CN109491274A - 一种用于飞行试验的模块化嵌入式数据采集装置 - Google Patents

Abstract

一种用于飞行试验的模块化嵌入式数据采集装置，包括：电源模块、主控模块、采集模块、存储模块。热流采集模块、热电偶采集模块、压力采集模块；能够对外部接收的零点触发信号进行隔离处理，送至主控模块；电源模块能够与外部具有RS422接口的设备进行通信。主控模块用于控制采集模块的采集功能、传输功能，并将采集模块采集得到的数据和外部具有RS422接口的设备送来的数据进行整合、编码后通过LVDS总线发送给双备份的存储模块和外部遥测设备。所有数据存储于存储模块，飞行试验结束后可对存储模块进行回收，回读其内部存储的数据进行分析。

Description

一种用于飞行试验的模块化嵌入式数据采集装置

技术领域

本发明涉及一种用于飞行试验的模块化嵌入式数据采集装置，属于飞行器嵌入式数据采集技术领域。

背景技术

飞行试验是飞行器在真实大气环境中进行的科学研究或型号试验，是探索和验证新概念、新理论、关键技术、关键系统的重要手段。在空气动力学研究领域，风洞试验、飞行试验和数值计算被统称为空气动力学研究的三大手段。

飞行试验在飞行器的研制过程中非常重要，需要经过大量的研究试验以及系统测试，直到最终定型投入生产，为了获取飞行器飞行试验过程中内部各个系统的工作状态参数以及环境数据参数，因此就需要在飞行器上安装可以记录试验过程的数据采集存储器，记录飞行试验过程中内部系统的飞行姿态、环境参数、电源参数、控制信息、图像信息等各种数据，并通过综合分析各种数据来评测飞行器的性能。需要将飞行器飞行试验过程中内部各个系统的工作状态参数以及环境参数数据实时记录下来，再进行事后回收分析和研究。

现有采集装置没有根据传感器类型对电路进行分类设计，所有信号在同一采集电路进行采集，不同种类信号之间相互影响，容易引入干扰，导致数据失真；现有的数据采集装置基本都是一体化设计，电源、主控和采集设计在一块电路板，当有新型传感器数据需要采集或者试验任务需求不同时，采集装置需要全部重新设计、生产，因而周期较长无法快速实施，系统可靠性无法迅速验证；；当采集装置出现问题需要维修或者更换时，往往需要整体返厂或者整体更换，灵活性差、代价较高，也会影响试验进度。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种用于飞行试验的模块化嵌入式数据采集装置，将电源模块、主控模块、采集模块分别进行独立模块化设计，统一外形结构及连接方式。本发明针对不同类型传感器设计不同类型采集模块，有效避免了信号之间的相互干扰，提高数据采集可靠性；采用模块化设计，可以在既有产品基础上根据试验任务需求不同进行采集模块的扩展，实现快速实施，针对新型传感器可单独设计对应采集模块，不必对所有电路重新设计，提高最终产品可靠性；当采集装置出现故障需要维修或者更换时，由于模块化设计，可只更换故障模块并可在替换后迅速投入使用，减少维修难度和维修时间，保证试验进度。

本发明解决的技术方案为：一种用于飞行试验的模块化嵌入式数据采集装置包括：主控模块、采集模块、电源模块、存储模块；

装置上电后，电源模块将弹载的总电压进行稳压调理、电压转换后为主控模块、采集模块、存储模块进行稳定供电；同时能够对外部接收的零点触发信号进行隔离处理后，送至主控模块；主控模块，用于控制采集模块的采集和传输数据，并将采集模块采集得到的数据和外部具有RS422接口的设备送来的数据进行打包、编码后通过LVDS总线发送给双备份的存储模块进行存储。

