[发明专利]一种通用化的直升机实验室测控系统

摘要

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。

主权项

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芯片来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，选用的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，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，转换成3.3V之后送入FPGA；该2.4PCI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；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；模拟信号遥测数据工作流程如下：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得到模拟电压后进入中心处理单元模块，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；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，处理后使得数据稳定；由于ADC的速度高，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；转速/方位信号遥测数据工作流程如下：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，由于前端信号采集模块采集得到的转速/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；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，处理后使得数据稳定；开关信号遥测数据与步进电机遥控数据工作流程如下：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，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；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，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。