CN110360024A - 一种基于fpga+dsp的火箭发动机机载故障诊断装置 - Google Patents

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赵万里
赵占越
杨菁
孙浩
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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA+DSP的火箭发动机机载故障诊断装置，采用FPGA与DSP相结合的双处理器协同技术，利用FPGA灵活的配置能力和并行计算能力,来控制模数转换芯片进行火箭发动机传感器数据采集和外部输入指令的录取功能；将数据通过总线传递给DSP，使得DSP中只运行故障诊断算法，减小DSP运行负荷，利用DSP强大的运算能力来进行故障诊断算法的实现。火箭发动机机载故障诊断装置将微处理模块、数据采集模块、电源模块、通信模块、故障显示报警模块和数据存储单元的功能模块全部集成在一块板卡上，留出相应的接口，使得故障诊断装置集成度高且体积小；安全可靠，易于维护及扩展，可用于多种火箭发动机机载故障诊断中。

Description

一种基于FPGA+DSP的火箭发动机机载故障诊断装置
技术领域
本发明涉及火箭发动机故障诊断技术领域，具体地说，涉及一种基于FPGA+DSP的火箭发动机机载故障诊断装置。
背景技术
火箭发动机是在极端物理条件下运行的复杂热力学系统，其故障的发生和发展具有极端的快速性和极大的破坏性。因此对火箭发动机的安全性和可靠性提出了更高的要求，发展可靠有效的发动机故障诊断系统，可以对发动机工作过程中出现的故障予以预警和判断，并能及时采取有效措施，保护火箭和载荷安全，可有效避免由于发动机故障而引起的灾难性事故。
目前，已有提出的很多故障诊断算法对发动机进行健康监控，但大多数算法都是停留在软件仿真阶段和硬件在回路仿真阶段，故障诊断设备都比较大型并且主要应用于硬件在回路仿真试验和地面试车台试验，而直接应用于机载系统中进行实时在线的故障诊断装置较少。火箭发动机实时故障诊断是一项极其复杂的工程，要求控制器集成度高、综合性强，故需要将现主流芯片相互结合起来的组成多处理器架构，进行优势互补。
专利201620211272.0“一种用于发动机台架试验的失火故障诊断装置”，该装置用于接收传感器信号并进行滤波处理形成AD输入信号，然后进行短时傅里叶变换通过DSP芯片进行处理，最终将瞬时转速转化为波形显示并与设定阈值进行比较完成故障诊断。该装置只涉及到一路转速传感器的AD数据，使用单处理器DSP来对诊断数据进行处理，并通过USB接口发送至计算机。该装置结构比较简单，不适用处理多路传感器并且精度要求较高的数据，很难在火箭发动机在线故障诊断领域进行应用。
在文献“基于DSP与FPGA的列车传动系统在线监测装置研究”提出以DSP与FPGA相结合的方式作为硬件架构的采集处理板卡核心的硬件设计和嵌入式软件开发，主要将该装置应用于列车传动系统故障诊断中。该装置由DSP完成数据在线处理，FPGA完成外设控制，并配有相应的通信接口。该装置分别设计了电源板卡、速度板卡、继电器板卡和采集处理板卡并装入机箱中，来对列车上的传感器进行实时在线监测。该装置虽然可以进行实时状态监测，但通过每个板卡堆叠而成的机箱体积相对庞大，接口较多。如果应用于火箭发动机故障诊断中，只适用于硬件在回路仿真平台和台架试车试验中，很难应用于真正的火箭发动机机载诊断装置中，这样会占用较大的体积和重量，不能达到火箭发动机控制系统要求的重量减轻、成本降低。并且该装置只对6路AD数据进行处理，如果应用在火箭发动机这种传感器较多的设备中需要额外增加板卡。
发明内容
为了避免现有技术的不足，本发明提出一种基于FPGA+DSP的火箭发动机机载故障诊断装置，该装置采用FPGA+DSP双处理器协同技术，利用FPGA灵活的配置能力和并行计算能力来控制模数转换芯片进行火箭发动机传感器数据采集，利用DSP强大的运算能力来进行故障诊断算法的实现。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括微处理器模块、电源模块、数据采集模块、故障显示报警模块、通讯模块和数据存储单元，其特征在于微处理器模块采用FPGA与DSP相结合的双处理器，并配有RAM、FLASH、复位设计和时钟电路，用于完成数据采集和故障诊断算法的验证，将FPGA配置能力和DSP运算能力结合为一体；电源模块通过设计升压降压电路来对电路进行调理，数据采集模块由ADC组成，根据所需的通道来确定使用的AD数量；输出报警模块采用指示灯和蜂鸣器作为报警装置，实现故障诊断结果的实时显示；通讯模块由RS422协议芯片和1553模块组成，通过RS422通讯或1553通信将故障诊断结果传输给发动机控制器；数据存储单元采用SD卡实现，便于数据的存储和传输；发动机各传感器数据经AD采集模块处理并传输至数字处理模块，经其内部故障诊断算法判定故障逻辑并输出；在有故障触发时，蜂鸣器报警及指示灯变为红色加以提示，同时中间数据被记录并转存至SD卡中，故障诊断结果通过串口或1553B与控制器通讯并在上位机中显示；
所述电源模块输入端设计有EMI滤波及瞬态抑制并采用储能技术，保证系统供电出现不超过200μs的异常掉电时，故障诊断装置仍可正常工作；其中，包含将27V直流电源降为5V、3.3V、1.8V和1.2V电压，供故障诊断装置内部模块使用；
