基于POWER PC+FPGA架構(gòu)的飛行試驗(yàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：飛行試驗(yàn)振動(dòng)信號(hào)具有采樣率高、數(shù)據(jù)量大、處理復(fù)雜的特點(diǎn)，在現(xiàn)有條件下，通過(guò)遙測(cè)鏈路很難將大量的振動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至地面監(jiān)控系統(tǒng)。針對(duì)試飛測(cè)試的需要，結(jié)合某型號(hào)的試飛關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究，突破試飛振動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)被試飛機(jī)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，將分析結(jié)果實(shí)時(shí)發(fā)送至地面監(jiān)控系統(tǒng)，以減小遙測(cè)傳輸帶寬，真正實(shí)現(xiàn)高采樣信號(hào)振動(dòng)數(shù)據(jù)的遙測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：試飛測(cè)試；FPGA；實(shí)時(shí)監(jiān)控；振動(dòng)處理

0 引言
    在飛行試驗(yàn)過(guò)程中，飛行試驗(yàn)安全監(jiān)控對(duì)飛行試驗(yàn)的安全起著至關(guān)重要的作用。飛行試驗(yàn)本身具有相當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)性，危及飛機(jī)和試飛員安全的因素錯(cuò)綜復(fù)雜、涉及面廣，不但包含飛機(jī)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(jī)務(wù)人員、安全救護(hù)員等不能做出及時(shí)響應(yīng)。特別是近幾年隨著航空技術(shù)的飛速發(fā)展，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、可靠性問(wèn)題也日益突出，帶來(lái)的問(wèn)題是飛機(jī)故障率增高、維護(hù)難度加大。而結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題90％是由振動(dòng)導(dǎo)致或與振動(dòng)有關(guān)。振動(dòng)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(jī)器部件，減少使用壽命，甚至危及飛行安全。
    由于振動(dòng)信號(hào)具有采樣率高、數(shù)據(jù)量大、處理復(fù)雜的特點(diǎn)，通過(guò)遙測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)很難傳輸大量的振動(dòng)參數(shù)。近幾年對(duì)振動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行了一定的探索和研究，通過(guò)遙測(cè)鏈路將機(jī)載振動(dòng)數(shù)據(jù)傳到地面，在地面遙測(cè)數(shù)據(jù)處理站對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和實(shí)時(shí)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(hào)試飛測(cè)試的需要，在關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目中通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行機(jī)上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，將分析結(jié)果實(shí)時(shí)發(fā)送至地面監(jiān)控系統(tǒng)，以減小遙測(cè)傳輸帶寬，真正實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的遙測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 國(guó)內(nèi)外所采用的方法分析
    縱觀國(guó)外飛機(jī)試飛情況，無(wú)論是空客的A380，A330，A400M還是波音787，在試飛過(guò)程中都非常重視振動(dòng)參數(shù)的測(cè)量，為了使得飛機(jī)的各部位振動(dòng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，在飛機(jī)設(shè)計(jì)的時(shí)候就已經(jīng)在地面建設(shè)了“地面振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)”。而對(duì)于試飛驗(yàn)證階段的振動(dòng)監(jiān)控更加重視，通過(guò)專用的振動(dòng)、應(yīng)變實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)對(duì)所關(guān)心的振動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
    我院在研制某型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)試飛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)時(shí)，采用軟件技術(shù)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分析處理，可以實(shí)時(shí)處理2路振動(dòng)參數(shù)，基本解決了該飛機(jī)試飛振動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理需求，但是由于遙測(cè)帶寬的限制，導(dǎo)致還有一部分振動(dòng)參數(shù)被取消或降低需求，另外通過(guò)遙測(cè)傳輸和軟件處理也存在跳點(diǎn)多、時(shí)間延遲大的問(wèn)題。

