CN103777625A

CN103777625A - 一种通用化的直升机实验室测控系统

Info

Publication number: CN103777625A
Application number: CN201410012445.1A
Authority: CN
Inventors: 赵琦; 张正浩; 刘苏潇; 陆国雷; 冯文全
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2034-01-10
Also published as: CN103777625B

Abstract

一种通用化的直升机实验室测控系统，它包括：前端信号采集模块、中心处理单元模块和显示与控制模块；完成对旋翼系统测试过程中遥测数据的接收、处理、分类存储、显示，遥控指令的发送功能；该前端信号采集模块通过信号线接入DB62接口与中心处理单元模块相连接，完成遥测数据的采集，通过相应的处理之后进入中央处理单元模块的核心部分，中心处理单元模块通过PCI插槽接入PCI总线，由PCI总线控制器PCI9054芯片完成和显示与控制模块相连接，完成中心处理单元模块与显示与控制模块的通信，显示与控制模块完成遥测数据的分类处理、存储，并将遥控指令发送给中心处理单元模块；该系统自动化、通用化显著，测试稳定，操作方便。

Description

一种通用化的直升机实验室测控系统

技术领域

本发明涉及一种通用化的直升机实验室测控系统。它能准确有效的完成直升机实验室旋翼转速测量、桨距计算、旋翼挥舞角/变距角测量、开关信号测量以及实验塔台旋翼步进电机控制等功能。该发明属于直升机旋翼系统测试领域。

背景技术

无人直升机作为无人驾驶飞行器能够在高灵活度、低危险性的条件下完成多种任务，近年来不仅成为了各高校、科研机构的研究实验平台，更成为现代化武器装备发展的热门方向。直升机实验室是直升机项目各个子系统检测、维护、改进和试验的重要保证，是提高直升机故障检测和诊断能力的主要手段。

北京航空航天大学直升机实验室主要针对共轴双旋翼直升机旋翼系统进行检测，同时也能完成单旋翼系统测试。实验室分为实验塔台与实验控制室两部分，其中实验塔台在测试时将安装旋翼运转，这就对测试系统提出了以下要求：

(1)由于安全问题，测试人员无法在旋翼运转状态下进入实验塔台进行测试，故需要测试系统采集各项参数传输回实验控制室进行分析；

(2)对系统所有数据要求采集后实时、精确显示在工控机上，以便保证实验参数的准确性；

(3)要求测试系统界面友好、简明，根据实际需求对采集参数进行处理，无需相关测试系统知识储备、其他常规工具（万用表、示波器、量角器等）。

目前国内的共轴双旋翼直升机遥控遥测系统大多针对无人直升机飞行控制及数据采集。越来越多的无人直升机设计与投入使用，过去以型号为主线的自上而下的测试管理模式已逐渐不能满足要求，直升机实验室测试系统成为必须面对的一个课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种通用化的直升机实验室测控系统，以满足直升机设计与测试的实际需求，能够完成直升机实验室旋翼转速测量、桨距计算、旋翼挥舞角/变距角测量、开关信号测量以及实验塔台旋翼步进电机控制等功能。

本发明的技术方案在于：如图1所示，本发明一种通用化的直升机实验室测控系统，整个系统分为3部分：前端信号采集模块1、中心处理单元模块2和显示与控制模块3，按照一定的流程完成对旋翼系统测试过程中遥测数据的接收、处理、分类存储、显示，遥控指令的发送等功能。各模块之间的连接关系如下所述：前端信号采集模块1通过信号线接入DB62接口与中心处理单元模块2相连接，完成遥测数据的采集，通过相应的处理之后进入中央处理单元模块2的核心部分——现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，即FPGA，本发明FPGA采用xilinx公司的spartan‐3芯片）；中心处理单元模块2通过PCI插槽接入PCI总线，由PCI总线控制器PCI9054芯片完成和显示与控制模块3相连接，完成中心处理单元模块2与显示与控制模块3的通信，显示与控制模块3完成遥测数据的分类处理、存储，并将遥控指令发送给中心处理单元模块2。

