一种串行分布式模拟量机载采集系统技术方案

本发明专利技术公开了本发明专利技术提出一种串行分布式模拟量机载采集系统，包括集成控制主机、总线控制器以及总线接口模块；集成控制主机由一台高性能工作站构成，通过交换机与总线控制器实现通讯；总线控制器实现对总线接口模块采集信息的汇聚和基本数据处理，通过交换机完成数据的交换传输、时间同步；总线接口模块加装不同类型传感器，实现各类参数的信号调理、数据采集。本发明专利技术基于RS485总线技术，将信号调理单元安装于传感器附近，每个信号调理单元通过一根线连接至采集系统，大量减少整个系统的线缆敷设数量，提高系统的可靠性，并适合在狭窄空间里进行安装和测试，有效解决大型民机测试线缆过多、改装工作量大、穿舱协调复杂等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种串行分布式模拟量机载采集系统
本专利技术属于飞行试验领域，具体涉及一种串行分布式模拟量机载采集系统。
技术介绍
飞行试验是航空装备及民用飞机研制过程中必不可少的重要组成环节，它是在真实飞行环境下对飞行器、机载设备或装备进行试验的过程，具有风险高、周期长、投入大、探索性强等特点，飞行试验的目的是验证理论和地面试验的结果，鉴定飞机的设计指标、适航和使用性能。在飞行试验中需要测量大量参数，涉及高度、速度、压力、温度、力、振动、过载、姿态、位移、角速度、流量、迎角、侧滑角、电流(压)、应变、噪声、空间位置等十几种类型，需要实现多种功能、不同接口方式的传感器布置、采集和信息传输等，但在此过程中，存在传感器布局布线复杂、传输线缆过多、重量过大等问题，特别是许多参数位于机翼、尾段、机头等空间狭窄的区域，还需要考虑线缆穿舱，由此带来的飞机结构上的开孔必将产生更多的问题，所以需要针对试飞测试中多种功能、不同接口方式的传感器布置、采集和信息传输等，解决传感器布局布线复杂、传输线缆过多、体量过大等问题，研究并部署层次化、开放式的智能传感系统，实现部分单元的无线互联，降低系统成本和安装、部署的复杂程度，同时有效降低系统规模、重量以实现系统设计的优化。传统PCM架构的机载测试系统一般采用集中采集的方式，数据采集和传输速率相对较低。随着测试技术的发展，网络化机载测试系统出现，如空客A380飞机上采用了基于以太网的网络化机载测试系统，ARJ21飞机上采用了PCM和以太网混合结构的机载测试系统。网络化机载测试系统对线缆的减少有一定的促进作用，但仍无法解决从采集端到交换机这段链路上的线缆繁多问题，而这段链路作为整个测试系统的前端，对可靠性要求较高，一旦出现故障，整个后端都无法正常工作。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种串行分布式模拟量机载采集系统，以满足国内日益迫切的民机测试需求，实现层次化、开放式的自主研发的串行分布式模拟量机载采集，实现简洁的互联互通，降低系统成本和安装、部署的复杂程度，同时有效降低系统规模、重量。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种串行分布式模拟量机载采集系统，包括集成控制主机、总线控制器以及总线接口模块；所述集成控制主机由一台高性能工作站构成，用于系统应用软件的调试、运行、实现及二次开发，通过交换机与所述总线控制器实现通讯；所述总线控制器实现对所述总线接口模块采集信息的汇聚和基本数据处理，通过交换机完成数据的交换传输、时间同步；所述总线接口模块加装不同类型传感器构成采集节点，实现各类参数的信号调理、数据采集，通过RS485总线完成数据传输、时间同步、设备配置。优选的，所述集成控制主机连接到机载采集网络系统中并与其他网络化机载采集器分配于一个子网中，在所述集成控制主机的插槽中插入所述总线控制器，然后由所述总线控制器的数传接口引出一根线缆，作供电与通讯之用，经过电源适配器的隔离，形成稳定的信号，连接到各个总线采集接口上，所述总线接口模块在系统工作时直接挂在线缆的分支点上，上电后开始采集工作。