，由核心处理器电路、时钟复位电路等组成，主模块基于其他模块id优先级调度硬实时任务，负载过高时通过pcie交换模块分流非实时任务至备模块，可选“基板+处理器子卡”设计，支持子卡级无损升级；数字总线模块集成rs422、arinc429/453/717、以太网等多种机载航空总线接口，通过总线协议转换电路实现内外总线协议双向转换，总线驱动隔离电路采用磁隔离设计；模拟采集模块支持±10v电压、4-20ma电流、pt1000温度等多类型模拟量采集，经信号调理、ad转换后传输至中央处理模块，同时可接收中央处理模块指令并通过da转换输出模拟量信号，信号与总线驱动隔离电路采用磁隔离设计；音频模块含编解码、降噪、放大电路，通过pcie总线与中央处理模块、预留槽位模块通信，可反馈链路状态与供电信息；视频模块含编解码、图像处理电路，支持视频信号输入输出与数据交互；预留槽位模块采用openvpx标准接口，可后期接入npu加速计算模块、大容量存储模块等，无需改动平台原有设计即可扩展功能。

8、根据本技术一种实施例，所述动态余度电源系统为分为机箱部分、电源模块部分以及负载部分。

9、其中，机箱部分包括滤波器隔离电路与储能组件电路。滤波器电路实现机上双路+28vdc电源并接及对后级开关电源模块纹波和输入端纹波抑制。储能组件通过储能电容和充放电管理电路实现断电维持。

10、其中，电源模块部分由2n个电源模块组成，所述电源模块接收滤波后的+28vdc输入电源信号，通过背板为负载端提供冗余电源信号。单个电源模块由冲击电流抑制电路、浪涌抑制电路、28vdc-12vdc电源转换电路、28vdc-3.3vdc电源转换电路、健康管理电路等组成。冲击电流抑制电路对电源启动瞬间的启动电流进行抑制。28vdc-12vdc电源转换电路完成28vdc到12vdc的电源转换及隔离，28vdc-3.3vdc电源转换电路将28vdc电源转换为3.3vdc电源。健康管理电路实现对电源模块的状态监测。

11、其中，负载部分主要指风机组与功能模块组的主备电源切换单元。切换单元包括电源防反灌电路1/2、高边驱动电路1/2以及快速选通单元，其中快速选通单元包括过压欠压过流检测电路以及主备切换电路。主备电源切换单元接收冗余电源模块的两组输入电源p1与p2，p1经过防反灌电路1后输出至高边驱动电路1与快速选通单元；p2经过防反灌电路2后输出至高边驱动电路2与快速选通单元。快速选通单元中对p1与p2电源进行过压、欠压、过流、断电检测，并输出对应p1，p2电源对应的使能信号1与使能信号2，从而实现对p1，p2电源回路的闭合与断开。根据快速选通单元不同的检测结果。

12、所述使能信号1与使能信号2采用优先-互斥逻辑选通，对p1，p2电源同时检测，使能信号1与使能信号2同一时间仅一个打开，另一个关闭。其中优先打开使能信号1（选通电源p1）。当p1电源出现任一故障（过压、欠压、过流、关断），则打开使能信号2（选通电源p2）。

13、所述选通与切换逻辑如下：

14、若p1电源检测通过，p2电源检测通过，则打开使能信号1（闭合p1电源回路），关断使能信号2（断开p2电源回路），此时主电源p1有效，备电源p2无效；

15、若p1电源检测通过，p2电源检测不通过，则打开使能信号1，关断使能信号2，此时主电源p1有效，备电源p2无效；

16、若p1电源检测不通过，p2电源检测通过，则关闭使能信号1，打开使能信号2，此时主电源p1无效，备电源p2有效；

17、若p1，p2电源检测均不通过，则关断使能信号2与使能信号2，此时主电源p1，p2均无效。

18、所述功能模块组与风机组采用双冗余架构配置，分为主模块组m1与备模块组m2，风机组分为f1与f2。m1/f1以电源p1为主电源、p2为备电源，而m2/f2以p2为主电源、p1为备电源，模块与风机组件优先采用各自主电源供电。

19、所述快速选通单元切换触发条件为当主电源出现过压（＞vth1）、过流（＞1.2*ip）、欠压（＜vth2）或断电时，切换电路实时检测并触发切换。

20、所述快速选通单元切换逻辑中，主备电源切换完成后，若主电源恢复正常，即快速选通单元检测无异常，则自动切回主电源供电。

21、所述模块双冗余架构中的中央处理模块、数字总线模块、模拟采集模块配置主备双组m1，m2。主-备身份通过模块id预设与100ms周期心跳信号动态判定，故障时通过flexray总线实现无扰动切换，且主备模块的双电源供电状态同步切换；模拟采集模块采用“n-1”热备设计，热备模块通过识别工作模块id同步数据及供电状态；可选的音频控制模块、视频模块若配置，其冗余状态与对应功能模块同步联动。