所述数据采集模块包括三片16位8通道的模数转换芯片，实现对外部24路传感器信号同时进行采集，测量范围为-10V～10V，转换时间1us；其包含8路数字指令录取功能和8路数字指令输出功能；
所述通讯模块包含RS422通信和1553B通信，RS422通信设备之间隔离地不相连，1553B设计为RT端，实现与控制器的实时数据传输；
所述故障显示报警模块采用蜂鸣器和三色LED指示灯，指示灯为绿色时状态无故障，指示灯为红色时状态有故障触发，同时蜂鸣器报警30s。
所述数据存储单元包括SD卡和SD卡座。
有益效果
本发明提出的一种基于FPGA+DSP的火箭发动机机载故障诊断装置，采用FPGA与DSP相结合的双处理器协同技术，利用FPGA灵活的配置能力和并行计算能力,来控制模数转换芯片进行火箭发动机传感器数据采集和外部输入指令的录取功能；将数据通过总线传递给DSP，使得DSP中只运行故障诊断算法，减小DSP运行负荷，使得处理速度加快；利用DSP强大的运算能力来进行故障诊断算法的实现。
本发明火箭发动机机载故障诊断装置，配置24路16位的高精度ADC，满足参数采集要求，采样精度可达到1mV，充分配合故障诊断算法对火箭发动机健康状态确定。电源模块采用滤波技术、储能技术并且对各模块分别进行供电，使得故障诊断装置安全可靠。
本发明火箭发动机机载故障诊断装置，将微处理模块、数据采集模型、电源模块、通信模块、故障显示报警模块和数据存储单元的功能模块全部集成在一块板卡上，留出相应的接口，使得装置集成度高，且体积小、价格低廉、通用性高，易于维护及扩展，适用于火箭发动机机载故障诊断装置中。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种基于FPGA+DSP的火箭发动机机载故障诊断装置作进一步详细说明。
图1为本发明火箭发动机机载故障诊断装置总体框图。
图2为本发明火箭发动机机载故障诊断装置流程图。
图3为本发明火箭发动机机载故障诊断装置的电源模块图。
图4为本发明火箭发动机机载故障诊断装置的复位功能框图。
具体实施方式
本实施例是一种基于FPGA+DSP的火箭发动机机载故障诊断装置。
参阅图1、图2、图3、图4，本实施例基于FPGA+DSP的火箭发动机机载故障诊断装置，由微处理器模块、电源模块、数据采集模块、故障显示报警模块、通讯模块和数据存储单元组成；其中，微处理器模块采用FPGA与DSP相结合的双处理器，并配有RAM、FLASH、复位设计和时钟电路，主要完成高精度数据采集和故障诊断算法的验证，将FPGA灵活的配置能力和DSP强大的运算能力高效地整合为一体，而且体积小、通用性高，易于维护及扩展。电源模块通过设计升压降压电路来对电路进行调理，使其满足要求。数据采集模块包括高精度ADC，根据所需的通道来确定使用的AD数量；输出报警模块采用指示灯和蜂鸣器作为报警装置，实现故障诊断结果的实时显示。通讯模块由RS422协议芯片和1553模块组成，通过RS422通讯或1553通信将故障诊断效果传输给发动机控制器；数据存储单元采用SD卡实现，便于数据的存储和传输。发动机各传感器数据经AD采集模块处理并传给数字处理模块，经其内部故障诊断算法判定故障逻辑并输出；在有故障触发时，蜂鸣器报警及指示灯变为红色加以提示，同时中间数据被记录并转存至SD卡中，故障诊断结果通过串口或1553B与控制器通讯并在上位机中显示。
本实施例中，电源模块输入端设计有EMI滤波及瞬态抑制并采用储能技术，保证系统供电出现不超过200μs的异常掉电时，故障诊断装置仍可正常工作；包含将27V直流电源降为5V、3.3V、1.8V和1.2V电压，供故障诊断装置内部模块使用。数据采集模块包括三片16位8通道的模数转换芯片，实现对外部24路传感器信号同时进行采集，测量范围为-10V～10V，转换时间1us；包含8路数字指令录取功能和8路数字指令输出功能。通讯模块包含RS422通信和1553B通信，RS422通信设备之间隔离地不相连，1553B设计为RT端，实现与控制器的实时数据传输。故障显示报警模块采用蜂鸣器和三色LED指示灯，指示灯为绿色时表示当前状态无故障，指示灯为红色时表示当前状态有故障触发，同时蜂鸣器报警30s。数据存储单元包括SD卡和SD卡座。
本实施例中，发动机机载故障诊断装置启动后，首先进行供电，供电正常后，发动机各传感器数据经AD采集模块处理并传输给数字处理模块，经其内部故障诊断算法判定故障逻辑并输出。在有故障触发时，蜂鸣器报警及LED指示灯变为红色加以提示，同时中间数据被记录并转存至SD卡中，故障诊断装置可通过串口或1553B与控制器通讯并在上位机中显示。电源所需要的电源类型为3.3V、1.8V、1.2V三种，为保证设计的可靠性，各模块单独供电，DSP和FPGA采用各自的电源管理芯片。选用TPS70345芯片产生3.3V电压和1.2V电压，采用TPS70351芯片产生3.3V电压和1.8V电压。
本实施例中，发动机机载故障诊断装置可实现总复位、DSP复位和FPGA复位；其中MR为TPS70345和TPS70351的复位信号控制端，低电平有效。当MR有效时，DSP_RSTn和FPGA_RSTn输出低电平，DSP和FPGA复位；当MR无效时，经过120ms后复位信号输出由低电平变为高电平，结束对后级电路的复位。

