FPGA+POWER PC架構(gòu)的實時飛行試驗振動數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

引言

在飛行試驗過程中，飛行試驗安全監(jiān)控對飛行試驗的安全起著至關(guān)重要的作用。飛行試驗本身具有相當(dāng)?shù)娘L(fēng)險性，危及飛機和試飛員安全的因素錯綜復(fù)雜、涉及面廣，不但包含飛機本身的因素，還包括許多外界條件。由于不安全事件的突發(fā)性，往往使得試飛員、地面指揮員、機務(wù)人員、安全救護員等不能做出及時響應(yīng)。

特別是近幾年隨著航空技術(shù)的飛速發(fā)展，飛機的結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)強度、可靠性問題也日益突出，帶來的問題是飛機故障率增高、維護難度加大。而結(jié)構(gòu)強度問題90%是由振動導(dǎo)致或與振動有關(guān)。振動出現(xiàn)異常，其結(jié)果輕則引起飛行員情緒緊張影響操作;重則損傷機器部件，減少使用壽命，甚至危及飛行安全。

由于振動信號具有采樣率高、數(shù)據(jù)量大、處理復(fù)雜的特點，通過遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)很難傳輸大量的振動參數(shù)。近幾年對振動信號實時監(jiān)控技術(shù)進行了一定的探索和研究，通過遙測鏈路將機載振動數(shù)據(jù)傳到地面，在地面遙測數(shù)據(jù)處理站對數(shù)據(jù)進行分析和實時監(jiān)控。由于前期所作的研究受到各種條件的限制，效果不太理想，因此結(jié)合某型號試飛測試的需要，在關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項目中通過對振動信號進行機上的實時數(shù)據(jù)分析，將分析結(jié)果實時發(fā)送至地面監(jiān)控系統(tǒng)，以減小遙測傳輸帶寬，真正實現(xiàn)振動信號的遙測實時監(jiān)控。

1 國內(nèi)外所采用的方法分析

縱觀國外飛機試飛情況，無論是空客的A380，A330，A400M還是波音787，在試飛過程中都非常重視振動參數(shù)的測量，為了使得飛機的各部位振動指標(biāo)滿足設(shè)計要求，在飛機設(shè)計的時候就已經(jīng)在地面建設(shè)了“地面振動測試系統(tǒng)”。而對于試飛驗證階段的振動監(jiān)控更加重視，通過專用的振動、應(yīng)變實時處理系統(tǒng)對所關(guān)心的振動點進行實時監(jiān)測。我院在研制某型直升機傳動系統(tǒng)振動試飛實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)時，采用軟件技術(shù)對振動信號進行了分析處理，可以實時處理2路振動參數(shù)，基本解決了該飛機試飛振動數(shù)據(jù)實時處理需求，但是由于遙測帶寬的限制，導(dǎo)致還有一部分振動參數(shù)被取消或降低需求，另外通過遙測傳輸和軟件處理也存在跳點多、時間延遲大的問題。

2 基于POWER PC+FPGA架構(gòu)的實時分析系統(tǒng)

據(jù)估計，在某型運輸機試飛中，振動、應(yīng)變參數(shù)將多達數(shù)百個，需要實時監(jiān)控的參數(shù)有數(shù)十路。按照傳統(tǒng)的技術(shù)和方法，無法滿足該型號飛機試飛對振動信號實時處理的要求。針對該型號的試飛需求，在該型號關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項目中提出了采用嵌入式處理器+FPGA架構(gòu)來設(shè)計振動信號機載實時處理單元，在機上實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的工程量轉(zhuǎn)換、信號實時分析處理及高速存儲，將處理結(jié)果重新編碼后送機載測試系統(tǒng)遙測發(fā)送，最終實現(xiàn)振動信號的地面遙測實時監(jiān)控。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 硬件工作原理

硬件部分包括機載高采樣實時處理單元硬件和地面遙測分析單元硬件，前者主要由嵌入式計算機、FPGA分析單元和系統(tǒng)配置裝置構(gòu)成，后者是一臺數(shù)據(jù)分析工作站。嵌入式計算機選用400 MHz處理器芯片，10/100 MBase-T以太網(wǎng)口，配以200萬FPGA邏輯門陣列用于實現(xiàn)對振動信號采集、處理、分析等工作，系統(tǒng)配置裝置采用筆記本電腦通過網(wǎng)絡(luò)接口完成對機載高采樣實時處理單元的系統(tǒng)配置。

振動原始信號流由以太網(wǎng)口輸入，嵌入式系統(tǒng)完成振動數(shù)據(jù)流的解包后將數(shù)據(jù)通過DMA方式直接傳輸至FPGA實時處理芯片，由FPGA模塊完成實時在線的振動數(shù)據(jù)分析處理工作：工程量轉(zhuǎn)換、頻譜分析、時域統(tǒng)計量計算等，分析處理完后通過DMA方式傳送至嵌入式計算機的DRAM中，嵌入式計算機完成數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)發(fā)送工作。硬件原理示意圖如圖1所示。

圖1　機載高采樣實時處理單元硬件原理

2.1.2 接口設(shè)計

振動信號的信號電纜、供電電源電纜接口設(shè)計按符合MIL-C-38999 I系列航空電連接器設(shè)計。提供信號電纜的接口、電源接口以及網(wǎng)絡(luò)接口。所有接口以航空電連接器的形式提供。

2.1.3 核心硬件設(shè)計

(1)硬件核心邏輯原理結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件核心部分由400 MHz處理器芯片，200萬門FPGA芯片及以太網(wǎng)接口芯片及串行通信芯片組成。系統(tǒng)硬件邏輯結(jié)構(gòu)、輸出硬件數(shù)據(jù)流邏輯原理設(shè)計及元件組成如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)硬件邏輯原理設(shè)計及元件組成示意圖

(2)功能

POWER PC核心CPU，內(nèi)置VxWorks實時操作系統(tǒng)，負責(zé)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口、串行通信接口。Xilinx FPGA芯片，完成自定義FFT頻譜分析及實時信號分析算法。

2.2 實時處理系統(tǒng)軟件設(shè)計

機載振動數(shù)據(jù)實時處理單元開機后，軟件自動運行，首先完成系統(tǒng)的自檢，判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如果正常則進行下一步工作，同時將設(shè)備面板的“工作正常”指示燈閃爍，反之不閃爍。系統(tǒng)正常后，軟件進入循環(huán)連續(xù)的數(shù)據(jù)接收、分析處理與存儲程序，同時處理后的信號發(fā)送至機載數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

高采樣實時處理單元軟件在實時操作系統(tǒng)下運行，使用NI公司的圖形化編程語言LabVIEW RT、高級信號處理包、噪聲振動信號處理包和基于賽靈思公司Xilinx ISE FPGA開發(fā)模塊編制完成。機載高采樣實時處理單元配置軟件全部操作采用圖形化的人機界面，能方便、直接、快速完成機載系統(tǒng)的配置。

機載高采樣實時處理單元軟件流程如圖3所示。

圖3機載高采樣實時處理單元軟件流程圖

軟件采用模塊化設(shè)計的思想，以功能來劃分各個不同的子模塊。

2.2.1 實時網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計