优选的，所述总线接口模块硬件由传感器通道、A/D数采、FPGA、RS485接口以及电源管理模块组成；所述传感器通道包括前置电路、程控恒流恒压源、可变增益放大电路，串行数据采集单元和控制单元；所述控制单元通过IIC通信总线和通用IO与所述前置电路、所述程控恒流恒压源、所述可变增益放大电路相连，通过SPI通信总线与所述串行数据采集单元相连，控制数据采集和传输；所述传感器通道每通道可通用接入包括应变片、热电阻、热电偶、振动和压力传感器在内的各种传感装置，完成不同物理参数的测量。优选的，所述传感器通道的工作流程包括如下步骤：通过传感器类型确定，前端配置桥电路、上拉下来电阻、激励源类型等参数，以获取正确的信号输入输出；激励源通过默认配置输出激励源信号分别实现程控电流源和电压源，然后通过继电器选择输出；电压源输出为0V～15V，输出电流最大值为500mA；电流源输出为0mA～50mA，最大输出电压28V；可增益放大器配合输出的激励源信号获取最优信号采集范围，实现1/8-128级信号增益，带宽为6Mhz；选择最优的滤波器参数，实现64级中心频率、128级品质因数的智能控制；完成指定采样率的多通道同步数据采集，采样率支持到500Ksps，数据位宽为12bits，输出采用SPI串行通信接口；通过内置表查询功能实现通道校准并且片内查找表支持多点温度校准。优选的，所述步骤可增益放大器配合输出的激励源信号获取最优信号采集范围中采集范围寻优的工作流程包括如下步骤：从站模块通过可变增益放大器和程控激励源，共同展开参数寻优，找到使被采信号处于数采的最优范围，在程控激励源输出较大时，调整可变增益放大器获取最优配置；最优配置计算后存储在增益匹配表中，根据数采数据到表中寻取，之后再一次进行测试并且微调可变增益放大器和程控激励源。优选的，所述步骤选择最优的滤波器参数中滤波器参数寻优的工作流程包括如下步骤：首先设定程控滤波器不滤波，之后通过数采采集数据并且计算信号频率范围，通过信号频率范围去查找滤波参数表，并且根据查找参数设定滤波器，之后重新采样并再次判断信号范围以确定参数设定正常。优选的，在所述采集节点正确配置并建立时间同步后，采集数据采用超帧结构进行通讯，所述超帧结构包括GTS、CAP、CFP；所述GTS为保证时隙为活动超帧的一部分，为特殊应用开辟例如时间同步；所述CAP为竞争接入区，任何设备想在此时通讯，必须采用CSMA-CA竞争方式，此区域给配置等命令预留；所述CFP为非竞争区，按照时隙安排进行通讯。优选的，所述超帧结构采用基于时间同步的分时隙传输算法生成：将所有挂接在RS-485总线上的采集节点分别占用总线并传输一次数据的时间视为时隙总时间，每个采集节点传输自身数据所需要的时间视为分时隙；每次传输数据时，各个采集节点在固定的时间片段之内获得总线使用权，并向上层设备发送数据。优选的，实现所述基于时间同步的分时隙传输算法的系统包括如下功能模块：时钟同步模块：用于将各采集节点模块的本地时间与机载数据采集系统的主时钟设备时间进行同步，保证整个系统在同一的时标之下运行，为数据的分时隙传输提供基础；备通过RS-485总线以时间同步信息帧的方式与主时钟设备进行时间信息交互的功能，能够进行本地时间与系统主时钟设备时间的对比，得到时间校正量后传给本地时钟计时器模块；本地时间计数模块：用于在系统运行时实时记录各采集模块本地时间，同时根据时间同步模块得到的时间矫正量结果，矫正本地时间，实现本地时钟在设定的精度范围之内与系统主时钟同步；时隙判断模块：用于判断采集节点是否正处于自己所占用的时隙之中；实现对于自身发送数据量的判断、当前总线占用时隙的判断；根据自身采集节点所采集的参数类型得到所采集数据的频率，结合总线的速度计算出一次数据发送所需占用的时间；根据总线所挂载的模块数量及类型情况，动态的判断自身采集模块应该占用哪一个时隙；数据缓存FIFO：用于对所采集到的数据进行暂时性缓存，当不处于自身占用总线的时隙时，采集到的数据被存到数据缓存FIFO中，当时隙判断模块判定为自身占用的时隙时，数据缓存FIFO中存储的数据提出并进行下一步数据组帧操作；时间戳FIFO：当本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种串行分布式模拟量机载采集系统，其特征在于：包括集成控制主机、总线控制器以及总线接口模块；所述集成控制主机由一台高性能工作站构成，用于系统应用软件的调试、运行、实现及二次开发，通过交换机与所述总线控制器实现通讯；所述总线控制器实现对所述总线接口模块采集信息的汇聚和基本数据处理，通过交换机完成数据的交换传输、时间同步；所述总线接口模块加装不同类型传感器构成采集节点，实现各类参数的信号调理、数据采集，通过RS485总线完成数据传输、时间同步、设备配置。

