機載分布式采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

何華琴

摘 要： 在新型飛機試飛或者空中實驗設備驗證時，需要記錄大量飛行過程中的各種模擬量、開關量、總線數(shù)據(jù)和圖像等信息，這些數(shù)據(jù)將被用于開展事后分析工作，以便對實驗結(jié)果進行評估。詳細的數(shù)據(jù)信息記錄將會越有利于相關模型的建立，然而受制于傳統(tǒng)機載采集拓撲方式布局和總線帶寬的限制，往往不能實現(xiàn)對多數(shù)據(jù)源進行高采樣的信息收集、傳輸和存儲。針對該問題提出一套基于可擴展機載分布式采集的系統(tǒng)設計方案，該方案支持擴展多達32個采集節(jié)點，同時在消除數(shù)據(jù)傳輸瓶頸的基礎上，支持全路采樣不間斷存儲時間約1 h。實驗證明，該方案滿足飛機或設備研發(fā)建模過程對于收集數(shù)據(jù)的應用需求。

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

中圖分類號： TN602?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0045?03

0 引 言

隨著數(shù)字電路集成化技術和高速串行總線技術的發(fā)展，分布式采集系統(tǒng)在航空領域得到了廣泛應用。機載分布式采集系統(tǒng)擺脫了傳統(tǒng)采集設備間點對點連接布線復雜、改造困難、電磁兼容差的局面[1]，提出每個節(jié)點采用統(tǒng)一規(guī)范的功能板卡，節(jié)點間可用光纖連接，簡化了飛機布線以及任務配置更改。分布式采集系統(tǒng)可以按照試驗需求配置各種功能板卡，如模擬量、開關量、圖像編碼、RS 422、以太網(wǎng)、1553B、存儲板等板卡[2]，分別在飛機或者吊艙指定安裝點布局采集箱，再由光纖連接多個采集箱組網(wǎng)，可便捷地安裝不同功能的傳感器，實現(xiàn)飛機或吊艙內(nèi)試驗設備數(shù)據(jù)記錄和傳輸，為及時直觀評估飛機或試驗設備效果、意外事故調(diào)查分析提供依據(jù)，對于改進和提高飛機或試驗設備性能具有十分重要的作用[3]。

1 系統(tǒng)功能及要求

機載分布式采集系統(tǒng)可支持 1～32個采集箱，每個采集箱最多8個功能板卡，每個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，試驗數(shù)據(jù)也可存儲在記錄載體上[4]。

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

（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)試驗需求編程；

（2） 可靠性：設計后的系統(tǒng)應該滿足振動、加速度、沖擊和電磁兼容的要求；

（3） 可升級：面對新技術、新設備的不斷涌現(xiàn)，系統(tǒng)具有很強的兼容性。

根據(jù)系統(tǒng)要求搭建平臺，可按照標準功能板卡接口設計新的功能板卡，無需更換系統(tǒng)，即可延長系統(tǒng)的壽命，增強系統(tǒng)功能，又改善系統(tǒng)性能。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

圖1 機載分布式采集系統(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32個采集節(jié)點，以此把其他采集節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付ü?jié)點組幀輸出，并負責網(wǎng)口下載配置文件，協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作；通信編碼板實現(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)，若用戶定義為PCM輸出，則按照指定格柵組幀輸出PCM流；底板總線用于連接功能板卡和通信編碼板，每個功能板卡分配到一個完整的1.25 Gb/s高速收發(fā)接口，可滿足高清圖像數(shù)據(jù)傳輸。各種功能板卡支持標準底板總線接口定義，可按照需求配置板卡種類和數(shù)量。手動控制接口可手動模式開啟記錄。

2.1 系統(tǒng)交換板

由于飛機上條件惡劣，要求系統(tǒng)耐沖擊振動、硬件工作溫度范圍寬、機上電源負荷有限，要求設備功耗低，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符合該系統(tǒng)設計：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，只需外加一個小型散熱裝置；采用電路板、面板一體化設計，有著極好的抗震性和抗沖擊性；并且通過光電耦合器接入外部控制信號手動控制系統(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

通信編碼板設計是依托底板總線為基礎，分別給8個功能板卡和外部光纖接口分配獨立高速收發(fā)口，根據(jù)功能板卡種類和數(shù)量的配置，通信控制板接收各個板卡數(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，則通過系統(tǒng)交換板接收其他采集節(jié)點數(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)軟件設計

3.1 軟件流程

由于FPGA開發(fā)復雜，所需軟件開發(fā)以在Altera自帶軟核Nios Ⅱ基礎上[5]，采用C語言開發(fā)應用程序。用戶在PC 機上設計程序，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)的可靠運行，防止多個節(jié)點的板卡或者節(jié)點出現(xiàn)故障影響試驗任務，依據(jù)制定的應答協(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。如果全部通過自檢，系統(tǒng)進入工作狀態(tài)；反之，則報錯，引入人為干預[6]。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集32個采集節(jié)點數(shù)據(jù)，每個節(jié)點支持8個功能板卡工作，可實時記錄8路視頻信號和多路其他傳感器信號，所采集數(shù)據(jù)組幀輸出并記錄。經(jīng)測試，在圖像編碼在約5 Mb/s情況下，對于一個250 GB的硬盤（進行了加固防震處理），系統(tǒng)可以連續(xù)記錄8路標清圖像信號和其他傳感器信號時間約1 h，可以看出該系統(tǒng)在記錄時間上明顯優(yōu)于目前國內(nèi)的一些數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)。本系統(tǒng)不僅適用于試驗吊艙設備測試，還適用于飛機研制及試飛，具有較強的使用價值和經(jīng)濟價值。

參考文獻

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

[2] 周明光，晏衛(wèi)東，隋景輝，等.分布式機載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].數(shù)據(jù)采集與處理.1999（2）：230?233.

[3] 劉玉，丁賢澄.機載多路視頻的記錄和回放[J].電光與控制，1996（3）：23?25.

[4] 姚遠，張曉林.基于DSP和FPGA的機載高清實時視頻編碼器設計[J].遙測遙控，2009，30（5）：124?127.

[5] 萬里，李剛，林凌.基于NIOS Ⅱ的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].新技術新工藝，2009（3）：32?35.

[6] 夏喜龍，周嘉賓.機載應答機BIT設計[J].電子技術與軟件工程，2013（23）：159?160.