何華琴

摘 要： 在新型飛機(jī)試飛或者空中實(shí)驗(yàn)設(shè)備驗(yàn)證時(shí)，需要記錄大量飛行過(guò)程中的各種模擬量、開(kāi)關(guān)量、總線(xiàn)數(shù)據(jù)和圖像等信息，這些數(shù)據(jù)將被用于開(kāi)展事后分析工作，以便對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息記錄將會(huì)越有利于相關(guān)模型的建立，然而受制于傳統(tǒng)機(jī)載采集拓?fù)浞绞讲季趾涂偩€(xiàn)帶寬的限制，往往不能實(shí)現(xiàn)對(duì)多數(shù)據(jù)源進(jìn)行高采樣的信息收集、傳輸和存儲(chǔ)。針對(duì)該問(wèn)題提出一套基于可擴(kuò)展機(jī)載分布式采集的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案支持?jǐn)U展多達(dá)32個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，同時(shí)在消除數(shù)據(jù)傳輸瓶頸的基礎(chǔ)上，支持全路采樣不間斷存儲(chǔ)時(shí)間約1 h。實(shí)驗(yàn)證明，該方案滿(mǎn)足飛機(jī)或設(shè)備研發(fā)建模過(guò)程對(duì)于收集數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞： 分布式采集系統(tǒng)； 采集節(jié)點(diǎn)； 高速串行總線(xiàn)； 通信編碼板

中圖分類(lèi)號(hào)： TN602?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）14?0045?03

0 引 言

隨著數(shù)字電路集成化技術(shù)和高速串行總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，分布式采集系統(tǒng)在航空領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。機(jī)載分布式采集系統(tǒng)擺脫了傳統(tǒng)采集設(shè)備間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接布線(xiàn)復(fù)雜、改造困難、電磁兼容差的局面[1]，提出每個(gè)節(jié)點(diǎn)采用統(tǒng)一規(guī)范的功能板卡，節(jié)點(diǎn)間可用光纖連接，簡(jiǎn)化了飛機(jī)布線(xiàn)以及任務(wù)配置更改。分布式采集系統(tǒng)可以按照試驗(yàn)需求配置各種功能板卡，如模擬量、開(kāi)關(guān)量、圖像編碼、RS 422、以太網(wǎng)、1553B、存儲(chǔ)板等板卡[2]，分別在飛機(jī)或者吊艙指定安裝點(diǎn)布局采集箱，再由光纖連接多個(gè)采集箱組網(wǎng)，可便捷地安裝不同功能的傳感器，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)或吊艙內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備數(shù)據(jù)記錄和傳輸，為及時(shí)直觀(guān)評(píng)估飛機(jī)或試驗(yàn)設(shè)備效果、意外事故調(diào)查分析提供依據(jù)，對(duì)于改進(jìn)和提高飛機(jī)或試驗(yàn)設(shè)備性能具有十分重要的作用[3]。

1 系統(tǒng)功能及要求

機(jī)載分布式采集系統(tǒng)可支持 1～32個(gè)采集箱，每個(gè)采集箱最多8個(gè)功能板卡，每個(gè)采集箱可配置任意功能板卡，并且可配置系統(tǒng)的格柵，輸出PCM流可直接接入發(fā)射機(jī)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)也可存儲(chǔ)在記錄載體上[4]。

機(jī)載分布式采集系統(tǒng)具備按照配置格式上電進(jìn)入工作模式，存儲(chǔ)可分為自動(dòng)和手動(dòng)2種啟動(dòng)模式。在自動(dòng)記錄模式中，系統(tǒng)加電后根據(jù)設(shè)定好的觸發(fā)模式工作，比如可以采集起落架的收放信號(hào)送入數(shù)字量輸入板作為記錄的控制信號(hào)，或是RS 422或以太網(wǎng)功能板，接收地面指令控制存儲(chǔ)啟停。也可由手動(dòng)模式工作時(shí)，利用控制面板來(lái)人為控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，根據(jù)需要發(fā)出“開(kāi)始記錄”、“停止記錄”等相應(yīng)的指令信息。另外，根據(jù)環(huán)境要求，如溫度、振動(dòng)、沖擊加速度和電磁兼容等，及產(chǎn)品的性能要求，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)：

（1） 可編程：系統(tǒng)不僅是格柵配置可編程，而且功能板卡選用也可根據(jù)試驗(yàn)需求編程；

（2） 可靠性：設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)應(yīng)該滿(mǎn)足振動(dòng)、加速度、沖擊和電磁兼容的要求；

（3） 可升級(jí)：面對(duì)新技術(shù)、新設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的兼容性。

根據(jù)系統(tǒng)要求搭建平臺(tái)，可按照標(biāo)準(zhǔn)功能板卡接口設(shè)計(jì)新的功能板卡，無(wú)需更換系統(tǒng)，即可延長(zhǎng)系統(tǒng)的壽命，增強(qiáng)系統(tǒng)功能，又改善系統(tǒng)性能。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機(jī)載分布式采集系統(tǒng)由系統(tǒng)交換板、通信編碼板、總線(xiàn)底板、功能板卡（含存儲(chǔ)板）和電源板等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 機(jī)載分布式采集系統(tǒng)

