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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 机载分布式采集系统的设计与实现-电气论文机载分布式采集系统的设计与实现 何华琴（国网泉州供电公司,福建泉州 362000 ）摘要：在新型飞机试飞或者空中试验设备验证时,需要记录大量飞行过程 中的各种模拟量、开关量、总线数据和图像等信息,这些数据将被用于开展事 后分析工作,以便对试验结果进行评估；具体的数据信息记录将会越有利于相 关模型的建立,然而受制于传统机载采集拓扑方式布局和总线带宽的限制,往 往不能实现对多数据源进行高采样的信息收集、传输和储备；针对该问题提出 一套基于可扩展机载分布式采集的系统设计方案,该方案支持扩展多达 32 个 采集节
2、点,同时在排除数据传输瓶颈的基础上,支持全路采样不间断储备时间 约 1 h；试验证明,该方案满意飞机或设备研发建模过程对于收集数据的应用 需求；关键词 ：分布式采集系统；采集节点；高速串行总线；通信编码板中图分类号：TN602.34 文献标识码：A 文章编号： 1004.373X（2022 ）14.0045.03 收稿日期： 2022.12.20 0 引言 随着数字电路集成化技术和高速串行总线技术的进展,分布式采集系统在 航空领域得到了广泛应用；机载分布式采集系统摆脱了传统采集设备间点对点连接布线复杂、改造困难、电磁兼容差的局面1 ,提出每个节点采纳统一规范的功能板卡,节点间可用光纤连接,简化
3、了飞机布线以及任务配置更换；分布名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 式采集系统可以依据试验需求配置各种功能板卡,如模拟量、开关量、图像编 码、 RS 422 、以太网、 1553B 、储备板等板卡 2 ,分别在飞机或者吊舱指定安 装饰布局采集箱,再由光纤连接多个采集箱组网,可便利地安装不同功能的传 感器,实现飞机或吊舱内试验设备数据记录和传输,为准时直观评估飞机或实 验设备成效、意外事故调查分析供应依据,对于改进和提高飞机或试验设备性 能具有非常重要的作用 3 ； 1 系统功能及要求 132 个采集箱,每个采集箱最多
4、8 个功能板 机载分布式采集系统可支持 卡,每个采集箱可配置任意功能板卡,并且可配置系统的格栅,输出 PCM 流 可直接接入发射机,试验数据也可储备在记录载体上 4 ；机载分布式采集系统具备依据配置格式上电进入工作模式,储备可分为自 2 种启动模式；在自动记录模式中,系统加电后依据设定好的触发模 动和手动 式工作,比如可以采集起落架的收放信号送入数字量输入板作为记录的掌握信 号,或是 RS 422 或以太网功能板,接收地面指令掌握储备启停；也可由手动 模式工作时,利用掌握面板来人为掌握系统的工作状态,依据需要发出“ 开头 记录” 、“ 停止记录” 等相应的指令信息；另外,依据环境要求,如温度、
5、振 动、冲击加速度和电磁兼容等,及产品的性能要求,设计的系统需要满意以下 几点：（1）可编程：系统不仅是格栅配置可编程,而且功能板卡选用也可依据 试验需求编程；（2）牢靠性：设计后的系统应当满意振动、加速度、冲击和电磁兼容的 要求；名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - （3）可升级：面对新技术、新设备的不断涌现,系统具有很强的兼容 性；依据系统要求搭建平台,可依据标准功能板卡接口设计新的功能板卡,无 需更换系统,即可延长系统的寿命,增强系统功能,又改善系统性能； 2 系统结构 机载分布式采集系统由系统交换板、通信编码板、
