CN115096351A - 一种具有高时空分辨率的阵列分布式多参数测量系统 - Google Patents

一种具有高时空分辨率的阵列分布式多参数测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有高时空分辨率的阵列分布式多参数测量系统，通过在飞行器边界层检测区域内部署大量的传感器阵列节点，采用高频率传感器以及高速ADC，来获取飞行器飞行过程中边界层的各种参数，大大提高了测量系统的时空分辨率，从而提高了测量系统的实时性与准确性。同时，本系统设计了电压输入接口、IEPE接口与RS485接口，可接入各种类型的传感器，提高了系统的通用性与可靠性，降低了系统的布线难度。系统采用eMMC阵列的方式完成数据的高速大容量存储。采用此种体系结构，主控制站可以同时挂载多个测试节点，也可以合理有效的应用各个测试节点进行测试，从而顺利完成多传感器分布式并发测试的协调与控制。

Description

一种具有高时空分辨率的阵列分布式多参数测量系统
技术领域
本发明属于阵列分布式测量技术领域，具体涉及一种具有高时空分辨率的阵列分布式多参数测量系统。
背景技术
针对飞行器边界层流动状态载荷、温度、应力、应变等测量要求，多参数阵列传感信息难于同步、实时获取、存储的问题，在对被测对象无影响或影响在允许范围的条件下，开展阵列分布式多参数测试系统一体化协同设计和高时空分辨率测试。设计研究阵列分布式多参数测量系统，构建分布式测试总线，解决分布式测试系统中现场设备与高级控制设备之间的信息传递问题，实现系统的分布式总线结构及实时可靠通信，包括传感器数据和现场采集数据的传出以及控制命令等的传入，从而实现协作感知、采集、处理和存储网络覆盖区域内被测对象的信息；根据测量要求以及边界层流场分布规律，合理设计布线结构和阵列的排布密度，在监测区域内部署大量的传感阵列节点，实现阵列分布式多参数测量系统的搭建。
在现有的测量系统中主要存在两个问题：一是时间分辨率与空间分辨率较低，导致测量系统的实时性与准确性不够高；二是测量系统的接口单一且不可控，导致测量系统的通用性不强。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高时空分辨率的阵列分布式多参数测量系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明为实现上述目的，采用了以下技术方案。
本发明提供了一种具有高时空分辨率的阵列分布式多参数测量系统，所述系统包括：传感器阵列模块、RS485接口模块、IEPE接口模块、电压输入接口模块、FPGA主控模块、A/D采集模块、DDR3模块、eMMC存储模块、以太网模块、电源模块以及上位机。所述传感器阵列模块通过部署传感阵列节点来获取飞行器的各种参数；所述RS485接口模块负责接收前端数字传感器输出的数字信号；所述IEPE接口模块负责接收和调理前端IEPE传感器输出的模拟信号；所述电压输入接口模块负责接收和调理前端模拟传感器输出的模拟电压信号；所述FPGA主控模块实现对各个模块的协调与逻辑控制；所述A/D采集模块完成前端模拟信号的模数转换；所述DDR3模块完成FPGA对eMMC存储模块进行写操作时的数据缓存；所述eMMC存储模块完成测量系统数据的固态存储；所述以太网模块实现上位机与测量系统之间命令、数据的交互；所述电源模块用于为所述系统提供电源；所述上位机实现测量系统数据的预处理及显示。
进一步地，所述传感器阵列模块在监测区域内部署大量的传感阵列节点，提高传感阵列的排布密度，从而提高测量系统的空间分辨率，准确获取飞行器边界层多个测试节点的参数。
进一步地，所述RS485接口模块负责接收前端数字传感器输出的数字信号，接收的数字信号可直接通过FPGA进行处理，丰富了测量系统的接口类型，提高了其通用性。
进一步地，所述IEPE接口模块负责将前端IEPE传感器输出的模拟信号进行放大和滤波，并针对不同的IEPE传感器动态调整其输出电压范围，提高了测量系统的通用性。
