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1、基于 FPGA 的飞控采集器的设计 周星星 袁刚平 中国飞行试验研究院改装部 摘 要： 文章对机载测试系统中数字飞控采集器的重要性和必要性进行简要分析, 介绍了飞控采集器的总体设计, 对各个板卡的设计和功能进行了阐述, 详细描述了电源模块、控制单元、I/O 输入输出和数据接收单元。关键词： 飞行试验; 飞控计算机; 设计; 作者简介：周星星 (1986, 10-) , 女, 汉族, 陕西榆林, 本科, 工程师, 研究方向:飞机电气设计。Abstract： This paper briefly analyzes the importance and necessity of the digita
2、l flight control collector in the airborne test system, introduces the overall design of the flight control collector, and expounds the design and function of each board card. The power module, control unit, I/O input and output unit and data receiving unit are described in detail.Keyword： flight te
3、st; flight control computer; design; 1 概述飞行试验是在真实的环境条件下对航空装备进行各种鉴定、考核、调试, 对各种航空新技术进行研究和验证1。机载测试是试飞中的一个基础和关键环节, 它的工作直接关系到飞行试验的结果。机载测试系统是指安装在飞机上的测试设备的总称, 它通常包括传感器、信号调节器、数据采集器、机载记录设备、测试时统和 GPS 定位设备等。作为机载测试系统的关键部分, 数字飞控采集器主要用来采集数字飞控数据, 具体包括飞机的各操纵面位置指令、姿态及状态信息等。通过这些数据的分析和处理, 得出与飞机状态相关的若干鉴定结论, 从而为飞机设计的改进提
4、供可靠的依据。同时, 通过遥测传输系统将与飞行安全有关的数据实时传送至地面安全监控中心, 地面指挥员能够严密监控所关注的飞行数据, 一旦出现危及飞机安全的状态, 能够迅速做出决策并指挥。因此, 数字飞控采集器在飞机的飞行试验过程中具有非常重要的作用。2 数字飞控采集器总体设计数字飞控采集器负责采集飞机飞控计算机系统输出的 4 路 1553B 数据总线信号, 并将采集到的 100%总线信息叠加时间信息后转换成 100%飞控 PCM 数据流输出, 最终通过数字记录设备进行记录。所记录数据既可用于飞行试验后期数据处理, 也可重现飞控系统的飞行数据。同时, 可通过用户定义选择总线上的部分信息形成一条可
5、选数据流输出, 即对数据块进行编程, 选取关注参数并进行时间标识, 最终形成 PCM 数据流进行输出。这些可选参数在采集的同时可进行实时监控, 这也能够更加有效获取飞行试验过程中相关飞行安全数据。数字飞控计算机的系统框图如图 1 所示。图 1 数字飞控采集器系统框图 下载原图由图可知, 数字飞控采集器主要由 4 部分组成, 分别为电源单元、控制板单元、I/O 输入输出单元和数据接收单元。3 单元设计和功能分析3.1 电源模块电源模块为整个系统理工电源, 其核心部件是 DC/DC 转换器件。电源模块将输入机上 28V 直流电源转换成采集器需要的15V (模拟电源和传感器激励电源) 、+3.3V、
6、GND、1.2V 共四种电压。在输入为+18+32V 范围内电源模块能正常工作。输入电源入口采取滤波措施, 消除传导干扰, 从而满足电磁兼容性要求。此外, 电源板所需的 1.8V、2.5V、5V 等电源均由+3.3V 转换而来。3.2 控制单元中央控制单元 (CCU) 和 I/O 输入输出单元 (作为前者的子板) 共同构成采集器的控制部分。其中, I/O 输入输出单元通过相关的解调电路, 将外围 GPS 时码发生器输出的 IRIG-B AC 码转换为串行的时钟+数据的数字信号, 并将该信号传递至中央控制单元, 最终为整个采集系统提供一个时间基准。控制单元是基于 FPGA 的 SOPC (Sys
7、tem On Programmable Chip 简称可编程片上系统) 系统2, 系统集成了 NIOS-II/f 软核处理器、USB2.0 控制器、上位机接口、并行 FLASH 存储器、SDRAM、40M 晶振、FPGA 的 JTAG 接口、内部 32 位总线接口、以太网接口、I/O 板接口、通用外设和专用外设 (100%PCM 和部分 PCM输出模块) 等。基于 FPGA 嵌入 IP 软核的 SOPC 系统在不增加芯片数量的基础上, 具有强大的灵活性、开发周期短、成本低且可现场配置及系统重构。不仅系统集成度高, 功能也更加强大。作为整个系统的核心, 它是所有传输交互的发起方。其主要功能有:(
