引言

在飛行試驗過程中，飛行試驗安全監(jiān)控對飛行試驗的安全起著至關(guān)重要的作用。飛行試驗本身具有相當(dāng)?shù)娘L(fēng)險性，危及飛機(jī)和試飛員安全的因素錯綜復(fù)雜、涉及面廣，不但包含飛機(jī)本身的因素，還包括許多外界條件。由于不安全事件的突發(fā)性，往往使得試飛員、地面指揮員、機(jī)務(wù)人員、安全救護(hù)員等不能做出及時響應(yīng)。

特別是近幾年隨著航空技術(shù)的飛速發(fā)展，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、可靠性問題也日益突出，帶來的問題是飛機(jī)故障率增高、維護(hù)難度加大。而結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題90%是由振動導(dǎo)致或與振動有關(guān)。振動出現(xiàn)異常，其結(jié)果輕則引起飛行員情緒緊張影響操作;重則損傷機(jī)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(shù)據(jù)量大、處理復(fù)雜的特點，通過遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)很難傳輸大量的振動參數(shù)。近幾年對振動信號實時監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行了一定的探索和研究，通過遙測鏈路將機(jī)載振動數(shù)據(jù)傳到地面，在地面遙測數(shù)據(jù)處理站對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和實時監(jiān)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(jié)合某型號試飛測試的需要，在關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項目中通過對振動信號進(jìn)行機(jī)上的實時數(shù)據(jù)分析，將分析結(jié)果實時發(fā)送至地面監(jiān)控系統(tǒng)，以減小遙測傳輸帶寬，真正實現(xiàn)振動信號的遙測實時監(jiān)控。

1 國內(nèi)外所采用的方法分析

縱觀國外飛機(jī)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(shù)的測量，為了使得飛機(jī)的各部位振動指標(biāo)滿足設(shè)計要求，在飛機(jī)設(shè)計的時候就已經(jīng)在地面建設(shè)了“地面振動測試系統(tǒng)”。而對于試飛驗證階段的振動監(jiān)控更加重視，通過專用的振動、應(yīng)變實時處理系統(tǒng)對所關(guān)心的振動點進(jìn)行實時監(jiān)測。我院在研制某型直升機(jī)傳動系統(tǒng)振動試飛實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)時，采用軟件技術(shù)對振動信號進(jìn)行了分析處理，可以實時處理2路振動參數(shù)，基本解決了該飛機(jī)試飛振動數(shù)據(jù)實時處理需求，但是由于遙測帶寬的限制，導(dǎo)致還有一部分振動參數(shù)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(gòu)的實時分析系統(tǒng)

據(jù)估計，在某型運輸機(jī)試飛中，振動、應(yīng)變參數(shù)將多達(dá)數(shù)百個，需要實時監(jiān)控的參數(shù)有數(shù)十路。按照傳統(tǒng)的技術(shù)和方法，無法滿足該型號飛機(jī)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(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項目中提出了采用嵌入式處理器+FPGA架構(gòu)來設(shè)計振動信號機(jī)載實時處理單元，在機(jī)上實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的工程量轉(zhuǎn)換、信號實時分析處理及高速存儲，將處理結(jié)果重新編碼后送機(jī)載測試系統(tǒng)遙測發(fā)送，最終實現(xiàn)振動信號的地面遙測實時監(jiān)控。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 硬件工作原理

硬件部分包括機(jī)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(jī)、FPGA分析單元和系統(tǒng)配置裝置構(gòu)成，后者是一臺數(shù)據(jù)分析工作站。嵌入式計算機(jī)選用400 MHz處理器芯片，10/100 MBase-T以太網(wǎng)口，配以200萬FPGA邏輯門陣列用于實現(xiàn)對振動信號采集、處理、分析等工作，系統(tǒng)配置裝置采用筆記本電腦通過網(wǎng)絡(luò)接口完成對機(jī)載高采樣實時處理單元的系統(tǒng)配置。