进一步地，所述电压输入接口模块负责接收和调理前端模拟传感器输出的模拟电压信号。
进一步地，所述FPGA主控模块选用Xilinx公司ARTIX-7系列的 FPGA 芯片作为主控芯片。
再进一步地，所述FPGA主控模块还包括JTAG调试接口，所述JTAG调试接口与所述FPGA芯片相连。
再进一步地，所述FPGA主控模块还包括时钟模块，所述时钟模块给所述FPGA主控模块提供系统时钟。
再进一步地，所述FPGA主控模块还包括SPI Flash配置芯片，所述SPI Flash配置芯片用于存储所述测量系统的启动文件等。
进一步地，所述A/D采集模块选用多片高采样频率的A/D转换芯片，从而提高测量系统的时间分辨率，实现对所述IEPE接口模块和所述电压输入接口模块输出的模拟信号进行模数转换。
进一步地，所述DDR3模块包括多片DDR3存储芯片，所述DDR3模块完成FPGA对eMMC阵列进行写操作时的数据缓存。
进一步地，所述eMMC存储模块包括多片eMMC存储芯片，通过eMMC阵列的方式来提高数据存储的带宽，所述eMMC存储模块完成对测量系统数据的固态存储。
进一步地，所述以太网模块包括千兆以太网PHY芯片和RJ45接口，所述以太网模块主要是按照以太网协议对前端数据进行打包，传输至上位机显示，实现上位机与测量系统之间命令、数据的交互。
进一步地，所述电源模块包括多个电压转换芯片，所述电压转换芯片产生成各个模块所需的电压。
进一步地，所述上位机实现测量系统数据的反演、预处理以及显示功能。所述上位机可以同时挂载和管理多个测试节点，也可以合理有效的应用各个测试节点进行测试，并且可以通过上位机控制测试节点的输出，从而顺利完成多传感器阵列分布式并发测试的协调控制问题。
本发明的有益效果具体在于：
（1）设计了一种具有高时空分辨率的阵列分布式多参数测量系统，用于获取飞行器飞行过程中边界层流场的各种参数。采用此种体系结构，主控制站可以同时挂载多个测试节点，也可以合理有效的应用各个测试节点进行测试，从而顺利完成多传感器分布式并发测试的协调控制问题。
（2）通过提高传感阵列的排布密度以及选用高频率传感器、高采样频率ADC，提高了测量系统的时空分辨率，从而提高了测量系统实时性与准确性。
（3）设计有多功能传感器接口（IEPE接口、电压输入接口、RS485接口），使测量系统可接入多种传感器，提高了测量系统的通用性。
（4）设计了IEPE接口模块，既可以为前端IEPE传感器供电也可以对IEPE传感器输出的模拟信号进行放大和滤波处理，其放大倍数和滤波的截止频率均可根据实际需求进行调节，具有成本低、功耗低、可靠性高、信号失真度小等优点。采用双线制电路，仅需一根线即可完成供电和信号传输，降低了系统的布线难度。并设有增益衰减电路，针对不同IEPE传感器进行电压动态调节，保证了任意IEPE传感器输出的模拟信号都可调整至A/D转换的动态输入范围内，提高了测量系统的通用性。
附图说明
图1为测量系统结构框图
图2为IEPE接口模块结构图
图3为DDR3模块逻辑结构图
图4为eMMC存储系统结构图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明进行进一步的说明。
一种具有高时空分辨率的阵列分布式多参数测量系统，所述系统包括：传感器阵列模块、RS485接口模块、IEPE接口模块、电压输入接口模块、FPGA主控模块、A/D采集模块、DDR3模块、eMMC存储模块、以太网模块、电源模块以及上位机。所述传感器阵列模块通过部署传感阵列节点来获取飞行器的各种参数；所述RS485接口模块负责接收前端数字传感器输出的数字信号；所述IEPE接口模块负责接收和调理前端IEPE传感器输出的模拟信号；所述电压输入接口模块负责接收和调理前端模拟传感器输出的模拟电压信号；所述FPGA主控模块实现对各个模块的协调与逻辑控制；所述A/D采集模块完成前端模拟信号的模数转换；所述DDR3模块完成FPGA对eMMC存储模块进行写操作时的数据缓存；所述eMMC存储模块完成测量系统数据的固态存储；所述以太网模块实现上位机与测量系统之间命令、数据的交互；所述电源模块用于为所述系统提供电源；所述上位机实现测量系统数据的预处理及显示。