2 基于POWER PC+FPGA架構(gòu)的實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)
    據(jù)估計(jì)，在某型運(yùn)輸機(jī)試飛中，振動(dòng)、應(yīng)變參數(shù)將多達(dá)數(shù)百個(gè)，需要實(shí)時(shí)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(wú)法滿足該型號(hào)飛機(jī)試飛對(duì)振動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)處理的要求。針對(duì)該型號(hào)的試飛需求，在該型號(hào)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目中提出了采用嵌入式處理器+FPGA架構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)振動(dòng)信號(hào)機(jī)載實(shí)時(shí)處理單元，在機(jī)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的工程量轉(zhuǎn)換、信號(hào)實(shí)時(shí)分析處理及高速存儲(chǔ)，將處理結(jié)果重新編碼后送機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)遙測(cè)發(fā)送，最終實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的地面遙測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)控。
2．1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1．1 硬件工作原理
    硬件部分包括機(jī)載高采樣實(shí)時(shí)處理單元硬件和地面遙測(cè)分析單元硬件，前者主要由嵌入式計(jì)算機(jī)、FPGA分析單元和系統(tǒng)配置裝置構(gòu)成，后者是一臺(tái)數(shù)據(jù)分析工作站。嵌入式計(jì)算機(jī)選用400 MHz處理器芯片，10／100 MBase-T以太網(wǎng)口，配以200萬(wàn)FPGA邏輯門陣列用于實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)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(guò)網(wǎng)絡(luò)接口完成對(duì)機(jī)載高采樣實(shí)時(shí)處理單元的系統(tǒng)配置。振動(dòng)原始信號(hào)流由以太網(wǎng)口輸入，嵌入式系統(tǒng)完成振動(dòng)數(shù)據(jù)流的解包后將數(shù)據(jù)通過(guò)DMA方式直接傳輸至FPGA實(shí)時(shí)處理芯片，由FPGA模塊完成實(shí)時(shí)在線的振動(dòng)數(shù)據(jù)分析處理工作：工程量轉(zhuǎn)換、頻譜分析、時(shí)域統(tǒng)計(jì)量計(jì)算等，分析處理完后通過(guò)DMA方式傳送至嵌入式計(jì)算機(jī)的DRAM中，嵌入式計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)發(fā)送工作。硬件原理示意圖如圖1所示。

2．1．2 接口設(shè)計(jì)
    振動(dòng)信號(hào)的信號(hào)電纜、供電電源電纜接口設(shè)計(jì)按符合MIL-C-38999 I系列航空電連接器設(shè)計(jì)。提供信號(hào)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(jì)
    (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(wàn)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(jì)及元件組成如圖2所示。

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    (2)功能
    POWER PC核心CPU，內(nèi)置VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，負(fù)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(shí)時(shí)信號(hào)分析算法。
2．2 實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    機(jī)載振動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理單元開機(jī)后，軟件自動(dòng)運(yùn)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(jìn)行下一步工作，同時(shí)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(jìn)入循環(huán)連續(xù)的數(shù)據(jù)接收、分析處理與存儲(chǔ)程序，同時(shí)處理后的信號(hào)發(fā)送至機(jī)載數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。
    高采樣實(shí)時(shí)處理單元軟件在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下運(yùn)行，使用NI公司的圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW RT、高級(jí)信號(hào)處理包、噪聲振動(dòng)信號(hào)處理包和基于賽靈思公司Xilinx ISE FPGA開發(fā)模塊編制完成。機(jī)載高采樣實(shí)時(shí)處理單元配置軟件全部操作采用圖形化的人機(jī)界面，能方便、直接、快速完成機(jī)載系統(tǒng)的配置。
    機(jī)載高采樣實(shí)時(shí)處理單元軟件流程如圖3所示。

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    軟件采用模塊化設(shè)計(jì)的思想，以功能來(lái)劃分各個(gè)不同的子模塊，主要子模塊完成的功能及實(shí)現(xiàn)方法描述如下：
2．2．1 實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)
    實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊運(yùn)用于機(jī)載高采樣實(shí)時(shí)處理單元中，完成基于實(shí)時(shí)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收及發(fā)送工作。
    實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊程序算法及邏輯流程圖如圖4所示。
2．2．2 振動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流解包打包模塊設(shè)計(jì)
    該模塊運(yùn)用于機(jī)載高采樣實(shí)時(shí)處理單元中，依據(jù)任務(wù)需求，本系統(tǒng)可同時(shí)完成12個(gè)動(dòng)態(tài)通道的振動(dòng)數(shù)據(jù)接收和解包，同時(shí)兼顧將分析處理結(jié)果按輸入的數(shù)據(jù)格式輸出。
    振動(dòng)數(shù)據(jù)流解包打包模塊算法及流程圖如圖5所示。