22、所述微型导冷-风冷自适应散热系统中，所有功能模块的高热流密度器件均通过导热垫贴合均热板，通过模块壳体与机箱散热结构适配，风机组f1，f2由动态余度电源系统进行冗余供电，f1，f2并行工作提供散热气流，由主中央处理模块组与备中央处理模块组通过pwm信号控制调速，风机组反馈转速模拟量信号至模拟采集模块组。

23、分时调速策略为：当各模块功耗≤额定功耗50%，风机组以60%-80%额定转速运行，降低能耗；当各模块功耗＞额定功耗50%，或温度超温，风机组以80%-100%额定转速运行，加大散热效率；当某组风机故障时，另一组100ms内提升至120%额定转速补偿散热。

24、所述风机组f1、f2默认分别由主中央处理模块组中的一个、备中央处理模块组中的一个进行控制调速，该中央处理模块调速功能失效时，由组内其他中央处理模块根据模块id优先级接管；当组内所有模块调速功能均失效时，则由对侧组高优先级模块接管，以优先级由高至低递推接管。

25、所述flexray与pcie混合主总线系统采用双总线并行架构，含背板上配置的pcie交换组件组件及功能模块上的flexray总线控制器，且配置a/b双冗余通道；其中flexray总线传输速率为10mbps，承载硬实时数据，包括飞行控制指令、设备状态紧急反馈信号等；pcie总线传输速率不低于2.5gbps，承载软实时数据，包括传感器采集的非紧急数据、音频/视频流数据、模块配置参数等。

26、根据本技术的一种实施例，，所述混合主总线系统的带宽调度与故障处理逻辑包括：

27、（1）带宽优先级划分：基于模块id预设优先级等级，中央处理模块相关数据为最高优先级，数字总线模块、模拟参数采集模块数据为中优先级，可选音频/视频模块数据为低优先级，确保硬实时数据优先占用带宽；

28、（2）状态联动监测：通过总线控制器实时监测各功能模块的工作状态、主备电源均流状态及总线传输负载率，监测数据通过i2c总线反馈至中央处理模块；

29、（3）故障切换机制：当flexray总线a通道检测到信号丢失、误码率＞10-6或链路中断时，总线控制器在＜10ms内自动切换至b通道，同时发送故障告警信号。

30、根据本技术的一种实施例，所述备用总线系统与主总线形成层级冗余：i2c总线传输温度、电压/电流、风机状态、实时功耗数据及主备电源均流数据等低速信息；a825can总线传输低优先级控制指令；主总线负载率＞90%或中断时，模块上的核心处理电路基于自身模块id及双电源供电状态，将低优先级数据切换至备用总线。

31、根据本技术的一种实施例，所述标准化背板兼容openvpx架构，包含输入信号闪电防护电路及共地设计，并配置带机械防呆结构、导向防差错装置的标准化插槽。

32、根据本技术的一种实施例，平台具有usb type-c的标准化维护接口，用户可通过上位机读取各功能模块id，将模块状态数据（温度、电压、故障码、风机转速、实时功耗、主备电源均流状态、总线传输状态及电源切换记录）及可选音频/视频模块的工作状态打包为标准化格式，支持故障快速定位。

33、所述状态数据包括但不限于温度、电压、故障码、风机转速、实时功耗、主备电源均流状态、总线传输状态及电源切换记录。

34、根据本技术的一种实施例，所述功能模块组、电源模块组、风机组对称均匀分布在标准化背板上。

35、与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本发明实施例以标准化背板为核心建立“功能模块组+核心支撑系统”一体化架构。针对不同功能需求设计模块化组件，中央处理模块完成核心计算任务，支持子卡级无损升级，数字总线模块完成总线协议转换；模拟采集模块完成外部模拟量采集；预留槽位模块实现按需扩展。核心支撑系统中动态余度电源系统、混合主总线、核心模块双冗余、备用总线冗余的四重保障，有效避免单点故障，同时散热系统采用分时调速策略平衡能耗与散热，模块对称分布优化布局合理性。本发明能够显著提升低空飞行器航电系统的可靠性、可维护性与扩展灵活性，有效覆盖模块故障、电源故障、总线故障等失效模式，适配不同低空飞行器的多维度航电需求。