根据测量要求以及飞行器边界层流场的特点，合理设计布线结构和传感器阵列的排布密度，在检测区域内部署大量的传感阵列节点，选用高频率传感器获取飞行器边界层多个测试节点的参数。
当传感器阵列模块选用数字传感器时，RS485接口模块负责接收前端数字传感器输出的数字信号，接收的数字信号可直接通过FPGA进行传输、处理和存储。
当传感器阵列模块选用模拟传感器时，IEPE接口模块和电压输入接口模块负责将前端模拟传感器输出的模拟信号进行放大和滤波，然后通过A/D采集模块进行模数转换，转换后数字信号在FPGA主控模块的控制下进行传输、处理和存储。
FPGA主控模块选用Xilinx公司ARTIX-7系列的FPGA芯片作为主控芯片，实现对各个模块的协调与逻辑控制。FPGA主控模块使用SPI Flash芯片作为FPGA的配置芯片，用于存储 FPGA 的配置文件和一些用户数据。FPGA主控模块还设有一个JTAG接口，用于下载程序到FPGA芯片中或者固化程序到FLASH中。为了避免带电插拔造成FPGA 芯片的损坏，添加了保护二极管来保证信号的电压在FPGA能接受的范围。FPGA主控模块还包括时钟模块，用于给FPGA主控模块提供系统时钟。
DDR3模块完成FPGA对eMMC阵列进行写操作时的数据缓存。为简化设计，降低开发周期和工作量，设计采用Xilinx公司提供的DDR3控制器MIG IP核，通过MIG IP核可以非常方便的读写DDR3芯片。
eMMC存储模块是由多片eMMC存储芯片组成的eMMC阵列，完成对测量系统数据的固态存储。eMMC存储系统由主机、外部接口和eMMC设备三大部分组成。其中，本设计采用FPGA作为主机对eMMC设备进行访问控制；外部接口为标准的MMC封装接口；eMMC设备内部集成了NAND Flash控制器和NAND Flash存储阵列，其中NAND Flash控制器代替了外部控制器对MLC和TLC进行管理，同时还具备ECC除错机制、擦写均衡、坏块管理、指令管理、低功耗管理等功能。
以太网模块包括千兆以太网PHY芯片和RJ45接口，以太网模块中FPGA按照以太网协议对前端数据进行打包，通过RGMII总线和Gigabit PHY芯片通信，Gigabit PHY芯片通过网线把数据包传输至PC端，实现FPGA和PC端之间的千兆以太网数据通信，进而实现上位机与测量系统之间命令、数据的交互。
电源模块为整个系统供电，通过电压转换芯片得到各个模块所需电压。系统采用+5V电源供电，通过四路DC/DC电源芯片转化成+3.3V、+1.5V、+1.8V、+1.0V四路电源，每路输出电流可高达3A。
上位机利用LabVIEW软件对测量系统数据进行反演、预处理等操作后在前面板显示。上位机可以同时挂载和管理多个测试节点，也可以合理有效的应用各个测试节点进行测试，从而顺利完成多传感器阵列分布式并发测试的协调控制问题。

Claims (15)

1.一种具有高时空分辨率的阵列分布式多参数测量系统，其特征在于，所述系统包括：传感器阵列模块、RS485接口模块、IEPE接口模块、电压输入接口模块、FPGA主控模块、A/D采集模块、DDR3模块、eMMC存储模块、以太网模块、电源模块以及上位机。所述传感器阵列模块通过部署传感阵列节点来获取飞行器的各种参数；所述RS485接口模块负责接收前端数字传感器输出的数字信号；所述IEPE接口模块负责接收和调理前端IEPE传感器输出的模拟信号；所述电压输入接口模块负责接收和调理前端模拟传感器输出的模拟电压信号；所述FPGA主控模块实现对各个模块的协调与逻辑控制；所述A/D采集模块完成前端模拟信号的模数转换；所述DDR3模块完成FPGA对eMMC存储模块进行写操作时的数据缓存；所述eMMC存储模块完成测量系统数据的固态存储；所述以太网模块实现上位机与测量系统之间命令、数据的交互；所述电源模块用于为所述系统提供电源；所述上位机实现测量系统数据的预处理及显示。
