基于POWER PC+FPGA架構的飛行試驗振動數據實時分析

摘要：飛行試驗振動信號具有采樣率高、數據量大、處理復雜的特點，在現有條件下，通過遙測鏈路很難將大量的振動數據實時傳輸至地面監控系統。針對試飛測試的需要，結合某型號的試飛關鍵技術攻關研究，突破試飛振動數據實時處理系統的一些關鍵技術，對被試飛機的振動信號進行實時分析，將分析結果實時發送至地面監控系統，以減小遙測傳輸帶寬，真正實現高采樣信號振動數據的遙測實時監控。
關鍵詞：試飛測試；FPGA；實時監控；振動處理

0 引言
在飛行試驗過程中，飛行試驗安全監控對飛行試驗的安全起著至關重要的作用。飛行試驗本身具有相當的風險性，危及飛機和試飛員安全的因素錯綜復雜、涉及面廣，不但包含飛機本身的因素，還包括許多外界條件。由于不安全事件的突發性，往往使得試飛員、地面指揮員、機務人員、安全救護員等不能做出及時響應。特別是近幾年隨著航空技術的飛速發展，飛機的結構日趨復雜，其結構強度、可靠性問題也日益突出，帶來的問題是飛機故障率增高、維護難度加大。而結構強度問題90％是由振動導致或與振動有關。振動出現異常，其結果輕則引起飛行員情緒緊張影響操作；重則損傷機器部件，減少使用壽命，甚至危及飛行安全。
由于振動信號具有采樣率高、數據量大、處理復雜的特點，通過遙測數據處理系統很難傳輸大量的振動參數。近幾年對振動信號實時監控技術進行了一定的探索和研究，通過遙測鏈路將機載振動數據傳到地面，在地面遙測數據處理站對數據進行分析和實時監控。由于前期所作的研究受到各種條件的限制，效果不太理想，因此結合某型號試飛測試的需要，在關鍵技術攻關項目中通過對振動信號進行機上的實時數據分析，將分析結果實時發送至地面監控系統，以減小遙測傳輸帶寬，真正實現振動信號的遙測實時監控。

1 國內外所采用的方法分析
縱觀國外飛機試飛情況，無論是空客的A380，A330，A400M還是波音787，在試飛過程中都非常重視振動參數的測量，為了使得飛機的各部位振動指標滿足設計要求，在飛機設計的時候就已經在地面建設了“地面振動測試系統”。而對于試飛驗證階段的振動監控更加重視，通過專用的振動、應變實時處理系統對所關心的振動點進行實時監測。
我院在研制某型直升機傳動系統振動試飛實時數據處理系統時，采用軟件技術對振動信號進行了分析處理，可以實時處理2路振動參數，基本解決了該飛機試飛振動數據實時處理需求，但是由于遙測帶寬的限制，導致還有一部分振動參數被取消或降低需求，另外通過遙測傳輸和軟件處理也存在跳點多、時間延遲大的問題。

2 基于POWER PC+FPGA架構的實時分析系統
據估計，在某型運輸機試飛中，振動、應變參數將多達數百個，需要實時監控的參數有數十路。按照傳統的技術和方法，無法滿足該型號飛機試飛對振動信號實時處理的要求。針對該型號的試飛需求，在該型號關鍵技術攻關項目中提出了采用嵌入式處理器+FPGA架構來設計振動信號機載實時處理單元，在機上實現實時數據的工程量轉換、信號實時分析處理及高速存儲，將處理結果重新編碼后送機載測試系統遙測發送，最終實現振動信號的地面遙測實時監控。
2．1 硬件系統設計
2．1．1 硬件工作原理
硬件部分包括機載高采樣實時處理單元硬件和地面遙測分析單元硬件，前者主要由嵌入式計算機、FPGA分析單元和系統配置裝置構成，后者是一臺數據分析工作站。嵌入式計算機選用400 MHz處理器芯片，10／100 MBase-T以太網口，配以200萬FPGA邏輯門陣列用于實現對振動信號采集、處理、分析等工作，系統配置裝置采用筆記本電腦通過網絡接口完成對機載高采樣實時處理單元的系統配置。振動原始信號流由以太網口輸入，嵌入式系統完成振動數據流的解包后將數據通過DMA方式直接傳輸至FPGA實時處理芯片，由FPGA模塊完成實時在線的振動數據分析處理工作：工程量轉換、頻譜分析、時域統計量計算等，分析處理完后通過DMA方式傳送至嵌入式計算機的DRAM中，嵌入式計算機完成數據存儲和數據發送工作。硬件原理示意圖如圖1所示。

2．1．2 接口設計
振動信號的信號電纜、供電電源電纜接口設計按符合MIL-C-38999 I系列航空電連接器設計。提供信號電纜的接口、電源接口以及網絡接口。所有接口以航空電連接器的形式提供。
2．1．3 核心硬件設計
(1)硬件核心邏輯原理結構
系統硬件核心部分由400 MHz處理器芯片，200萬門FPGA芯片及以太網接口芯片及串行通信芯片組成。系統硬件邏輯結構、輸出硬件數據流邏輯原理設計及元件組成如圖2所示。