8、1) 上电初始化;(2) 系统板卡扫描;(3) 通过 USB 口实现上位机对整个采集器所有板卡的配置, 包括板扫描、配置读、配置写、IO 读、IO 写、存储器读、存储写等;(4) 将采集到的数据信号通过自研总线传送到 FPGA 进行处理并通过 PCM 输出模块将信号按照相应格式进行输出。其中, USB2.0 接口设计包括接口的硬件设计、控制器芯片的固件开发、上位机驱动及编程加载软件开发等, 同时设置全速工作模式 (理论速率可达 480Mbps) 用以监测、记录 USB 端口的实时数据。3.3 I/O 输入输出单元在数据传输过程中, 为满足传输距离和可靠性的要求, 控制板四路通道的全部输出信号均
9、采用 EIA-RS-422A 的电气标准进行的输出驱动。因此, 需将单端的输出信号转换为差动信号进行输出。I/O 单元作为中央控制单元的子板, 二者通过软线连接。其主要功能有:100%PCM 输出驱动和部分 PCM 输出驱动。其中, 控制单元的 100%PCM 输出就是将采集到的四路数据按照用户编程设置的 PCM 帧格式进行输出, 在输出数据流中需对总线信息进行时间标识, 时间标识的分辨率为 1s, 标识的时刻为命令字同步头的过零点。整个输出模块包括 5 个信号, 具体为:输出数据、字时钟、位时钟、子帧与全帧时钟, 1 个数据+4 个时钟;部分 PCM 输出的模块则包括输出的数据、位时钟、字时
10、钟、帧时钟, 1 个数据+3个时钟共 4 个信号。此外, 两种输出均由单端变成 RS422 差动输出。处理器首先接收到数据的状态信息, 并输入至部分 PCM 模块中, 这些信息包括通道号、新数据标志、表号等。依据接收到的数据状态信息, 部分 PCM 模块在产生状态字的同时读取存储在部分 PCM 单元中的内容, 最终判定输出的参数是否被用户选中。若选中, 则将选中的参数按照用户的排序地址存入双口 RAM 中, 待数据接收完后, 处理器按照协议将同步字、状态字、已排列好的参数和时间字等信息依次输出。3.4 数据接收单元该单元由 4 个数据接收通道构成, 通道之间逻辑相互独立, 互为备份, 是四余关
11、系。飞控数据经过隔离、1553 解码后进入通道中并发出中断信号, 等待控制单元通过内部总线对数据进行读取。数据接收单元主要功能为:(1) 为保证电气安全, 与四个通道输出的数据进行物理和逻辑的电气隔离;(2) 结合复位信号和 12M 时钟, 利用专用 1553 解码芯片对四路总线数据解码;(3) 按时间顺序解调出总线上出现的符合 1553B 标准的所有指令字、数据字和状态字, 将其存储到缓存器中, 然后对消息中的具体内容进行标识和处理, 包括:在指令字后插入该消息块到达的准确时间、在状态字之前插入消息响应时间和在总线消息的间隔处加入填充字等;(4) 输出的 RS-422 串行数据通过输入接口电
12、路、数据同步检测、计时转换电路, 对数据进行字检测, 并将检测后的数据送到缓冲器传输, 后通过遥测发射机传输至地面进行实时监测;(5) 对内部 32 位自研总线板卡的配置数据进行读写, 以及系统上电配置等。3.4.1 与飞控计算机的电气接口数字飞控采集器端采用 DS26LS32M 芯片进行接收, 飞控计算机输出端采用DS26LS31M 芯片进行接收, 二者通过标准的点对点实现 RS-422 传输。为提高系统的抗干扰能力, 在信号接收端的 IN+、IN-之间增加匹配电阻用于增大输出电流。同时, 为避免输入端遭受瞬间高电压浪涌信号的破坏, 在信号输入的 IN+端和 IN-端分别对地加入瞬态抑制二极
13、管。此外, 出于对飞控计算机输入端进行保护的考虑, 采取与数字飞控采集器的数字地共地的设计。3.4.2 1553B 总线数据解调飞控计算机输出的串行数据流在电气特性上符合 RS422 标准, 在数据编码方式及组织结构上符合 1553 总线标准。因此, 在解调串行数据流的数据时, 首先将飞控计算机输出的四路具有 1553B 特性的且符合 GJB289A3总线有关规定的数据流转换成通用的 16 位不归零电平码 (NRZ-L 串行码) 和 IRGB 时间码, 而后通过串并转换和存储单元, 最终提供给系统内部 32 位自研总线。4 结束语本文设计的数字飞控采集系统已经通过地面及机上联合调试试验, 系统的相关技术指标均满足设计要求, 同时系统的可靠性和有效性也进行了初步的验证。该设计方法具有较强的实用价值, 可供后续设计参考应用。参考文献1周自全.飞行试验工程M.航空工业出版社, 2010. 2ALTERA 公司 FPGA 数据手册、SOPC 设计指南、参考设计Z. 3GJB289A (国军标 289A) S.