Claims (2)

1.一种基于FPGA+DSP的火箭发动机机载故障诊断装置，包括微处理器模块、电源模块、数据采集模块、故障显示报警模块、通讯模块和数据存储单元，其特征在于:微处理器模块采用FPGA与DSP相结合的双处理器，并配有RAM、FLASH、复位设计和时钟电路，用于完成数据采集和故障诊断算法的验证，将FPGA配置能力和DSP运算能力结合为一体；电源模块通过设计升压降压电路来对电路进行调理，数据采集模块由ADC组成，根据所需的通道来确定使用的AD数量；输出报警模块采用指示灯和蜂鸣器作为报警装置，实现故障诊断结果的实时显示；通讯模块由RS422协议芯片和1553模块组成，通过RS422通讯或1553通信将故障诊断结果传输给发动机控制器；数据存储单元采用SD卡实现，便于数据的存储和传输；发动机各传感器数据经AD采集模块处理并传输至数字处理模块，经其内部故障诊断算法判定故障逻辑并输出；在有故障触发时，蜂鸣器报警及指示灯变为红色加以提示，同时中间数据被记录并转存至SD卡中，故障诊断结果通过串口或1553B与控制器通讯并在上位机中显示；
所述电源模块输入端设计有EMI滤波及瞬态抑制并采用储能技术，保证系统供电出现不超过200μs的异常掉电时，故障诊断装置仍可正常工作；其中，包含将27V直流电源降为5V、3.3V、1.8V和1.2V电压，供故障诊断装置内部模块使用；
所述数据采集模块包括三片16位8通道的模数转换芯片，实现对外部24路传感器信号同时进行采集，测量范围为-10V～10V，转换时间1us；其包含8路数字指令录取功能和8路数字指令输出功能；
所述通讯模块包含RS422通信和1553B通信，RS422通信设备之间隔离地不相连，1553B设计为RT端，实现与控制器的实时数据传输；
所述故障显示报警模块采用蜂鸣器和三色LED指示灯，指示灯为绿色时状态无故障，指示灯为红色时状态有故障触发，同时蜂鸣器报警30s。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA+DSP的火箭发动机机载故障诊断装置，其特征在于:所述数据存储单元包括SD卡和SD卡座。
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