振動原始信號流由以太網(wǎng)口輸入，嵌入式系統(tǒng)完成振動數(shù)據(jù)流的解包后將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析處理工作：工程量轉(zhuǎn)換、頻譜分析、時域統(tǒng)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(jī)的DRAM中，嵌入式計算機(jī)完成數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)發(fā)送工作。硬件原理示意圖如圖1所示。

 

 

圖1　機(jī)載高采樣實時處理單元硬件原理

2.1.2 接口設(shè)計

振動信號的信號電纜、供電電源電纜接口設(shè)計按符合MIL-C-38999 I系列航空電連接器設(shè)計。提供信號電纜的接口、電源接口以及網(wǎng)絡(luò)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(shè)計

(1)硬件核心邏輯原理結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件核心部分由400 MHz處理器芯片，200萬門FPGA芯片及以太網(wǎng)接口芯片及串行通信芯片組成。系統(tǒng)硬件邏輯結(jié)構(gòu)、輸出硬件數(shù)據(jù)流邏輯原理設(shè)計及元件組成如圖2所示。

 

 

圖2　系統(tǒng)硬件邏輯原理設(shè)計及元件組成示意圖

(2)功能

POWER PC核心CPU，內(nèi)置VxWorks實時操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口、串行通信接口。Xilinx FPGA芯片，完成自定義FFT頻譜分析及實時信號分析算法。

2.2 實時處理系統(tǒng)軟件設(shè)計

機(jī)載振動數(shù)據(jù)實時處理單元開機(jī)后，軟件自動運行，首先完成系統(tǒng)的自檢，判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如果正常則進(jìn)行下一步工作，同時將設(shè)備面板的“工作正常”指示燈閃爍，反之不閃爍。系統(tǒng)正常后，軟件進(jìn)入循環(huán)連續(xù)的數(shù)據(jù)接收、分析處理與存儲程序，同時處理后的信號發(fā)送至機(jī)載數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

高采樣實時處理單元軟件在實時操作系統(tǒng)下運行，使用NI公司的圖形化編程語言LabVIEW RT、高級信號處理包、噪聲振動信號處理包和基于賽靈思公司Xilinx ISE FPGA開發(fā)模塊編制完成。機(jī)載高采樣實時處理單元配置軟件全部操作采用圖形化的人機(jī)界面，能方便、直接、快速完成機(jī)載系統(tǒng)的配置。

機(jī)載高采樣實時處理單元軟件流程如圖3所示。

 

 

圖3機(jī)載高采樣實時處理單元軟件流程圖

軟件采用模塊化設(shè)計的思想，以功能來劃分各個不同的子模塊。

2.2.1 實時網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

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實時網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊運用于機(jī)載高采樣實時處理單元中，完成基于實時系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收及發(fā)送工作。實時網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊程序算法及邏輯流程圖如圖4所示。

 

 

圖4　實時網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊程序算法及邏輯流程圖

2.2.2 振動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流解包打包模塊設(shè)計

該模塊運用于機(jī)載高采樣實時處理單元中，依據(jù)任務(wù)需求，本系統(tǒng)可同時完成12個動態(tài)通道的振動數(shù)據(jù)接收和解包，同時兼顧將分析處理結(jié)果按輸入的數(shù)據(jù)格式輸出。振動數(shù)據(jù)流解包打包模塊算法及流程圖如圖5所示。

 

 

圖5　振動數(shù)據(jù)流解包打包模塊算法及流程圖

2.2.3 實時振動分析處理模塊設(shè)計

由板載的FPGA邏輯門陣列完成基于硬件級的數(shù)據(jù)分析處理工作：數(shù)據(jù)工程量轉(zhuǎn)換、可任意選擇不小于12通道，由板載FPGA完成自定義頻率分辨率實時振動頻譜分析;由板載PFGA完成自定義多個關(guān)鍵單頻點、頻域帶通范圍振動能量及時域統(tǒng)計量分析。實時振動分析處理模塊流程及算法如圖6所示。