所述的前端信号采集模块1由（1.1）滑动电位计、（1.2）光电转换器及（1.3）开关电路三部分组成，且这三部分相互独立。

该（1.1）滑动电位计为通用设备，选用的型号为WDS36，将对旋翼处在不同角度位置时相应电信号（即模拟角度信号）进行采集，通过前端信号采集模块1中的信号连接器送入中心处理单元模块2；该（1.2）光电转换器为通用设备，选用设备满足以下参数要求即可：高10mm、反射距离<2mm、工作电压0～15V，光电转换器将对光信号转换为电信号（即转速/方向信号）进行采集，通过前端信号采集模块1中的信号连接器送入中心处理单元模块2，旋翼每转动一周，光电传感器输出四个脉冲电压信号，通过数据处理可得出转速值；该（1.3）开关电路为实验室常规接线，满足开关按下时电路接高电平、松开时电路接低电平即可，开关电路（即开关信号）的高低电平状态作为电信号通过前端信号采集模块1中的信号连接器送入中心处理单元模块2。

所述的中心处理单元模块2由本发明所设计的印刷电路板（Printed CircuitBoard，简称PCB板卡）实现。该PCB板卡设计分为6部分：（2.1）角度信号处理部分、（2.2）转速/方向信号处理部分、（2.3）开关信号处理部分、（2.4）PCI总线控制器部分（实现PCB板卡与计算机的数据读写控制）、（2.5）步进电机驱动信号控制部分（直升机实验室实验台共设置4路步进电机，分别与旋翼相连，通过控制步进电机伸缩长度来控制旋翼翼面位置）、（2.6）现场可编程门阵列FPGA时序逻辑控制部分。其中（2.1）～（2.5）部分根据不同功能的需求选用相应的芯片完成信号处理：（2.1）、（2.2）、（2.3）、（2.4）部分所处理的信号最终输入现场可编程门阵列FPGA中；（2.5）部分所处理的信号由可编程门阵列FPGA（下文简称FPGA）通过PCB板卡时序逻辑控制发送给步进电机。（2.6）部分主要由硬件描述语言Verilog编写，通过计算机加载到FPGA中实现预定的时序逻辑。

该（2.1）部分角度信号处理部分，12路模拟角度信号经过前端信号采集模块1得到模拟电压后进入中心处理单元模块2，由于FPGA对12路信号的处理不是同时而是依次进行，故需要经过多路开关选择器按顺序选择相应序号通路的角度信号，加到ADC（Analog‐to‐Digital Converter，ADC模拟到数字转换器，FPGA无法处理模拟信号，只能处理数字信号，故需使用ADC）模拟输入端，完成模拟信号到数字信号的转换，最终输入FPGA；该（2.2）部分转速/方向信号处理部分，由于前端信号采集模块1采集得到的转速/方向信号电压为5V，而FPGA工作电压为3.3V，故转速/方向信号需通过电压转换为3.3V送入FPGA，由硬件时序逻辑来实现频率测量；该（2.3）部分开关信号处理部分，同样需要通过电压转换成3.3V之后送入FPGA；该（2.4）部分PCI总线控制器，完成本设计PCB板卡与计算机之间的数据读写与控制：PCB板卡插在计算机的PCI插槽中，通过PCI总线与计算机交互数据，该数据传输、控制的全过程由PCI总线控制器进行PCI总线和局部总线的桥接，可以保证局部总线一端的设备在符合PCI总线的规范后连接到PCI总线上；该（2.5）部分步进电机驱动信号控制部分，FPGA得到操作员在计算机上下达的控制信号之后将发送方波信号与方向信号，通过芯片74HC05与MOS管BSS138放大后输出给步进电机，驱动步进电机运转；该（2.6）部分FPGA时序逻辑控制方面，本发明使用复杂可编程逻辑器件（ComplexProgrammable Logic Device，简称CPLD）和FPGA混合使用,以达到设计要求：CPLD完成对FPGA程序的加载并对PCI总线控制器进行配置；FPGA则在硬件描述语言Verilog编程下主要完成所需功能的要求。

所述显示与控制模块3由工控机与本发明所设计的PCIcom软件组成。工控机为通用设备，选用型号为研华IPC‐610P4‐30HC，上述PCB板卡通过PCI插槽与工控机连接工作通过PCI插槽与工控机连接工作。如图2所示，PCIcom软件完成数据的分析处理、友好显示以及指令的发送等功能：（1）模拟角度信号与转速信号由FPGA经过PCI总线读入软件后，通过累加求平均的方式得到符合精度要求的数据，并根据不同通道各信号名称显示在软件上；（2）开关信号由FPGA经过PCI总线读入软件后，在软件界面上根据不同开关序号显示“开”或“关”状态，并且当开关状态为“开”时，根据开关序号所对应的步进电机运转方式，发送控制信号驱动相应步进电机运转；（3）PCIcom软件根据用户需求能够设置步进电机移动距离零点位置，根据软件发送驱动步进电机工作的方波信号个数与每个方波驱动步进电机移动距离来计算步进电机当前位置，并显示；（4）PCIcom软件能够根据步进电机当前位置与所设零点位置之差，发送相应个数的方波驱动步进电机向反方向移动，从而完成“回零”功能。

