CN114397843A - 一种基于fpga的大气数据处理模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于FPGA的大气数据处理模块，本发明构建了基于FPGA的通用化、高可靠性的小型化大气数据模块，具有尺寸、重量和功耗等多方面的优势；其紧挨气压探头安装方式，减少气路管路的重量；其未将电子设备与低可靠性的机械探头和加热器组合使用，显著提高了可靠性；本发明优良的传感器稳定性，降低了机队的补给和备件率，降低了定期精度检查导致的维护成本；通过独立适航取证，可配套民用航空飞机和通用航空飞机。
Description
技术领域
本发明属于航空航天大气数据测量技术领域，具体地说，涉及一种基于FPGA的大气数据处理模块。
背景技术
大气数据模块是构建低成本、分布式大气数据系统的核心模块，是大气数据系统前端气压信号转换的关键设备，为大气数据系统中的一个LRU。大气数据模块将经过温度修正的压力信息以数字方式发送至大气数据解算单元（ADRU）、飞行控制系统或模块化航电设备（MAU）。
大气数据模块是现代民用飞机发展到高精度集成化大气数据的重要模块，是随着航空电子设备向综合化、标准化、数字化和多功能方向发展的主要趋势。未来将会在商用干线客机、国产支线客机、商用公务机乃至通航飞机上得到广泛的推广和应用。
传统大气数据计算机同时实现压力采集和参数解算功能，电路设计复杂，多采用DSP架构实现核心功能，可靠性指标低。并且压力采集与参数解算功能放在一起，导致飞机上气路管路长，重量占比大，且维护困难。
发明内容
本发明针对现有技术的上述需求，提出了一种基于FPGA的大气数据处理模块，本发明构建了基于FPGA的通用化、高可靠性的小型化大气数据模块，具有尺寸、重量和功耗等多方面的优势；其紧挨气压探头安装方式，减少气路管路的重量；其未将电子设备与低可靠性的机械探头和加热器组合使用，显著提高了可靠性；本发明优良的传感器稳定性，降低了机队的补给和备件率，降低了定期精度检查导致的维护成本；通过独立适航取证，可配套民用航空飞机和通用航空飞机。
本发明具体实现内容如下：、
本发明提出了一种基于FPGA的大气数据处理模块，与压力感受器、外部系统连接，用于对大气数据进行采集测量，并将大气数据采集测量到的大气数据经过处理后传输到外部系统；所述大气数据处理模块包括硅谐振传感器、FPGA数据处理模块、数据存储模块、数据输入输出模块；还包括机箱，所述数据存储模块、数据输入输出模块和FPGA数据处理模块一起封装为核心处理板组合安装在机箱内；所述硅谐振传感器固定安装在所述核心处理板组合上；
所述压力受感器与硅谐振传感器连接；所述硅谐振传感器接收1路来自压力受感器的静压或者总压，转换成频率信号供FPGA数据处理模块使用，并为FPGA数据处理模块提供硅谐振传感器的特征数据用于解算压力数据；
所述硅谐振传感器、数据存储模块、数据输入输出模块分别与所述FPGA数据处理模块连接；
所述数据存储功能模块用于与FPGA数据处理模块交互压力测量误差修正数据和故障记录数据；
所述数据输入输出模块与所述外部系统连接。
为了更好地实现本发明，进一步地，还包括电源管理模块，所述电源管理模块分别与所述硅谐振传感器、数据存储模块、数据输入输出模块和FPGA数据处理模块连接。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述电源管理模块包括依次连接的EMI滤波单元、防反保护单元、电源隔离单元、雷电防护单元、瞬态抑制单元、储能滤波处理单元；
所述储能滤波处理单元与所述硅谐振传感器、数据存储模块、数据输入输出模块和FPGA数据处理模块连接，用于接受工作插座的28V电压，并将28V电压经过EMI滤波、防反保护、电源隔离、雷电防护、瞬态抑制、储能滤波处理后转化成对应单元所需的+3.3V电压、+5V电压、+15V电压、+1.2V电压、+2.5V电压。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述数据输入输出模块通过ARINC429总线或/和RS-485总线与外部系统连接。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述硅谐振传感器为THALES公司生产的P90-G3F型号的传感器。
为了更好地实现本发明，进一步地，在所述机箱侧面设置有快卸接口，设置在机箱外的所述压力感受器通过快卸接口与所述硅谐振传感器连接。
本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：
1、功能方面：本发明的功能按通用化目标进行设计，配套的灵活性高，兼顾了ARINC 738A-1大气数据和惯性基准系统（ADIRS）中大气数据模块的功能，安装位置灵活，采用螺钉紧挨压力受感器于蒙皮内部安装，能够满足未来民用飞机市场的需求。
