機載多傳感器數據采集與處理軟件設計

郭玉潔，繆煒濤，劉濤瑜，李昊昱，鄭 濤

（中國航空工業集團公司 西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

增雨機大氣探測系統作為增雨機任務系統的一個重要子系統，主要任務是完成復雜氣象粒子數據和飛機飛行參數的實時采集、顯示、存儲、回放以及對多種氣象傳感器的參數配置功能[1]。被采集的氣象數據經過解析處理，將外部環境中云粒子形狀、濃度、分布狀況以及其他信息綜合顯示在座艙操作控制臺的顯示器上，可以幫助空中作業人員進行分析判斷，以完成增雨任務播撒的作業[2-6]。本文提出了一種機載多傳感器的數據處理采集與處理軟件設計方法，針對多傳感器數據采集與處理過程中遇到的通信失效和處理速度慢等問題，提出了網絡通信狀態檢測方案，并應用于機載大氣探測系統軟件設計中。

1 軟件功能需求分析

機載多傳感器數據采集與處理軟件應能夠與多種氣象進行交互，采集氣象探頭數據，發送氣象探頭控制命令，實現對探頭的控制。機載傳感器的接口參數如表1所示。

表1 探頭接口參數

首先，軟件應能夠完成對多傳感器數據的采集與處理，其中包括多傳感器數據收發、用戶自定義解析操作以及用戶指令控制，主要指令有采樣、記錄以及回放等[4]。其次，軟件應能夠檢測多傳感器數據通信狀態，判定傳感器類型，并進行通信失效告警[7-10]。最后，軟件應具備主從控制機制。

2 系統組成

機載多傳感器系統數據量大，對實時性和可靠性要求高，故采用分布式體系架構，將不同系統功能分配到不同的高性能計算機上，組合完成各種系統功能，以保證系統的實時性與可靠性。大氣探測系統由顯控計算機、探測信息處理機、氣象數據接入設備、千兆以太網交換機、水含量轉換器以及氣象傳感器等部分構成，系統模塊之間通過以太網、串口及總線進行數據通信，系統組成如圖1所示。

圖1 大氣探測系統組成

其中，顯控計算機具有雙獨立顯示輸出端口，具有靈活、多樣且可擴展的外部接口，實現系統的數據處理及信息顯示功能。該計算機具備高速以太網接口、USB接口以及CAN總線接口。氣象數據接入設備包含數據采集處理模塊、擴展接口模塊以及電源模塊，采用嵌入式操作系統實時完成對多路傳感器數據的采集與轉發。探測信息處理機通過以太網接收探頭數據，實現數據采集轉發和本地保存功能。該計算機具備以太網接口、USB接口及串口。千兆以太網交換機具備10M、100M以及1 000M自適應以太網高速數據交換功能，包含高速以太網接口和M12光纖接口。水含量轉換器含有一個采集模塊，用于采集16路模擬量，在模數變換后，通過水含量轉換器的微處理器實時計算獲得總水含量和液態水含量，并通過FlexRay總線發送到氣象數據接入設備上。

3 軟件架構設計與實現

3.1 軟件架構設計

根據機載多傳感器數據采集處理軟件的需求分析，軟件采用分層架構，具體如圖2所示。

軟件圖形用戶界面的組成如下。其中功能按鍵操作區由采樣功能、記錄功能、回放功能以及設置功能組成。畫面顯示區詳細顯示從傳感器采集到的各種數據信息，具體由數據顯示區、計數圖、用戶自定義數據顯示區、多變量圖表顯示區、圖像數據顯示區以及參數設置區等部分組成。設置界面完成對軟件顯示界面布局的設置及對數據解算模型參數的設置。

軟件邏輯功能模塊描述如下。在參數輸入與處理模塊設置基本參數和解析算法模型的參數，并記錄成配置文件保存在本地。數據解析處理模塊讀取本地文件，配置解析模型參數，解算傳感器數據，并判定其合理性。通信狀態監控模塊由定時器周期監控顯控計算機與氣象數據接入設備之間的網絡通信，若3個監控周期沒有數據通信，則判定探測通信失效。主從控制模塊中，在雙顯控計算機冗余配置下，左右顯控計算機之間建立心跳通信，若3個心跳周期內沒有接到對側顯控計算機的心跳數據，則判定左右顯控計算機通信失效，重新分配主機控制權，保證由唯一計算機進行通信控制。

通信模塊采用以太網和串口等方式與硬件之間通信，顯控計算機通過兩種方式接收機載傳感器數據。其中，加駐在氣象數據接入設備上的處理軟件將來自多種氣象傳感器的232串口數據、422串口數據以及429總線數據轉換成以太網格式發送給顯控計算機，該種方式滿足了高可靠性的要求。北斗數據和FCDP數據直接向顯控計算機發送數據，這樣可以滿足高實時性的要求。

軟件的數據源為以太網上傳的實時數據和本地記錄的數據文件。

3.2 軟件實現

本軟件在Windows10操作系統下進行了基于Qt的軟件開發，開發語言是C++，機載多傳感器數據處理顯示軟件在顯控計算機上具有直觀的用戶交互界面，實時顯示測量數據、圖形圖表以及配置參數，同時能夠配置氣象傳感器設備、顯示布局以及解析參數。

軟件的執行過程分為以下幾個步驟。首先，軟件啟動后，執行初始化操作，讀取配置文件并配置軟件各項參數。其次，采樣模式下，主從控制模塊判斷是否與對側顯控計算機建立通信，若建立通信則由左顯控作為主機與氣象數據接入設備交互數據，若未建立通信則由本機作為主機與氣象數據接入設備交互數據。再次，主機通信模塊通過以太網向氣象接入設備發送數據請求指令，氣象數據接入設備將指令通過串口轉發至氣象探頭，氣象探頭通過串口回傳數據至氣象接入設備，并由以太網轉發至顯控計算機軟件。最后，采樣模式下，由定時器每秒檢測Socket是否收到數據，定時器周期向氣象接入設備請求探頭數據，若一個檢測周期內沒收到回傳的數據信息則判定通信失效，并在顯示界面提示通信失效。

4 結 論

本文介紹了一種用于大氣云粒子探測的機載多傳感器數據采集處理軟件設計，具體闡述了系統組成和軟件設計。其能夠根據用戶指令對多種接口機載設備進行實時數據采集處理操作和指令設置操作，具備數據通信狀態檢測和告警功能。經過某型增雨機實際空中探測作業實測可知，本設計能夠滿足增雨機氣象觀測分析、地面數據回放以及氣象探頭參數配置等多種任務模式對多種傳感器數據可靠性和實時性的需求，具有一定的借鑒意義。