周星星++袁剛平

摘 要：文章對機載測試系統(tǒng)中數(shù)字飛控采集器的重要性和必要性進(jìn)行簡要分析，介紹了飛控采集器的總體設(shè)計，對各個板卡的設(shè)計和功能進(jìn)行了闡述，詳細(xì)描述了電源模塊、控制單元、I/O輸入輸出和數(shù)據(jù)接收單元。

關(guān)鍵詞：飛行試驗；飛控計算機；設(shè)計

中圖分類號：V217 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）02-0120-02

Abstract： This paper briefly analyzes the importance and necessity of the digital 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.

Keywords： flight test； flight control computer； design

1 概述

飛行試驗是在真實的環(huán)境條件下對航空裝備進(jìn)行各種鑒定、考核、調(diào)試，對各種航空新技術(shù)進(jìn)行研究和驗證[1]。機載測試是試飛中的一個基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的工作直接關(guān)系到飛行試驗的結(jié)果。機載測試系統(tǒng)是指安裝在飛機上的測試設(shè)備的總稱，它通常包括傳感器、信號調(diào)節(jié)器、數(shù)據(jù)采集器、機載記錄設(shè)備、測試時統(tǒng)和GPS定位設(shè)備等。作為機載測試系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，數(shù)字飛控采集器主要用來采集數(shù)字飛控數(shù)據(jù)，具體包括飛機的各操縱面位置指令、姿態(tài)及狀態(tài)信息等。通過這些數(shù)據(jù)的分析和處理，得出與飛機狀態(tài)相關(guān)的若干鑒定結(jié)論，從而為飛機設(shè)計的改進(jìn)提供可靠的依據(jù)。同時，通過遙測傳輸系統(tǒng)將與飛行安全有關(guān)的數(shù)據(jù)實時傳送至地面安全監(jiān)控中心，地面指揮員能夠嚴(yán)密監(jiān)控所關(guān)注的飛行數(shù)據(jù)，一旦出現(xiàn)危及飛機安全的狀態(tài)，能夠迅速做出決策并指揮。因此，數(shù)字飛控采集器在飛機的飛行試驗過程中具有非常重要的作用。

2 數(shù)字飛控采集器總體設(shè)計

數(shù)字飛控采集器負(fù)責(zé)采集飛機飛控計算機系統(tǒng)輸出的4路1553B數(shù)據(jù)總線信號，并將采集到的100%總線信息疊加時間信息后轉(zhuǎn)換成100%飛控PCM數(shù)據(jù)流輸出，最終通過數(shù)字記錄設(shè)備進(jìn)行記錄。所記錄數(shù)據(jù)既可用于飛行試驗后期數(shù)據(jù)處理，也可重現(xiàn)飛控系統(tǒng)的飛行數(shù)據(jù)。同時，可通過用戶定義選擇總線上的部分信息形成一條可選數(shù)據(jù)流輸出，即對數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編程，選取關(guān)注參數(shù)并進(jìn)行時間標(biāo)識，最終形成PCM數(shù)據(jù)流進(jìn)行輸出。這些可選參數(shù)在采集的同時可進(jìn)行實時監(jiān)控，這也能夠更加有效獲取飛行試驗過程中相關(guān)飛行安全數(shù)據(jù)。數(shù)字飛控計算機的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

由圖可知，數(shù)字飛控采集器主要由4部分組成，分別為電源單元、控制板單元、I/O輸入輸出單元和數(shù)據(jù)接收單元。

3 單元設(shè)計和功能分析

3.1 電源模塊

電源模塊為整個系統(tǒng)理工電源，其核心部件是DC/DC轉(zhuǎn)換器件。電源模塊將輸入機上28V直流電源轉(zhuǎn)換成采集器需要的±15V（模擬電源和傳感器激勵電源）、+3.3V、GND、1.2V共四種電壓。在輸入為+18～+32V范圍內(nèi)電源模塊能正常工作。輸入電源入口采取濾波措施，消除傳導(dǎo)干擾，從而滿足電磁兼容性要求。此外，電源板所需的1.8V、2.5V、5V等電源均由+3.3V轉(zhuǎn)換而來。