2.根据权利要求1所述的一种具有高时空分辨率的阵列分布式多参数测量系统，其特征在于，所述传感器阵列模块根据测量需求，合理设计布线结构和阵列的排布密度，在监测区域内部署大量传感阵列节点，获取飞行器边界层的各种参数。
3.根据权利要求1所述的一种具有高时空分辨率的阵列分布式多参数测量系统，其特征在于，所述RS485接口模块负责接收前端数字传感器输出的数字信号，接收的数字信号可直接通过FPGA进行处理，丰富了测量系统的接口类型，提高了其通用性。
4.根据权利要求1所述的一种具有高时空分辨率的阵列分布式多参数测量系统，其特征在于，所述IEPE接口模块负责将前端IEPE传感器输出的模拟信号进行放大和滤波，并针对不同的IEPE传感器动态调整其输出电压范围。
5.根据权利要求1所述的一种具有高时空分辨率的阵列分布式多参数测量系统，其特征在于，所述电压输入接口模块负责接收和调理前端模拟传感器输出的模拟电压信号。
6.根据权利要求1所述的一种具有高时空分辨率的阵列分布式多参数测量系统，其特征在于，所述FPGA主控模块选用Xilinx公司ARTIX-7系列的 FPGA 芯片作为主控芯片。
7.根据权利要求6所述的一种具有高时空分辨率的阵列分布式多参数测量系统，其特征在于，所述FPGA主控模块还包括JTAG调试接口，所述JTAG调试接口与所述FPGA芯片相连。
8.根据权利要求6所述的一种具有高时空分辨率的阵列分布式多参数测量系统，其特征在于，所述FPGA主控模块还包括时钟模块，所述时钟模块给所述FPGA主控模块提供系统时钟。
9.根据权利要求6所述的一种具有高时空分辨率的阵列分布式多参数测量系统，其特征在于，所述FPGA主控模块还包括SPI Flash配置芯片，所述SPI Flash配置芯片用于存储所述测量系统的启动文件等。
10.根据权利要求1所述的一种具有高时空分辨率的阵列分布式多参数测量系统，其特征在于，所述A/D采集模块实现对所述IEPE接口模块和所述电压输入接口模块输出的模拟信号进行模数转换。
11.根据权利要求1所述的一种具有高时空分辨率的阵列分布式多参数测量系统，其特征在于，所述DDR3模块包括多片DDR3存储芯片，所述DDR3模块完成FPGA对eMMC阵列进行写操作时的数据缓存。
12.根据权利要求1所述的一种具有高时空分辨率的阵列分布式多参数测量系统，其特征在于，所述eMMC存储模块包括多片eMMC存储芯片，所述eMMC存储模块完成对测量系统数据的固态存储。
13.根据权利要求1所述的一种具有高时空分辨率的阵列分布式多参数测量系统，其特征在于，所述以太网模块包括千兆以太网PHY芯片和RJ45接口，所述以太网模块的功能主要是按照以太网协议对前端数据进行打包，传输至上位机显示，实现上位机与测量系统之间命令、数据的交互。
14.根据权利要求1所述的一种具有高时空分辨率的阵列分布式多参数测量系统，其特征在于，所述电源模块包括多个电压转换芯片，所述电压转换芯片产生成各个模块所需的电压。
15.根据权利要求1所述的一种具有高时空分辨率的阵列分布式多参数测量系统，其特征在于，所述上位机实现测量系统数据的反演、预处理以及显示功能。所述上位机可以同时挂载和管理多个测试节点，也可以合理有效的应用各个测试节点进行测试，并且可以通过上位机控制测试节点的输出，从而顺利完成多传感器阵列分布式并发测试的协调控制问题。
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CN116734929A (zh) * 2023-08-16 2023-09-12 中北大学 一种适用于飞行器的分布式多参量测试系统

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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