機載分布式采集系統的設計與實現

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、總線數據和圖像等信息，這些數據將被用于開展事后分析工作，以便對實驗結果進行評估。詳細的數據信息記錄將會越有利于相關模型的建立，然而受制于傳統機載采集拓撲方式布局和總線帶寬的限制，往往不能實現對多數據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設計方案，該方案支持擴展多達32個采集節點，同時在消除數據傳輸瓶頸的基礎上，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建模過程對于收集數據的應用需求。

關鍵詞： 分布式采集系統； 采集節點； 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

隨著數字電路集成化技術和高速串行總線技術的發展，分布式采集系統在航空領域得到了廣泛應用。機載分布式采集系統擺脫了傳統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]，提出每個節點采用統一規范的功能板卡，節點間可用光纖連接，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、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，可便捷地安裝不同功能的傳感器，實現飛機或吊艙內試驗設備數據記錄和傳輸，為及時直觀評估飛機或試驗設備效果、意外事故調查分析提供依據，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 系統功能及要求

機載分布式采集系統可支持 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，并且可配置系統的格柵，輸出PCM流可直接接入發射機，試驗數據也可存儲在記錄載體上[4]。

機載分布式采集系統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，系統加電后根據設定好的觸發模式工作，比如可以采集起落架的收放信號送入數字量輸入板作為記錄的控制信號，或是RS 422或以太網功能板，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的工作狀態，根據需要發出“開始記錄”、“停止記錄”等相應的指令信息。另外，根據環境要求，如溫度、振動、沖擊加速度和電磁兼容等，及產品的性能要求，設計的系統需要滿足以下幾點：

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

（2） 可靠性：設計后的系統應該滿足振動、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，系統具有很強的兼容性。

根據系統要求搭建平臺，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，即可延長系統的壽命，增強系統功能，又改善系統性能。

2 系統結構

機載分布式采集系統由系統交換板、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，其結構如圖1 所示。

圖1 機載分布式采集系統

圖1中系統交換板作為系統核心，采用光纖連接最多達32個采集節點，以此把其他采集節點數據傳輸到指定節點組幀輸出，并負責網口下載配置文件，協調整個系統的工作；通信編碼板實現功能板卡數據采集，連接系統交換板傳輸數據，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高速收發接口，可滿足高清圖像數據傳輸。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量。手動控制接口可手動模式開啟記錄。

2.1 系統交換板

由于飛機上條件惡劣，要求系統耐沖擊振動、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集成高速收發接口為主控器。FPGA具有以下幾方面的顯著特點符合該系統設計：集成度高，一片FPGA集成32通道高速收發接口、千兆網接口、數據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工作啟停。控制系統組成框圖如圖2所示。

圖2 系統交換板組成

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口，根據功能板卡種類和數量的配置，通信控制板接收各個板卡數據，并發送到系統交換板。

若通信編碼板定義為采編器，則通過系統交換板接收其他采集節點數據，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 系統軟件設計

3.1 軟件流程

由于FPGA開發復雜，所需軟件開發以在Altera自帶軟核Nios Ⅱ基礎上[5]，采用C語言開發應用程序。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

主結構函數部分代碼如下：

int main（）

{

unsigned char Flag， Flag_Reecord；

LineeStruct LineeStruct；

InitUserData（&LineeStruct）； //初始化參數

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 系統上電自檢

系統上電自檢主要保證系統的可靠運行，防止多個節點的板卡或者節點出現故障影響試驗任務，依據制定的應答協議，完成從采集箱內部功能板卡到采集系統的上電初始化自檢。如果全部通過自檢，系統進入工作狀態；反之，則報錯，引入人為干預[6]。

4 結 語

本系統能夠實時采集32個采集節點數據，每個節點支持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，所采集數據組幀輸出并記錄。經測試，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），系統可以連續記錄8路標清圖像信號和其他傳感器信號時間約1 h，可以看出該系統在記錄時間上明顯優于目前國內的一些數據采集記錄系統。本系統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濟價值。

參考文獻

[1] 夏南銀.航天測控系統[M].北京：國防工業出版社，2002.

[2] 周明光，晏衛東，隋景輝，等.分布式機載數據采集系統[J].數據采集與處理.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的數據采集系統[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.