零点触发信号为持续1-5s的高电平信号。

外部具有RS422接口的设备，包括：压力扫描阀、惯组设备、遥测设备；电源模块上设置有6路RS422接口，能够分别完成与外部具有RS422接口的设备进行通信。

互为备份的存储模块，包括：两个独立工作的存储模块，两个存储模块存储相同的数据，其中一个存储模块发生故障时，另一个不受影响，能够完整保存数据。

采集模块，包括：热流采集模块、热电偶采集模块、压力采集模块、应变采集模块，受主控模块控制，热流采集模块用于采集同轴热电偶的电压信息；热电偶采集模块用于采集热电偶的电压信息；压力采集模块用于采集飞行器表面和舱内压力，应变采集模块用于采集飞行器结构变形。

同轴热电偶为风洞试验、飞行试验用的热流传感器。

热电偶为风洞试验、飞行试验用的测量温度的传感器。

应变采集模块通过应变片传感器，粘贴在飞行器变形测量区域表面，采集飞行器结构变形量实现。

主控模块将采集模块采集得到的数据，按照相同的帧长度(优选128KB帧长度)进行打包存储至存储模块，以便于数据回读、分析。

主控模块将外部具有RS422接口的设备送来的数据，进行解析，按照相同的帧长度进行打包存储至存储模块。

主控模块能够根据用户需求，将采集模块采集得到的数据和具有RS422接口的设备送来的数据中的需求数据，按照约定的通信协议发送给外部飞行器的遥测设备。

将采集模块采集得到的数据和外部具有RS422接口的设备送来的数据进行打包，具体为：

对具有RS422接口的设备送来的数据进行解析，转换成与外部飞行器的遥测模块通信的频率和数据格式，得到RS422数据；将采集模块采集得到的数据和外部具有RS422接口的设备送来的数据中高采样频率的数据进行采样处理，得到抽样数据；将抽样数据和RS422数据按照与外部飞行器的遥测模块通信的频率和数据格式进行打包，实现整合；高采样频率是指比与外部飞行器的遥测设备通信的频率高的频率。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明涉及一种模块化的嵌入式数据采集存储装置，适用于飞行试验过程中强冲击振动条件下的压力、热流、应变等传感器数据的获取、处理及存储；

(2)本发明的种数据采集装置被放置在弹体内有限的空间，在飞行试验过程中将内部系统的各种参数信息实时存储下来，试验结束后将存储单元进行回收，读出各种参数数据并进行分析处理；

(3)本发明采用模块化设计，将电路分为不同模块，每一个模块功能较少，简化了每个模块的电路结构，便于维修和更换；

(4)本发明通过板间连接器进行电气信号传输，各模块采用相同连接器，使得装置可快速扩展，适应采集通道数扩展的需求；

(5)本发明设计层层咬合结构，每个采集装置由1个电源模块、1个主控模块和多个采集模块构成；最底层为电源模块、第二层为主控模块，再上层为多个采集模块(最多可安装10个采集模块)，能够经受严苛的环境试验考核。

