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实验设备验证时，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，以便对实验结果进行评估。详细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、传输和存储。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个采集节点，同时在消除数据传输瓶颈的基础上，支持全路采样不间断存储时间约1 h。实验证明，该方案满足飞机或设备研发建模过程对于收集数据的应用需求。

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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（2015）14?0045?03

收稿日期：2014?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发展，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]，提出每个节点采用统一规范的功能板卡，节点间可用光纤连接，简化了飞机布线以及任务配置更改。分布式采集系统可以按照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、存储板等板卡[2]，分别在飞机或者吊舱指定安装点布局采集箱，再由光纤连接多个采集箱组网，可便捷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，为及时直观评估飞机或试验设备效果、意外事故调查分析提供依据，对于改进和提高飞机或试验设备性能具有十分重要的作用[3]。

1 系统功能及要求

机载分布式采集系统可支持1~32个采集箱，每个采集箱最多8个功能板卡，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，试验数据也可存储在记录载体上[4]。

机载分布式采集系统具备按照配置格式上电进入工作模式，存储可分为自动和手动2种启动模式。在自动记录模式中，系统加电后根据设定好的触发模式工作，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控制信号，或是RS 422或以太网功能板，接收地面指令控制存储启停。也可由手动模式工作时，利用控制面板来人为控制系统的工作状态，根据需要发出“开始记录”、“停止记录”等相应的指令信息。另外，根据环境要求，如温度、振动、冲击加速度和电磁兼容等，及产品的性能要求，设计的系统需要满足以下几点：

（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根据试验需求编程；

（2）可靠性：设计后的系统应该满足振动、加速度、冲击和电磁兼容的要求；

（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。

根据系统要求搭建平台，可按照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、总线底板、功能板卡（含存储板）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，采用光纤连接最多达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，协调整个系统的工作；通信编码板实现功能板卡数据采集，连接系统交换板传输数据，若用户定义为PCM输出，则按照指定格栅组帧输出PCM 流；底板总线用于连接功能板卡和通信编码板，每个功能板卡分配到一个完整的1.25 Gb/s高速收发接口，可满足高清图像数据传输。各种功能板卡支持标准底板总线接口定义，可按照需求配置板卡种类和数量。手动控制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、硬件工作温度范围宽、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、数据交换管理等相关逻辑功能；功耗低，芯片采用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；采用电路板、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控制信号手动控制系统工作启停。控制系统组成框图如图2所示。

2.2 通信编码板

通信编码板设计是依托底板总线为基础，分别给8 个功能板卡和外部光纤接口分配独立高速收发口，根据功能板卡种类和数量的配置，通信控制板接收各个板卡数据，并发送到系统交换板。

若通信编码板定义为采编器，则通过系统交换板接收其他采集节点数据，按照格栅文件组帧输出。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 Ⅱ基础上[5]，采用C语言开发应用程序。用户在PC 机上设计程序，并利用下载工具固化到flash。软件基本流程图如图4所示。

3.2 系统上电自检

系统上电自检主要保证系统的可靠运行，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。如果全部通过自检，系统进入工作状态；反之，则报错，引入人为干预[6]。

4 结语

本系统能够实时采集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 情况下，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，还适用于飞机研制及试飞，具有较强的使用价值和经济价值。

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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.分布式机载数据采集系统[J].数据采集与处理.1999（2）：230?233.

[3] 刘玉，丁贤澄.机载多路视频的记录和回放[J].电光与控制，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，2009，30（5）：124?127.

[5] 万里，李刚，林凌.基于NIOS Ⅱ的数据采集系统[J].新技术新工艺，2009（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，2013（23）：159?160.