本发明一种通用化的直升机实验室测控系统的优点及效果：从以上的描述可以看出，该直升机实验室测试系统自动化、通用化显著，并引入了实时分析、友好显示等功能，丰富了终端软件，极大提高了测试的效率，保障了测试的稳定性。实现了如下的技术效果：

（1）对不同类型数据进行分类处理，保证了信号的实时性与准确性；

（2）对系统外部全部54个信号线、22个PCI控制逻辑信号、数据总线地址总线56个等较多数据完成集成处理或显示；

（3）与实验控制台无缝连接，操作方便、简单。

附图说明

图1本发明所述系统结构框图

图2PCIcom软件流程图

图3FPGA功能定义框图

图中序号、符号说明如下：

1、前端信号采集模块；

2、中心处理单元模块；

3、显示与控制模块

具体实施方法

下面结合附图，对本发明的技术方案进行进一步的说明。

如图1与图2所示，本发明一种通用化的直升机实验室测控系统，整个系统分为3部分：前端信号采集模块1、中心处理单元模块2和显示与控制模块3，按照一定的流程完成对旋翼系统测试过程中遥测数据的接收、处理、分类存储、显示，遥控指令的发送等功能。各模块之间的连接关系如下所述：前端信号采集模块1通过信号线接入DB62接口与中心处理单元模块2相连接，完成遥测数据的采集，通过相应的处理之后进入中央处理单元模块2的核心部分——现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，即FPGA，本发明FPGA采用xilinx公司的spartan‐3芯片），FPGA功能定义如图3所示；中心处理单元模块2通过PCI插槽接入PCI总线，由PCI总线控制器PCI9054芯片完成和显示与控制模块3相连接，完成中心处理单元模块2与显示与控制模块3的通信，显示与控制模块3完成遥测数据的分类处理、存储，并将遥控指令发送给中心处理单元模块2。

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

为了更好的详细说明本技术方案，在具体实施时，再补充说明如下：

（1）模拟信号遥测数据工作流程

具体流程如下：

整个直升机实验室测试系统就绪后，12路模拟角度信号经过前端信号采集模块1得到模拟电压后进入中心处理单元模块2，由于FPGA对12路信号的处理不是同时而是依次进行，故需要经过多路开关选择器按顺序选择相应序号通路的角度信号，加到ADC（Analog‐to‐Digital Converter，ADC模拟到数字转换器，FPGA无法处理模拟信号，只能处理数字信号，故需使用ADC）模拟输入端，完成模拟信号到数字信号的转换，最终输入FPGA。这一过程由硬件板卡中多路开关选择器芯片MPC506AU、放大器AD620及ADC芯片ADS8509完成。

一个16位ADC完成所有模拟量的数字化，以遍历方式依次选通模拟开关，一个时刻只将一路模拟信号送至ADC进行模数转换。转换完毕之后送入FPGA，通过由PCI总线控制器PCI9054芯片控制PCI总线送入显示与控制模块3。PCIcom软件读取PCI总线中的数据之后，取100个数据去掉其中最大值与最小值进行累加，得到结果显示在软件界面上。通过PCIcom软件的处理使得数据显示较为精确，并且由于电压值传输过程中容易受到扰动等噪声干扰，软件处理后使得数据较为稳定。

由于ADC的速度高，一般都在微秒级，而被测信号频率较低，采集全部模拟信号并送显和分析的时间不超过1ms，满足系统实时性要求。

（2）转速/方位信号遥测数据工作流程

具体流程如下：

整个直升机实验室测试系统就绪后，1路转速信号与1路方位信号进入中心处理单元模块2，由于前端信号采集模块1采集得到的转速/方向信号电压为5V，而FPGA工作电压为3.3V，故转速/方向信号需通过电压转换为3.3V送入FPGA，通过由PCI总线控制器PCI9054芯片控制PCI总线送入显示与控制模块3。PCIcom软件读取PCI总线中的数据之后：对转速信号取30个数据去掉其中最大值与最小值进行累加，得到结果显示在软件界面上；由于方位信号高电平代表旋翼正转、低电平代表旋翼反转，电信号较为简单故直接显示即可。通过PCIcom软件的处理使得数据显示较为精确，并且由于电压值传输过程中容易受到扰动等噪声干扰，软件处理后使得数据较为稳定。