2．2．3 實(shí)時(shí)振動(dòng)分析處理模塊設(shè)計(jì)
    由板載的FPGA邏輯門陣列完成基于硬件級(jí)的數(shù)據(jù)分析處理工作：數(shù)據(jù)工程量轉(zhuǎn)換、可任意選擇不小于12通道，由板載FPGA完成自定義頻率分辨率實(shí)時(shí)振動(dòng)頻譜分析；由板載PFGA完成自定義多個(gè)關(guān)鍵單頻點(diǎn)、頻域帶通范圍振動(dòng)能量及時(shí)域統(tǒng)計(jì)量分析。
    實(shí)時(shí)振動(dòng)分析處理模塊流程及算法如圖6所示。
    時(shí)域參數(shù)分析處理算法實(shí)現(xiàn)：提取原始振動(dòng)信號(hào)的有效值、峰值、峭度、峰值指標(biāo)、裕度指標(biāo)和脈沖指標(biāo)等，最能反映飛機(jī)飛行振動(dòng)狀態(tài)的時(shí)域指標(biāo)。
2．2．4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)
    實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊運(yùn)用于機(jī)載高采樣實(shí)時(shí)處理單元中，用于存儲(chǔ)在測(cè)試過(guò)程中記錄的振動(dòng)數(shù)據(jù)，根據(jù)測(cè)試需求用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的空間不小于4 GB。
    實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊算法及流程圖如圖7所示。

2．2．5 配置及數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊設(shè)計(jì)
    通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口，配置及數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊完成對(duì)機(jī)載高采樣實(shí)時(shí)處理單元的系統(tǒng)設(shè)置工作：選擇遙測(cè)分析的通道、設(shè)定頻帶范圍、譜線精度、時(shí)域統(tǒng)計(jì)參數(shù)配置以及系統(tǒng)設(shè)置的各項(xiàng)配置參數(shù)；選擇需要導(dǎo)出的數(shù)據(jù)文件，完成數(shù)據(jù)導(dǎo)出工作。
    配置及數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊算法及流程圖如圖8所示。

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    頻域分析設(shè)置圖形用戶接口界面如圖9所示。

    數(shù)據(jù)顯示模塊圖形用戶接口界面如圖10所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)
    可靠實(shí)時(shí)的完成高速振動(dòng)PCM流信號(hào)的接收、解包、分析和存儲(chǔ)成為機(jī)載高采樣實(shí)時(shí)處理單元需要解決的關(guān)鍵性技術(shù)，地面遙測(cè)分析單元的關(guān)鍵在于如何運(yùn)用有效的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得出可信有效的振動(dòng)分析結(jié)果。在該處理單元的研制中，突破了以下幾方面的關(guān)鍵技術(shù)。
3．1 基于實(shí)時(shí)系統(tǒng)高速振動(dòng)數(shù)據(jù)流信號(hào)的輸入輸出技術(shù)
    由嵌人式實(shí)時(shí)系統(tǒng)完成高速振動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流信號(hào)的接收及處理數(shù)據(jù)流的發(fā)送，在網(wǎng)絡(luò)帶寬允許的情況下，嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)精確的定時(shí)精度保證了基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c可快速性。
3．2 基于FPGA平臺(tái)的多通道實(shí)時(shí)并行頻譜計(jì)算及數(shù)據(jù)分析技術(shù)
    由于采用基于FPGA邏輯門陣列為數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，從而確保系統(tǒng)整個(gè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間在微秒級(jí)的量級(jí)，從而保證大批量數(shù)據(jù)處理不會(huì)成為系統(tǒng)的瓶頸，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
3．3 振動(dòng)信號(hào)分析處理技術(shù)
    通過(guò)使用各種頻域分析、時(shí)域分析及時(shí)頻域分析技術(shù)，同時(shí)結(jié)合型號(hào)試飛的需求以及在振動(dòng)分析處理方面積累的經(jīng)驗(yàn)和分析處理方法，形成了滿足飛行試驗(yàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)分析方法。

4 結(jié)語(yǔ)
    飛行試驗(yàn)振動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)控迄今為止僅在某型直升機(jī)槳葉測(cè)振中進(jìn)行，而且效果很不理想。本文所采用的方法可以實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且可以針對(duì)不同科目的不同需求，在飛行前進(jìn)行配置加載，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)算法的選擇、通道數(shù)量的選擇以及所監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的結(jié)果形式的選擇。該項(xiàng)目不僅使用于飛行試驗(yàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)可以擴(kuò)展到航天、艦船以及航空工業(yè)其他領(lǐng)域中。作為裝機(jī)的機(jī)載測(cè)試設(shè)備，工程化后還能夠?yàn)樵囷w院帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。