 

 

圖6　實時振動分析處理模塊流程及算法

時域參數(shù)分析處理算法實現(xiàn)：提取原始振動信號的有效值、峰值、峭度、峰值指標(biāo)、裕度指標(biāo)和脈沖指標(biāo)等，最能反映飛機(jī)飛行振動狀態(tài)的時域指標(biāo)。

2.2.4 實時數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計

實時數(shù)據(jù)存儲模塊運用于機(jī)載高采樣實時處理單元中，用于存儲在測試過程中記錄的振動數(shù)據(jù)，根據(jù)測試需求用于存儲數(shù)據(jù)的空間不小于4 GB。

實時數(shù)據(jù)存儲模塊算法及流程圖如圖7所示。

 

 

圖7　 實時數(shù)據(jù)存儲模塊算法及流程圖

2.2.5 配置及數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊設(shè)計

通過網(wǎng)絡(luò)接口，配置及數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊完成對機(jī)載高采樣實時處理單元的系統(tǒng)設(shè)置工作：選擇遙測分析的通道、設(shè)定頻帶范圍、譜線精度、時域統(tǒng)計參數(shù)配置以及系統(tǒng)設(shè)置的各項配置參數(shù);選擇需要導(dǎo)出的數(shù)據(jù)文件，完成數(shù)據(jù)導(dǎo)出工作。配置及數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊算法及流程圖如圖8所示。

 

 

圖8　配置及數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊算法及流程圖

 

 

圖9　頻域分析設(shè)置圖形用戶接口界面

 

 

圖10　數(shù)據(jù)顯示模塊圖形用戶接口界面

3 關(guān)鍵技術(shù)

可靠實時的完成高速振動PCM流信號的接收、解包、分析和存儲成為機(jī)載高采樣實時處理單元需要解決的關(guān)鍵性技術(shù)，地面遙測分析單元的關(guān)鍵在于如何運用有效的數(shù)據(jù)處理方法對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得出可信有效的振動分析結(jié)果。在該處理單元的研制中，突破了以下幾方面的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 基于實時系統(tǒng)高速振動數(shù)據(jù)流信號的輸入輸出技術(shù)

由嵌人式實時系統(tǒng)完成高速振動網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流信號的接收及處理數(shù)據(jù)流的發(fā)送，在網(wǎng)絡(luò)帶寬允許的情況下，嵌入式實時系統(tǒng)精確的定時精度保證了基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c可快速性。

3.2 基于FPGA平臺的多通道實時并行頻譜計算及數(shù)據(jù)分析技術(shù)

由于采用基于FPGA邏輯門陣列為數(shù)據(jù)處理平臺，從而確保系統(tǒng)整個數(shù)據(jù)處理時間在微秒級的量級，從而保證大批量數(shù)據(jù)處理不會成為系統(tǒng)的瓶頸，保證了系統(tǒng)的實時性。

3.3 振動信號分析處理技術(shù)

通過使用各種頻域分析、時域分析及時頻域分析技術(shù)，同時結(jié)合型號試飛的需求以及在振動分析處理方面積累的經(jīng)驗和分析處理方法，形成了滿足飛行試驗振動數(shù)據(jù)分析方法。

4 結(jié)語

飛行試驗振動信號實時監(jiān)控迄今為止僅在某型直升機(jī)槳葉測振中進(jìn)行，而且效果很不理想。本文所采用的方法可以實現(xiàn)多路信號的實時監(jiān)控，而且可以針對不同科目的不同需求，在飛行前進(jìn)行配置加載，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)算法的選擇、通道數(shù)量的選擇以及所監(jiān)控數(shù)據(jù)的結(jié)果形式的選擇。

該項目不僅使用于飛行試驗振動數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，同時可以擴(kuò)展到航天、艦船以及航空工業(yè)其他領(lǐng)域中。作為裝機(jī)的機(jī)載測試設(shè)備，工程化后還能夠為試飛院帶來經(jīng)濟(jì)效益。