附图说明

图1为本发明采集装置总体功能框图；

图2为本发明采集器分层结构图；

图3为本发明数据采集器外形及尺寸示意图；

图4为本发明电源模块原理图；

图5为本发明主控模块原理图；

图6为本发明热流/热电偶采集模块原理图；

图7为本发明压力/应变采集模块原理图；

图8为本发明上位机功能框图；

图9为本发明主控模块工作流程图；

图10为本发明存储模块工作流程图。

具体实施方式

本发明一种用于飞行试验的模块化嵌入式数据采集装置，包括：电源模块、主控模块、热流采集模块、热电偶采集模块、压力采集模块、应变采集模块、存储模块。热流采集模块、热电偶采集模块、压力采集模块、应变采集模块外形接口一致，可以根据通道数目进行数量扩展，能够实现系统快速搭建。该装置能够稳定可靠地获取飞行试验过程中的热流、温度、压力、应变等数据，全部存储于存储模块。装置上电后，电源模块将弹载的总电压进行稳压调理、电压转换后为主控模块、采集模块、存储模块进行稳定供电；同时能够对外部接收的零点触发信号进行隔离处理，送至主控模块；电源模块上设置有6路RS422接口，能够与外部具有RS422接口的设备进行通信。主控模块，用于控制采集模块的采集功能、传输功能，并将采集模块采集得到的数据和外部具有RS422接口的设备送来的数据进行整合、编码后通过LVDS总线发送给双备份的存储模块和外部遥测设备。热流采集模块可以采集同轴热电偶的电压信号，用于热流计算；热电偶采集模块用于采集测温热电偶的电压信号，用于温度计算；压力采集模块用于采集压力传感器电压信号，用于压力计算；应变采集模块用于采集应变传感器电压信号，用于应变计算。所有数据存储于存储模块，飞行试验结束后可对存储模块进行回收，回读其内部存储的数据进行分析。

本发明安装于飞行器设备舱内，用于获取飞行器飞行试验过程中内部各个系统的工作状态参数以及环境数据参数。热流采集模块采集的热流传感器为飞行试验用的同轴热电偶，其安装于飞行器表面，用于获取飞行器试飞过程的热流数据；热电偶采集模块采集的热电偶传感器为铠装热电偶，其安装于飞行器内表面及设备舱内，用于获取飞行器内避免温度及设备舱温度；压力采集模块采集的压力传感器为硅压阻或硅谐振式压力传感器，安装于飞行器表面获取表面压力变化情况，安装于设备舱内获取设备舱压力；应变传感器采集的应变传感器为耐高温半桥应变片，其粘贴在飞行器变形测量区域表面，采集飞行器结构变形量；主控模块采集的外部RS422设备安装于设备舱内，获取飞行器的飞行姿态、速度等状态信息。所有信息经主控模块统一处理后，全部存储于存储模块中，用于事后回收分析和研究；飞行过程中，主控模块将需要信息打包传送至遥测设备，遥测设备下传至地面监测站，用于监测飞行状态，判定试验是否成功。

如图1所示，一种用于飞行试验的模块化嵌入式数据采集装置，其特征在于包括：主控模块、热流采集模块、热电偶采集模块、压力采集模块、应变采集模块、电源模块、存储模块。

装置上电后，电源模块将弹载的总电压进行稳压调理、电压转换后为主控模块、采集模块、存储模块进行稳定供电；同时能够对外部接收的零点触发信号进行隔离处理，送至主控模块，零点信号约定为持续1-5s的高电平信号；

主控模块，用于控制采集模块的采集功能、传输功能，并将采集模块采集得到的数据主，按照相同的帧长度(128KB)进行打包存储至存储模块；将外部具有RS422接口的设备(如图1中所示压力扫描阀、惯组设备、遥测设备等)送来的数据，进行解析，按照相同的帧长度进行打包存储至存储模块，以便于数据回读、分析。

主控模块对具有RS422接口的设备送来的数据进行解析，转换成与外部飞行器的遥测模块通信的频率和数据格式，得到RS422数据；将采集模块采集得到的数据和外部具有RS422接口的设备送来的数据中高采样频率(比与外部飞行器的遥测设备通信的频率高的频率)的数据进行抽样处理，得到抽样数据；将抽样数据和RS422数据按照与外部飞行器的遥测设备通信的频率和数据格式进行打包，实现整合，然后发送至遥测设备，用于飞行过程中数据状态监测，判定试验测试任务是否成功。

如图2所示，本法明采用模块化结构，各模块之间通过J80-96ZK13板间连接器进行电气信号传输，数据全部汇总至主控模块，再由主控模块发送至存储模块进行存储；存储功能由两个独立工作的存储模块完成，两个存储模块存储相同的数据，其中一个存储模块发生故障时，另一个不受影响，能够完整保存数据。

如图3所示为本发明在某次飞行试验中应用的外形，该结构由七层板卡模块组成，包含1个电源模块、1个主控模块和5个采集模块组成，外形尺寸为：120mm，100.9mm，209mm。