【技术特征摘要】
1.一种串行分布式模拟量机载采集系统，其特征在于：包括集成控制主机、总线控制器以及总线接口模块；所述集成控制主机由一台高性能工作站构成，用于系统应用软件的调试、运行、实现及二次开发，通过交换机与所述总线控制器实现通讯；所述总线控制器实现对所述总线接口模块采集信息的汇聚和基本数据处理，通过交换机完成数据的交换传输、时间同步；所述总线接口模块加装不同类型传感器构成采集节点，实现各类参数的信号调理、数据采集，通过RS485总线完成数据传输、时间同步、设备配置。2.根据权利要求1所述的一种串行分布式模拟量机载采集系统，其特征在于：所述集成控制主机连接到机载采集网络系统中并与其他网络化机载采集器分配于一个子网中，在所述集成控制主机的插槽中插入所述总线控制器，然后由所述总线控制器的数传接口引出一根线缆，作供电与通讯之用，经过电源适配器的隔离，形成稳定的信号，连接到各个总线采集接口上，所述总线接口模块在系统工作时直接挂在线缆的分支点上，上电后开始采集工作。3.根据权利要求1所述的一种串行分布式模拟量机载采集系统，其特征在于：所述总线接口模块硬件由传感器通道、A/D数采、FPGA、RS485接口以及电源管理模块组成；所述传感器通道包括前置电路、程控恒流恒压源、可变增益放大电路，串行数据采集单元和控制单元；所述控制单元通过IIC通信总线和通用IO与所述前置电路、所述程控恒流恒压源、所述可变增益放大电路相连，通过SPI通信总线与所述串行数据采集单元相连，控制数据采集和传输；所述传感器通道每通道可通用接入包括应变片、热电阻、热电偶、振动和压力传感器在内的各种传感装置，完成不同物理参数的测量。4.根据权利要求3所述的一种串行分布式模拟量机载采集系统，其特征在于：所述传感器通道的工作流程包括如下步骤：通过传感器类型确定，前端配置桥电路、上拉下来电阻、激励源类型等参数，以获取正确的信号输入输出；激励源通过默认配置输出激励源信号分别实现程控电流源和电压源，然后通过继电器选择输出；电压源输出为0V～15V，输出电流最大值为500mA；电流源输出为0mA～50mA，最大输出电压28V；可增益放大器配合输出的激励源信号获取最优信号采集范围，实现1/8-128级信号增益，带宽为6Mhz；选择最优的滤波器参数，实现64级中心频率、128级品质因数的智能控制；完成指定采样率的多通道同步数据采集，采样率支持到500Ksps，数据位宽为12bits，输出采用SPI串行通信接口；通过内置表查询功能实现通道校准并且片内查找表支持多点温度校准。5.根据权利要求4所述的一种串行分布式模拟量机载采集系统，其特征在于：所述步骤可增益放大器配合输出的激励源信号获取最优信号采集范围中采集范围寻优的工作流程包括如下步骤：从站模块通过可变增益放大器和程控激励源，共同展开参数寻优，找到使被采信号处于数采的最优范围，在程控激励源输出较大时，调整可变增益放大器获取最优配置；最优配置计算后存储在增益匹配表中，根据数采数据到表中寻取，之后再一次进行测试并且微调可变增益放大器和程控激励源。6.根据权利要求4所述的一种串行分布式模拟量机载采集系统，其特征在于：所述步骤选择最优的滤波器参数中滤波器参数寻优的工作流程包括如下步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷爱强，毛为，冯灿，李瑞杰，陈咏梅，张逸飞，续龙，
申请(专利权)人：中国商用飞机有限责任公司，中国商用飞机有限责任公司民用飞机试飞中心，
类型：发明
国别省市：上海,31