2、高可靠性小型化方面：本发明可靠性指标预计值是80000飞行小时，能够满足民用航空领域高安全性的要求。本发明采用独立的FPGA架构进行全功能设计，较传统大气数据计算机的CPU架构，电路设计精简，体积、重量以及功耗都得到了一定的优化。
3、适航方面：本发明取独立CTSO适航证书，满足CTSO-C106大气数据计算机的中国民用航空技术标准规定，开发过程满足《ARP 4754A民用飞机与系统研制指南》，通过“ 双V”模型进行需求捕获和需求分解；依据《ARP4761民用飞机机载系统和设备安全性评估过程的指南和方法》进行安全性设计，从安全性指标迭代研制产品的构架和功能；硬件遵循《RTCA/DO-254机载电子设备硬件设计保证指南》A级硬件开发过程进行设计，根据《RTCA/DO-160G机载设备的环境条件和试验程序》进行环境适应性的验证。
4、耐腐蚀性能方面：本发明设计可以长期在海洋环境下进行工作而不被腐蚀，具有高耐湿热、霉菌、及盐雾的能力，可配套作业于海洋环境的通用飞机。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明机械结构示意图。
其中：1、硅谐振传感器，2、核心处理板组合，3、快卸接口，4、机箱。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
本实施例提出了一种基于FPGA的大气数据处理模块，与外部系统连接，用于对大气数据进行采集测量，并将大气数据采集测量到的大气数据经过处理后传输到外部系统；所述大气数据处理模块包括压力感受器、硅谐振传感器1、FPGA数据处理模块、数据存储模块、数据输入输出模块；还包括机箱4，所述数据存储模块、数据输入输出模块和FPGA数据处理模块一起封装为核心处理板组合2安装在机箱4内；所述硅谐振传感器1固定安装在所述核心处理板组合2上；
所述压力受感器与硅谐振传感器1连接；所述硅谐振传感器1接收1路来自压力受感器的静压或者总压，转换成频率信号供FPGA数据处理模块使用，并为FPGA数据处理模块提供硅谐振传感器的特征数据用于解算压力数据；
所述硅谐振传感器1、数据存储模块、数据输入输出模块分别与所述FPGA数据处理模块连接；
所述数据存储功能模块用于与FPGA数据处理模块交互压力测量误差修正数据和故障记录数据；
所述数据输入输出模块与所述外部系统连接。
为了更好地实现本发明，进一步地，还包括电源管理模块，所述电源管理模块分别与所述硅谐振传感器1、数据存储模块、数据输入输出模块和FPGA数据处理模块连接。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述电源管理模块包括依次连接的EMI滤波单元、防反保护单元、电源隔离单元、雷电防护单元、瞬态抑制单元、储能滤波处理单元；
所述储能滤波处理单元与所述硅谐振传感器1、数据存储模块、数据输入输出模块和FPGA数据处理模块连接，用于接受工作插座的28V电压，并将28V电压经过EMI滤波、防反保护、电源隔离、雷电防护、瞬态抑制、储能滤波处理后转化成对应单元所需的+3.3V电压、+5V电压、+15V电压、+1.2V电压、+2.5V电压。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述数据输入输出模块通过ARINC429总线或/和RS-485总线与外部系统连接。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述硅谐振传感器1为THALES公司生产的P90-G3F型号的传感器。
为了更好地实现本发明，进一步地，在所述机箱4侧面设置有快卸接口3，设置在机箱4外的所述压力感受器通过快卸接口3与所述硅谐振传感器1连接。
工作原理：一种基于FPGA的大气数据模块，包括硅谐振传感器1、核心处理板组合2、快卸接口3以及机箱4。所述的核心处理板组合2包括的功能模块有：FPGA数据处理模块、数据存储模块、数据输入输出模块，硅谐振传感器1固定于核心处理板组合2上，硅谐振传感器1通过快卸接口3连接压力受感器，感受外部的静压或者总压，机箱4桥接快卸接口3与硅谐振传感器1之间的管路并固定核心处理板组合2。核心处理板组合2根据外部输入的离散量配置数据输出的方式为ARINC429或RS-485，根据安装位置可配置的四种压力类型为左静压、右静压、平均静压以及总压。
硅谐振传感器1采用THALES生产的P90-G3F，同时兼顾国产硅谐振压力传感器，感受1路气压并转换为压力频率和温度频率输出，连接核心处理板组合2中的数据输入输出模块，通过SPI总线方式为FPGA数据处理模块的压力解算提供特征数据。
电源管理模块接受工作插座的28V电压，进过EMI滤波、防反保护、电源隔离、雷电防护、瞬态抑制、储能滤波处理，并转化成内部所需的+3.3V、+5V、+15V、+1.2V、+2.5V电压，为硅谐振传感器1提供工作电源。
数据存储功能模块与FPGA数据处理模块交互压力测量误差修正数据和故障记录数据。