如图4为电源模块设计原理图，最右侧J80连接器用于进行电气信号传输。外部28V供电电源信号进入该模块后，首先经EMI滤波电路进行滤波，消除电源波动影响，然后经电源转换电路将28V电源转换为其他模块所需的5V电压输出到连接器上；外部进入的零点信号经隔离、降压后输出至主控模块；6路RS422通讯电路也设置在该模块，其受主控模块控制，与外部RS422设备进行通讯，数据经连接器输出至主控模块。

如图5所示为主控模块电路原理图，其将电源模块输送过来的5V信号进行调理，获得工作所需的3.3V等电压。主控模块的控制器芯片为FPGA，能够实现对采集模块的数据信号、零点触发信号及RS422信号的协调统一处理。主控模块上还设置有LVDS总线接口，用于将数据写入存储模块，设置有LAN接口和RS422接口用于接收控制指令和数据回读。

如图6所示为热流采集模块、热电偶采集模块共用的原理图。其对输入的28V电源进行调理，变为所需的工作电压。每个采集模块由5个AD组成，每个AD能够完成8路信号采集，模块共计能提供40路信号采集能力。每个通道的最高采样率可达20KHz，精度为0.2％F.S.，完全能够满足热流采集和热电偶采集的需求。根据应用不同，热流采集模块和热电偶采集模块在放大滤波调理部分进行不同设计，热流信号频率成分复杂，因此滤波频率设置较高；热电偶测量的温度属于缓慢变化量，因此滤波频率较低。

如图7所示，为压力采集模块、应变采集模块共用的原理图。其对输入的28V电源进行调理，变换为所需的工作电压。该模块可以对传感器进行供电，压力采集模块的供电电压为10V，应变采集模块的供电电压为2V。每个采集模块由2个AD组成，每个AD能够完成8路信号采集，模块共计能提供16路信号采集能力。压力采集模块的最高采样率可达100KHz，精度为0.2％F.S.；应变采集模块的最高采样率可达20KHz，精度为0.2％F.S.。根据应用不同，压力采集模块和应变采集模块在放大滤波调理部分进行不同设计，压力信号频率较高，因此滤波频率设置较高；应变测信号属于缓慢变化量，因此滤波频率较低。

如图8所示为上位机软件功能框图，实现参数设置、启动采集、状态查询、数据浏览、数据传输和数据解析功能。

如图9所示为主控模块优选的进一步功能流程图，主控模块优选的进一步功能为：根据上位机软件发送的命令执行相应的操作。在收到启动采集指令后进入采集状态，当收到零点触发信号后，数据包号开始增加，用于对所有数据进行时序统一；收到数据回读指令后，将选择的数据进行回放，回放完毕后停止；收到记录指令后，开始向存储模块写入数据，并且在接收到停止记录命令或断电之前一直写入，该状态还保存在FLASH中，在飞行过程中即便意外断电再上电，仍可保证数据继续写入。

图10为存储模块功能流程图，存储模块进一步优选的功能为：存储模块在自检完毕后进入记录状态但并未锁定记录，此时可以响应格式化、回放数据和进入锁定指令；当进入锁定状态后，除解除锁定外不再响应任何指令，一直进行数据记录，防止误操作导致的数据无法存储。

本发明设计完成后，如表1所示，由于模块化设计可充分利用已有模块，新需求开发周期由原来的6个月降低至3个月，维修周期由原来3天降低至1天，大大提高了开发效率和维修效率。

表1本发明优点示意表

项目	原设计	本发明
			新需求开发	重新设计、生产，6个月	模块扩展，3个月
维修周期	电路板整体维修，3天	更换模块，1天

本发明设计完成后，通过了表2所列的各项环境试验考核，并且在XX系列飞行试验中执行了两次数据采集存储任务。采用图1和图2所示的设计，共计进行128个热流、热电偶、压力、应变数据采集，所有信号完整获取。

