FPGA+POWER PC架构的实时飞行试验振动数据分析系统

时处理后的信号发送至机载数据网络。

高采样实时处理单元软件在实时操作系统下运行，使用NI公司的图形化编程语言LabVIEW RT、高级信号处理包、噪声振动信号处理包和基于赛灵思公司Xilinx ISE FPGA开发模块编制完成。机载高采样实时处理单元配置软件全部操作采用图形化的人机界面，能方便、直接、快速完成机载系统的配置。

机载高采样实时处理单元软件流程如图3所示。

图3机载高采样实时处理单元软件流程图

软件采用模块化设计的思想，以功能来划分各个不同的子模块。

2.2.1 实时网络数据传输模块设计

实时网络数据传输模块运用于机载高采样实时处理单元中，完成基于实时系统的网络数据接收及发送工作。实时网络数据传输模块程序算法及逻辑流程图如图4所示。

图4　实时网络数据传输模块程序算法及逻辑流程图

2.2.2 振动数据网络数据流解包打包模块设计

该模块运用于机载高采样实时处理单元中，依据任务需求，本系统可同时完成12个动态通道的振动数据接收和解包，同时兼顾将分析处理结果按输入的数据格式输出。振动数据流解包打包模块算法及流程图如图5所示。

图5　振动数据流解包打包模块算法及流程图

2.2.3 实时振动分析处理模块设计

由板载的FPGA逻辑门阵列完成基于硬件级的数据分析处理工作：数据工程量转换、可任意选择不小于12通道，由板载FPGA完成自定义频率分辨率实时振动频谱分析;由板载PFGA完成自定义多个关键单频点、频域带通范围振动能量及时域统计量分析。实时振动分析处理模块流程及算法如图6所示。

图6　实时振动分析处理模块流程及算法

时域参数分析处理算法实现：提取原始振动信号的有效值、峰值、峭度、峰值指标、裕度指标和脉冲指标等，最能反映飞机飞行振动状态的时域指标。

2.2.4 实时数据存储模块设计

实时数据存储模块运用于机载高采样实时处理单元中，用于存储在测试过程中记录的振动数据，根据测试需求用于存储数据的空间不小于4 GB。

实时数据存储模块算法及流程图如图7所示。

图7　 实时数据存储模块算法及流程图

2.2.5 配置及数据导出模块设计

通过网络接口，配置及数据导出模块完成对机载高采样实时处理单元的系统设置工作：选择遥测分析的通道、设定频带范围、谱线精度、时域统计参数配置以及系统设置的各项配置参数;选择需要导出的数据文件，完成数据导出工作。配置及数据导出模块算法及流程图如图8所示。

图8　配置及数据导出模块算法及流程图

图9　频域分析设置图形用户接口界面

图10　数据显示模块图形用户接口界面

3 关键技术

可靠实时的完成高速振动PCM流信号的接收、解包、分析和存储成为机载高采样实时处理单元需要解决的关键性技术，地面遥测分析单元的关键在于如何运用有效的数据处理方法对采集的数据进行分析，从而得出可信有效的振动分析结果。在该处理单元的研制中，突破了以下几方面的关键技术。

3.1 基于实时系统高速振动数据流信号的输入输出技术

由嵌人式实时系统完成高速振动网络数据流信号的接收及处理数据流的发送，在网络带宽允许的情况下，嵌入式实时系统精确的定时精度保证了基于网络数据传输的可靠性与可快速性。

3.2 基于FPGA平台的多通道实时并行频谱计算及数据分析技术

由于采用基于FPGA逻辑门阵列为数据处理平台，从而确保系统整个数据处理时间在微秒级的量级，从而保证大批量数据处理不会成为系统的瓶颈，保证了系统的实时性。

3.3 振动信号分析处理技术

通过使用各种频域分析、时域分析及时频域分析技术，同时结合型号试飞的需求以及在振动分析处理方面积累的经验和分析处理方法，形成了满足飞行试验振动数据分析方法。

4 结语

飞行试验振动信号实时监控迄今为止仅在某型直升机桨叶测振中进行，而且效果很不理想。本文所采用的方法可以实现多路信号的实时监控，而且可以针对不同科目的不同需求，在飞行前进行配置加载，同时还能够实现算法的选择、通道数量的选择以及所监控数据的结果形式的选择。

该项目不仅使用于飞行试验振动数据的实时监控，同时可以扩展到航天、舰船以及航空工业其他领域中。作为装机的机载测试设备，工程化后还能够为试飞院带来经济效益。