数据输入输出功能模块将来自硅谐振传感器1的压力频率信号、温度频率信号进行整形传输给FPGA数据处理模块，对SPI总线传输进行电平转换，与FPGA数据处理模块交互离散量数据和总线数据。
FPGA数据处理模块采用1个独立的FPGA实现，设计依据DO-254 A级硬件进行，经过计划过程、需求捕获过程、概念设计过程、详细设计过程、实施过程、生产转化过程、确认与验证过程、配置管理过程、过程保证过程以及审定联络过程，局方通过以下四个介入按阶段进行硬件审核FPGA符合DO-254 A级硬件目标：计划审核、设计审核、确认与验证审核以及最终审核；
FPGA以20ms的周期采集压力频率信号、温度频率信号和特征数据做并进行有效性检测，再进行3路F/D（1路压力频率、1路温度频率、1路自检频率），将F/D转换后压力频率数据、温度频率数据与特征数据经过压力数据解算通过由判断离散量而选择ARINC429总线或RS-485总线输出为外部系统，+15V检测电压读取并判断+15V电压的故障状态，通过1路ARINC429/RS-485总线接收ADRU或其他设备的自检命令等维护命令或维护数据，通过RS-485总线进行维护数据的加载（维护数据包括压力修正数据等），通过测试设备利用RS-485总线在线加载维护数据到数据存储模块（维护数据包括压力修正数据等），FPGA读取压力修正数据并进行二维线性插值修正；实现自检测功能，包括：上电BIT、周期性BIT和启动BIT功能，对故障进行诊断、隔离，将上电BIT结果、周期BIT结果和启动BIT结果上报，并将故障信息存储到数据存储模块中；通过RS-485总线接口实现故障数据下载。
FPGA数据处理模块实现工作模式的转换：正常工作模式（默认）、数据下载模式、数据加载模式以及接收外部命令进行自检测模式。
FPGA对压力解算功能采取三模冗余设计以缓解因单粒子翻转引起的失效概率。
本发明采用的快卸接口为HYDRAFLOW生产的1QM1-3-64A。
本发明的产品外形尺寸不大于(75±0.46)mm×(42±0.39)mm×(120±0.54)mm。（不包括突出部位），重量不超过0.4kg（不包括插头和电缆等附件），安装方式为4个M4螺钉。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于FPGA的大气数据处理模块，与压力感受器、外部系统连接，用于对大气数据进行采集测量，并将大气数据采集测量到的大气数据经过处理后传输到外部系统；其特征在于，包括硅谐振传感器（1）、FPGA数据处理模块、数据存储模块、数据输入输出模块；还包括机箱（4），所述数据存储模块、数据输入输出模块和FPGA数据处理模块一起封装为核心处理板组合（2）安装在机箱（4）内；所述硅谐振传感器（1）固定安装在所述核心处理板组合（2）上；
所述压力受感器与硅谐振传感器（1）连接；所述硅谐振传感器（1）接收1路来自压力受感器的静压或者总压，转换成频率信号供FPGA数据处理模块使用，并为FPGA数据处理模块提供硅谐振传感器的特征数据用于解算压力数据；
所述硅谐振传感器（1）、数据存储模块、数据输入输出模块分别与所述FPGA数据处理模块连接；
所述数据存储功能模块用于与FPGA数据处理模块交互压力测量误差修正数据和故障记录数据；
所述数据输入输出模块与所述外部系统连接，传输总线信号和离散量信号。
2.如权利要求1所述的一种基于FPGA的大气数据处理模块，其特征在于，还包括电源管理模块，所述电源管理模块分别与所述硅谐振传感器（1）、数据存储模块、数据输入输出模块和FPGA数据处理模块连接。
3.如权利要求1所述的一种基于FPGA的大气数据处理模块，其特征在于，所述电源管理模块包括依次连接的EMI滤波单元、防反保护单元、电源隔离单元、雷电防护单元、瞬态抑制单元、储能滤波处理单元；
所述储能滤波处理单元与所述硅谐振传感器（1）、数据存储模块、数据输入输出模块和FPGA数据处理模块连接，用于接受工作插座的28V电压，并将28V电压经过EMI滤波、防反保护、电源隔离、雷电防护、瞬态抑制、储能滤波处理后转化成对应单元所需的+3.3V电压、+5V电压、+15V电压、+1.2V电压、+2.5V电压。
4.如权利要求1所述的一种基于FPGA的大气数据处理模块，其特征在于，所述数据输入输出模块通过ARINC429总线或/和RS-485总线与外部系统连接。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种基于FPGA的大气数据处理模块，其特征在于，所述硅谐振传感器（1）为THALES公司生产的P90-G3F型号的传感器。
6.如权利要求2所述的一种基于FPGA的大气数据处理模块，其特征在于，在所述机箱（4）侧面设置有快卸接口（3），设置在机箱（4）外的所述压力感受器通过快卸接口（3）与所述硅谐振传感器（1）连接。
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