（3）开关信号遥测数据与步进电机遥控数据工作流程

开关信号遥测数据工作具体流程如下：

整个直升机实验室测试系统就绪后，40路开关信号进入中心处理单元模块2，经过电压转换芯片CD4504B将电压由12V转换为5V后，接1K欧姆电阻将输出电压转换为3.3V，送入FPGA，通过由PCI总线控制器PCI9054芯片控制PCI总线送入显示与控制模块3。PCIcom软件读取PCI总线中的数据之后，根据开关信号的高地电平在软件界面上直接显示相应的“开”或“关”状态。此为开关信号遥测数据工作流程。

步进电机遥控数据工作具体流程如下：

当开关信号为“开”时，软件将根据该开关所定义的步进电机运转方式，通过PCI总线控制器PCI9054芯片控制的PCI总线向FPGA发送控制信号，再由FPGA输出控制信号，通过74HC05芯片以及MOS管BSS138对信号进行放大以达到步进电机驱动器对输入电压及电流的要求后，向特定序号的步进电机发送特定的方波信号，以驱动步进电机按照测试人员给定的方式运转；当开关状态为“关”时，驱动信号发送停止。以上为实验室控制台操作按钮控制步进电机工作，使用软件直接控制步进电机工作原理相同。此为步进电机遥控数据工作流程。

综上所述，本发明一种通用化的直升机实验室测控系统，它由前端信号采集模块、中心处理单元模块和显示与控制模块3个部分组成；它们之间的相互连接关系是：前端信号采集模块1通过信号线接入DB62接口与中心处理单元模块2相连接，完成遥测数据的采集，通过相应的处理之后进入中央处理单元模块2的核心部分——FPGA；中心处理单元模块2通过PCI插槽接入PCI总线，由PCI总线控制器PCI9054芯片完成和显示与控制模块3相连接，完成中心处理单元模块2与显示与控制模块3的通信，显示与控制模块3完成遥测数据的分类处理、存储，并将遥控指令发送给中心处理单元模块2。本发明能够满足直升机设计与测试的实际需求：能够完成直升机实验室旋翼转速测量、桨距计算、旋翼挥舞角/变距角测量、开关信号测量以及实验塔台旋翼步进电机控制等功能。系统稳定性强且准确性高，它在直升机实验室测试领域具有实用价值和广阔的应用前景。

Claims

1.一种通用化的直升机实验室测控系统，其特征在于：该系统包括3部分：前端信号采集模块（1）、中心处理单元模块（2）和显示与控制模块（3），按照预定的流程完成对旋翼系统测试过程中遥测数据的接收、处理、分类存储、显示，遥控指令的发送功能；各模块之间的连接关系如下所述：前端信号采集模块（1）通过信号线接入DB62接口与中心处理单元模块（2）相连接，完成遥测数据的采集，通过相应的处理之后进入中央处理单元模块（2）的核心部分——现场可编程门阵列即FPGA；中心处理单元模块（2）通过PCI插槽接入PCI总线，由PCI总线控制器PCI9054芯片完成和显示与控制模块（3）相连接，完成中心处理单元模块（2）与显示与控制模块（3）的通信，显示与控制模块（3）完成遥测数据的分类处理、存储，并将遥控指令发送给中心处理单元模块（2）；

所述的前端信号采集模块（1）由（1.1）滑动电位计、（1.2）光电转换器及（1.3）开关电路三部分组成，且这三部分相互独立；

该（1.1）滑动电位计为通用设备，对旋翼处在不同角度位置时相应电信号即模拟角度信号进行采集，通过前端信号采集模块（1）中的信号连接器送入中心处理单元模块（2）；该（1.2）光电转换器为通用设备，选用设备满足以下参数要求即可：高10mm、反射距离<2mm、工作电压0～15V；该光电转换器将对光信号转换为电信号即转速/方向信号进行采集，通过前端信号采集模块（1）中的信号连接器送入中心处理单元模块（2），旋翼每转动一周，光电转换器输出四个脉冲电压信号，通过数据处理得出转速值；该（1.3）开关电路为常规接线，满足开关按下时电路接高电平、松开时电路接低电平即可，该（1.3）开关电路即开关信号的高低电平状态作为电信号通过前端信号采集模块（1）中的信号连接器送入中心处理单元模块（2）；