圖1中系統(tǒng)交換板作為系統(tǒng)核心，采用光纖連接最多達(dá)32個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，以此把其他采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付ü?jié)點(diǎn)組幀輸出，并負(fù)責(zé)網(wǎng)口下載配置文件，協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作；通信編碼板實(shí)現(xiàn)功能板卡數(shù)據(jù)采集，連接系統(tǒng)交換板傳輸數(shù)據(jù)，若用戶(hù)定義為PCM輸出，則按照指定格柵組幀輸出PCM流；底板總線(xiàn)用于連接功能板卡和通信編碼板，每個(gè)功能板卡分配到一個(gè)完整的1.25 Gb/s高速收發(fā)接口，可滿(mǎn)足高清圖像數(shù)據(jù)傳輸。各種功能板卡支持標(biāo)準(zhǔn)底板總線(xiàn)接口定義，可按照需求配置板卡種類(lèi)和數(shù)量。手動(dòng)控制接口可手動(dòng)模式開(kāi)啟記錄。

2.1 系統(tǒng)交換板

由于飛機(jī)上條件惡劣，要求系統(tǒng)耐沖擊振動(dòng)、硬件工作溫度范圍寬、機(jī)上電源負(fù)荷有限，要求設(shè)備功耗低，選用了FPGA集成高速收發(fā)接口為主控器。FPGA具有以下幾方面的顯著特點(diǎn)符合該系統(tǒng)設(shè)計(jì)：集成度高，一片F(xiàn)PGA集成32通道高速收發(fā)接口、千兆網(wǎng)接口、數(shù)據(jù)交換管理等相關(guān)邏輯功能；功耗低，芯片采用28 nm工藝，在32通道高速收發(fā)器全工作的條件下約7 W功耗，只需外加一個(gè)小型散熱裝置；采用電路板、面板一體化設(shè)計(jì)，有著極好的抗震性和抗沖擊性；并且通過(guò)光電耦合器接入外部控制信號(hào)手動(dòng)控制系統(tǒng)工作啟停?？刂葡到y(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)交換板組成

2.2 通信編碼板

通信編碼板設(shè)計(jì)是依托底板總線(xiàn)為基礎(chǔ)，分別給8個(gè)功能板卡和外部光纖接口分配獨(dú)立高速收發(fā)口，根據(jù)功能板卡種類(lèi)和數(shù)量的配置，通信控制板接收各個(gè)板卡數(shù)據(jù)，并發(fā)送到系統(tǒng)交換板。

若通信編碼板定義為采編器，則通過(guò)系統(tǒng)交換板接收其他采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，按照格柵文件組幀輸出。組成如圖3所示。

圖3 通信編碼板組成

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件流程

由于FPGA開(kāi)發(fā)復(fù)雜，所需軟件開(kāi)發(fā)以在A(yíng)ltera自帶軟核Nios Ⅱ基礎(chǔ)上[5]，采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。用戶(hù)在PC 機(jī)上設(shè)計(jì)程序，并利用下載工具固化到FLASH。軟件基本流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

主結(jié)構(gòu)函數(shù)部分代碼如下：

int main（）

{

unsigned char Flag， Flag_Reecord；

LineeStruct LineeStruct；

InitUserData（&LineeStruct）； //初始化參數(shù)

DelyMs（1000）；

LineeStruct.LocalWorkMod=BUILD_BOARD_TEST；

//板卡自檢

For（；；）

{

if（LineeStruct.LocalWorkMod==BUILD_BOARD_TEST）

{

Flag=GetBoardStatus（）；

If（Flag==1）

LineeStruct.LocalWorkMod= BUILD_BOX_TEST；

Else

SystemError（）；

}

if（LineeStruct.LocalWorkMod==BUILD_BOX_TEST）

{

Flag=GetBoardStatus（）；

If（Flag==1）

LineeStruct.LocalWorkMod= Work_Normal；

Else

SystemError（）；

}

if（LineeStruct.LocalWorkMod== Work_Normal）

{ If（Flag_Reecord==1）

SaveData（）；

} }

return 0；

}

3.2 系統(tǒng)上電自檢

系統(tǒng)上電自檢主要保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，防止多個(gè)節(jié)點(diǎn)的板卡或者節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障影響試驗(yàn)任務(wù)，依據(jù)制定的應(yīng)答協(xié)議，完成從采集箱內(nèi)部功能板卡到采集系統(tǒng)的上電初始化自檢。如果全部通過(guò)自檢，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)；反之，則報(bào)錯(cuò)，引入人為干預(yù)[6]。

4 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集32個(gè)采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)支持8個(gè)功能板卡工作，可實(shí)時(shí)記錄8路視頻信號(hào)和多路其他傳感器信號(hào)，所采集數(shù)據(jù)組幀輸出并記錄。經(jīng)測(cè)試，在圖像編碼在約5 Mb/s情況下，對(duì)于一個(gè)250 GB的硬盤(pán)（進(jìn)行了加固防震處理），系統(tǒng)可以連續(xù)記錄8路標(biāo)清圖像信號(hào)和其他傳感器信號(hào)時(shí)間約1 h，可以看出該系統(tǒng)在記錄時(shí)間上明顯優(yōu)于目前國(guó)內(nèi)的一些數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)。本系統(tǒng)不僅適用于試驗(yàn)吊艙設(shè)備測(cè)試，還適用于飛機(jī)研制及試飛，具有較強(qiáng)的使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 夏南銀.航天測(cè)控系統(tǒng)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

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[6] 夏喜龍，周嘉賓.機(jī)載應(yīng)答機(jī)BIT設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2013（23）：159?160.