3.2 控制單元

中央控制單元（CCU）和I/O輸入輸出單元（作為前者的子板）共同構(gòu)成采集器的控制部分。其中，I/O輸入輸出單元通過相關(guān)的解調(diào)電路，將外圍GPS時碼發(fā)生器輸出的IRIG-B AC碼轉(zhuǎn)換為串行的時鐘+數(shù)據(jù)的數(shù)字信號，并將該信號傳遞至中央控制單元，最終為整個采集系統(tǒng)提供一個時間基準(zhǔn)。

控制單元是基于FPGA的SOPC（System On Programmable Chip簡稱可編程片上系統(tǒng)）系統(tǒng)[2]，系統(tǒng)集成了NIOS-II/f軟核處理器、USB2.0控制器、上位機接口、并行FLASH存儲器、SDRAM、40M晶振、FPGA的JTAG接口、內(nèi)部32位總線接口、以太網(wǎng)接口、I/O板接口、通用外設(shè)和專用外設(shè)（100%PCM和部分PCM輸出模塊）等。基于FPGA嵌入IP軟核的SOPC系統(tǒng)在不增加芯片數(shù)量的基礎(chǔ)上，具有強大的靈活性、開發(fā)周期短、成本低且可現(xiàn)場配置及系統(tǒng)重構(gòu)。不僅系統(tǒng)集成度高，功能也更加強大。作為整個系統(tǒng)的核心，它是所有傳輸交互的發(fā)起方。其主要功能有：

（1）上電初始化；

（2）系統(tǒng)板卡掃描；

（3）通過USB口實現(xiàn)上位機對整個采集器所有板卡的

配置，包括板掃描、配置讀、配置寫、IO讀、IO寫、存儲器讀、存儲寫等；

（4）將采集到的數(shù)據(jù)信號通過自研總線傳送到FPGA

進(jìn)行處理并通過PCM輸出模塊將信號按照相應(yīng)格式進(jìn)行輸出。

其中，USB2.0接口設(shè)計包括接口的硬件設(shè)計、控制器芯片的固件開發(fā)、上位機驅(qū)動及編程加載軟件開發(fā)等，同時設(shè)置全速工作模式（理論速率可達(dá)480Mbps）用以監(jiān)測、記錄USB端口的實時數(shù)據(jù)。

3.3 I/O輸入輸出單元

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，為滿足傳輸距離和可靠性的要求，控制板四路通道的全部輸出信號均采用EIA-RS-422A的電氣標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的輸出驅(qū)動。因此，需將單端的輸出信號轉(zhuǎn)換為差動信號進(jìn)行輸出。I/O單元作為中央控制單元的子板，二者通過軟線連接。其主要功能有：100%PCM輸出驅(qū)動和部分PCM輸出驅(qū)動。其中，控制單元的100%PCM輸出就是將采集到的四路數(shù)據(jù)按照用戶編程設(shè)置的PCM幀格式進(jìn)行輸出，在輸出數(shù)據(jù)流中需對總線信息進(jìn)行時間標(biāo)識，時間標(biāo)識的分辨率為1μs，標(biāo)識的時刻為命令字同步頭的過零點。整個輸出模塊包括5個信號，具體為：輸出數(shù)據(jù)、字時鐘、位時鐘、子幀與全幀時鐘，1個數(shù)據(jù)+4個時鐘；部分PCM輸出的模塊則包括輸出的數(shù)據(jù)、位時鐘、字時鐘、幀時鐘，1個數(shù)據(jù)+3個時鐘共4個信號。此外，兩種輸出均由單端變成RS422差動輸出。endprint