6、总线底板、功能板卡（含储备板）和电源板等部分组成,其结构如图 1 所示；图 1 中系统交换板作为系统核心,采纳光纤连接最多达 32 个采集节点,以此把其他采集节点数据传输到指定节点组帧输出,并负责网口下载配置文 件,和谐整个系统的工作；通信编码板实现功能板卡数据采集,连接系统交换名师归纳总结 板传输数据,如用户定义为PCM 输出,就依据指定格栅组帧输出PCM 流；底第 3 页,共 8 页板总线用于连接功能板卡和通信编码板,每个功能板卡安排到一个完整的1.25 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - Gb/s 高速收发接口,可满意高清图像数据传输；各种功能板卡
7、支持标准底板总 线接口定义,可依据需求配置板卡种类和数量；手动掌握接口可手动模式开启 记录； 2.1 系统交换板 由于飞机上条件恶劣,要求系统耐冲击振动、硬件工作温度范畴宽、机上电源负荷有限,要求设备功耗低,选用了FPGA 集成高速收发接口为主控器；FPGA 具有以下几方面的显著特点符合该系统设计：集成度高,一片 FPGA 集成 32 通道高速收发接口、千兆网接口、数据交换治理等相关规律功能；功耗低,芯片采纳 28 nm 工艺,在 32 通道高速收发器全工作的条件下约 7 W 功耗,只需外加一个小型散热装置；采纳电路板、面板一体化设计,有着极好的抗震性和抗冲击性；并且通过光电耦合器接入外部掌握
8、信号手动掌握系统工作启停；掌握系统组成框图如图 2 所示； 2.2 通信编码板通信编码板设计是依靠底板总线为基础,分别给8 个功能板卡和外部光纤接口安排独立高速收发口,依据功能板卡种类和数量的配置,通信掌握板接收 各个板卡数据,并发送到系统交换板；名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 如通信编码板定义为采编器,就通过系统交换板接收其他采集节点数据,依据格栅文件组帧输出；组成如图 3 所示； 3 系统软件设计 3.1 软件流程由于 FPGA 开发复杂,所需软件开发以在Altera 自带软核 Nios 基础上5 ,采纳 C
9、语言开发应用程序；用户在PC 机上设计程序,并利用下载工具名师归纳总结 固化到 FLASH；软件基本流程图如图4 所示；第 5 页,共 8 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 3.2 系统上电自检系统上电自检主要保证系统的牢靠运行,防止多个节点的板卡或者节点出现故障影响试验任务,依据制定的应答协议,完成从采集箱内部功能板卡到采集系统的上电初始化自检；假如全部通过自检,系统进入工作状态；反之,就报错,引入人为干预 6 ；名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4 结语本系统能够实时采
10、集 32 个采集节点数据,每个节点支持 8 个功能板卡工作,可实时记录 8 路视频信号和多路其他传感器信号,所采集数据组帧输出并记录；经测试,在图像编码在约5 Mb/s 情形下,对于一个250 GB 的硬盘（进行了加固防震处理）,系统可以连续记录8 路标清图像信号和其他传感器信号时间约 1 h,可以看出该系统在记录时间上明显优于目前国内的一些数据采集 记录系统；本系统不仅适用于试验吊舱设备测试,仍适用于飞机研制及试飞,具有较强的使用价值和经济价值；参考文献 1 夏南银 .航天测控系统 M. 北京：国防工业出版社,2002. 2 周明光,晏卫东,隋景辉,等 处理 .1999 （2）： 230.2
11、33. .分布式机载数据采集系统 J.数据采集与3 刘玉,丁贤澄 .机载多路视频的记录和回放 J.电光与掌握, 1996（3）： 23.25. 4 姚远,张晓林 .基于 DSP 和 FPGA 的机载高清实时视频编码器设计J.遥测遥控, 2022 ,30 （5）： 124.127. 5 万里,李刚,林凌 .基于 NIOS 的数据采集系统 J.新技术新工艺,2022 （3）： 32.35. 6 夏喜龙,周嘉宾 .机载应答机 BIT 设计 J.电子技术与软件工程,2022（23）： 159.160. 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 8 页