所述的中心处理单元模块（2）由所设计的印刷电路板即PCB板卡实现；该PCB板卡设计分为6部分：（2.1）角度信号处理部分、（2.2）转速/方向信号处理部分、（2.3）开关信号处理部分、（2.4）能实现PCB板卡与计算机数据读写控制的PCI总线控制器部分、（2.5）步进电机驱动信号控制部分、（2.6）现场可编程门阵列FPGA时序逻辑控制部分；其中（2.1）～（2.5）部分根据不同功能的需求选用相应的芯片完成信号处理：（2.1）、（2.2）、（2.3）、（2.4）部分所处理的信号最终输入现场可编程门阵列FPGA中；（2.5）部分所处理的信号由可编程门阵列FPGA（简称FPGA）通过PCB板卡时序逻辑控制发送给步进电机；（2.6）部分主要由硬件描述语言Verilog编写，通过计算机加载到FPGA中实现预定的时序逻辑；

该（2.1）角度信号处理部分，12路模拟角度信号经过前端信号采集模块（1）得到模拟电压后进入中心处理单元模块（2），由于该FPGA对12路信号的处理不是同时而是依次进行，故需要经过多路开关选择器按顺序选择相应序号通路的角度信号，加到模拟到数字转换器即ADC模拟输入端，完成模拟信号到数字信号的转换，最终输入FPGA；该（2.2）部分转速/方向信号处理部分，由于前端信号采集模块（1）采集得到的转速/方向信号电压为5V，而FPGA工作电压为3.3V，故转速/方向信号需通过电压转换为3.3V送入FPGA，由硬件时序逻辑来实现频率测量；该（2.3）开关信号处理部分，同样需要通过电压转换成3.3V之后送入FPGA；该（2.4）PCI总线控制器部分，完成本设计PCB板卡与计算机之间的数据读写与控制：PCB板卡插在计算机的PCI插槽中，通过PCI总线与计算机交互数据，该数据传输、控制的全过程由PCI总线控制器进行PCI总线和局部总线的桥接，保证局部总线一端的设备在符合PCI总线的规范后连接到PCI总线上；该（2.5）步进电机驱动信号控制部分，该FPGA得到操作员在计算机上下达的控制信号之后将发送方波信号与方向信号，通过芯片74HC05与MOS管BSS138放大后输出给步进电机，驱动步进电机运转；该（2.6）现场可编程门阵列FPGA时序逻辑控制部分，使用复杂可编程逻辑器件即CPLD和FPGA混合使用,以达到设计要求：该CPLD完成对FPGA程序的加载并对PCI总线控制器进行配置；该FPGA则在硬件描述语言Verilog编程下完成所需功能的要求；

所述显示与控制模块（3）由工控机与所设计的PCIcom软件组成；该工控机为通用设备，上述PCB板卡通过PCI插槽与工控机连接工作；该PCIcom软件完成数据的分析处理、友好显示以及指令的发送功能。

2.根据权利要求1所述的一种通用化的直升机实验室测控系统，其特征在于：所述的“该PCIcom软件完成数据的分析处理、友好显示以及指令的发送功能”，其功能内容有：（1）模拟角度信号与转速信号由FPGA经过PCI总线读入软件后，通过累加求平均的方式得到符合精度要求的数据，并根据不同通道各信号名称显示在软件上；（2）开关信号由FPGA经过PCI总线读入软件后，在软件界面上根据不同开关序号显示“开”或“关”状态，并且当开关状态为“开”时，根据开关序号所对应的步进电机运转方式，发送控制信号驱动相应步进电机运转；（3）该PCIcom软件根据用户需求能够设置步进电机移动距离零点位置，根据软件发送驱动步进电机工作的方波信号个数与每个方波驱动步进电机移动距离来计算步进电机当前位置，并显示；（4）该PCIcom软件能够根据步进电机当前位置与所设零点位置之差，发送相应个数的方波驱动步进电机向反方向移动，从而完成“回零”功能。