處理器首先接收到數(shù)據(jù)的狀態(tài)信息，并輸入至部分PCM模塊中，這些信息包括通道號、新數(shù)據(jù)標(biāo)志、表號等。依據(jù)接收到的數(shù)據(jù)狀態(tài)信息，部分PCM模塊在產(chǎn)生狀態(tài)字的同時讀取存儲在部分PCM單元中的內(nèi)容，最終判定輸出的參數(shù)是否被用戶選中。若選中，則將選中的參數(shù)按照用戶的排序地址存入雙口RAM中，待數(shù)據(jù)接收完后，處理器按照協(xié)議將同步字、狀態(tài)字、已排列好的參數(shù)和時間字等信息依次輸出。

3.4 數(shù)據(jù)接收單元

該單元由4個數(shù)據(jù)接收通道構(gòu)成，通道之間邏輯相互獨立，互為備份，是四余關(guān)系。飛控數(shù)據(jù)經(jīng)過隔離、1553解碼后進(jìn)入通道中并發(fā)出中斷信號，等待控制單元通過內(nèi)部總線對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。數(shù)據(jù)接收單元主要功能為：

（1）為保證電氣安全，與四個通道輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行物理和邏輯的電氣隔離；

（2）結(jié)合復(fù)位信號和12M時鐘，利用專用1553解碼芯片對四路總線數(shù)據(jù)解碼；

（3）按時間順序解調(diào)出總線上出現(xiàn)的符合1553B標(biāo)準(zhǔn)的所有指令字、數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字，將其存儲到緩存器中，然后對消息中的具體內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)識和處理，包括：在指令字后插入該消息塊到達(dá)的準(zhǔn)確時間、在狀態(tài)字之前插入消息響應(yīng)時間和在總線消息的間隔處加入填充字等；

（4）輸出的RS-422串行數(shù)據(jù)通過輸入接口電路、數(shù)據(jù)同步檢測、計時轉(zhuǎn)換電路，對數(shù)據(jù)進(jìn)行字檢測，并將檢測后的數(shù)據(jù)送到緩沖器傳輸，后通過遙測發(fā)射機傳輸至地面進(jìn)行實時監(jiān)測；

（5）對內(nèi)部32位自研總線板卡的配置數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，

以及系統(tǒng)上電配置等。

3.4.1 與飛控計算機的電氣接口

數(shù)字飛控采集器端采用DS26LS32M芯片進(jìn)行接收，飛控計算機輸出端采用DS26LS31M芯片進(jìn)行接收，二者通過標(biāo)準(zhǔn)的點對點實現(xiàn)RS-422傳輸。為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在信號接收端的IN+、IN-之間增加匹配電阻用于增大輸出電流。同時，為避免輸入端遭受瞬間高電壓浪涌信號的破壞，在信號輸入的IN+端和IN-端分別對地加入瞬態(tài)抑制二極管。此外，出于對飛控計算機輸入端進(jìn)行保護(hù)的考慮，采取與數(shù)字飛控采集器的數(shù)字地共地的設(shè)計。

3.4.2 1553B總線數(shù)據(jù)解調(diào)

飛控計算機輸出的串行數(shù)據(jù)流在電氣特性上符合RS422標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)據(jù)編碼方式及組織結(jié)構(gòu)上符合1553總線標(biāo)準(zhǔn)。因此，在解調(diào)串行數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)時，首先將飛控計算機輸出的四路具有1553B特性的且符合GJB289A[3]總線有關(guān)規(guī)定的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成通用的16位不歸零電平碼（NRZ-L串行碼）和IRGB時間碼，而后通過串并轉(zhuǎn)換和存儲單元，最終提供給系統(tǒng)內(nèi)部32位自研總線。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的數(shù)字飛控采集系統(tǒng)已經(jīng)通過地面及機上聯(lián)合調(diào)試試驗，系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計要求，同時系統(tǒng)的可靠性和有效性也進(jìn)行了初步的驗證。該設(shè)計方法具有較強的實用價值，可供后續(xù)設(shè)計參考應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]周自全.飛行試驗工程[M].航空工業(yè)出版社，2010.

[2]ALTERA公司FPGA數(shù)據(jù)手冊、SOPC設(shè)計指南、參考設(shè)計[Z].

[3]GJB289A（國軍標(biāo)289A）[S].endprint