表2环境试验考核项目表

项目	指标	结果
			高低温工作	-40℃～70℃，工作两小时	通过
低气压	50Pa，30min	通过
			冲击	X轴正向：50g	通过
振动	100～1000Hz：0.20g<sup>2</sup>/Hz	通过
			加速度	X轴：+30g～-5g；Y轴、Z轴±5g；	通过

本发明涉及一种模块化的嵌入式数据采集存储装置，适用于飞行试验过程中强冲击振动条件下的压力、热流、应变等传感器数据的获取、处理及存储；本发明的种数据采集装置被放置在弹体内有限的空间，在飞行试验过程中将内部系统的各种参数信息实时存储下来，试验结束后将存储单元进行回收，读出各种参数数据并进行分析处理；

本发明采用模块化设计，将电路分为不同模块，每一个模块功能较少，简化了每个模块的电路结构，便于维修和更换；通过板间连接器进行电气信号传输，各模块采用相同连接器，使得装置可快速扩展，适应采集通道数扩展的需求；

本发明设计层层咬合结构，每个采集装置由1个电源模块、1个主控模块和多个采集模块构成；最底层为电源模块、第二层为主控模块，再上层为多个采集模块(最多可安装10个采集模块)，能够经受严苛的环境试验考核。

Claims (10)

1.一种用于飞行试验的模块化嵌入式数据采集装置，其特征在于包括：主控模块、采集模块、电源模块、存储模块；

装置上电后，电源模块将弹载的总电压进行稳压、电压转换后为主控模块、采集模块、存储模块进行稳定供电；同时电源模块能够对外部接收的零点触发信号进行隔离处理后，送至主控模块；主控模块，用于控制采集模块的采集和传输数据，并将采集模块采集得到的数据和外部具有RS422接口的设备送来的数据进行打包、编码后通过LVDS总线发送给互为备份的存储模块进行存储。

2.根据权利要求1所述的一种用于飞行试验的模块化嵌入式数据采集装置，其特征在于：零点触发信号为持续1-5s的高电平信号。

3.根据权利要求1所述的一种用于飞行试验的模块化嵌入式数据采集装置，其特征在于：外部具有RS422接口的设备，包括：压力扫描阀、惯组设备、遥测设备；电源模块上设置有6路RS422接口，能够分别完成与外部具有RS422接口的设备进行通信。

4.根据权利要求1所述的一种用于飞行试验的模块化嵌入式数据采集装置，其特征在于：互为备份的存储模块，包括：两个独立工作的存储模块，两个存储模块存储相同的数据，其中一个存储模块发生故障时，另一个不受影响，能够完整保存数据。

5.根据权利要求1所述的一种用于飞行试验的模块化嵌入式数据采集装置，其特征在于：采集模块，包括：热流采集模块、热电偶采集模块、压力采集模块、应变采集模块，受主控模块控制，热流采集模块用于采集同轴热电偶的电压信息；热电偶采集模块用于采集热电偶的电压信息；压力采集模块用于采集飞行器表面和舱内压力，应变采集模块用于采集飞行器结构变形。

6.根据权利要求1所述的一种用于飞行试验的模块化嵌入式数据采集装置，其特征在于：同轴热电偶为风洞试验、飞行试验用的热流传感器。

7.根据权利要求1所述的一种用于飞行试验的模块化嵌入式数据采集装置，其特征在于：热电偶为风洞试验、飞行试验用的测量温度的传感器。

8.根据权利要求1所述的一种用于飞行试验的模块化嵌入式数据采集装置，其特征在于：应变采集模块通过应变片传感器，粘贴在飞行器变形测量区域表面，采集飞行器结构变形量实现。

9.根据权利要求1所述的一种用于飞行试验的模块化嵌入式数据采集装置，其特征在于：主控模块将采集模块采集得到的数据，按照相同的帧长度进行打包存储至存储模块，以便于数据回读、分析。

10.根据权利要求1所述的一种用于飞行试验的模块化嵌入式数据采集装置，其特征在于：主控模块将外部具有RS422接口的设备送来的数据，进行解析，按照相同的帧长度进行打包存储至存储模块。