一種通用化的直升機實驗室測控系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種通用化的直升機實驗室測控系統(tǒng)，它包括：前端信號采集模塊、中心處理單元模塊和顯示與控制模塊；完成對旋翼系統(tǒng)測試過程中遙測數(shù)據(jù)的接收、處理、分類存儲、顯示，遙控指令的發(fā)送功能；該前端信號采集模塊通過信號線接入DB62接口與中心處理單元模塊相連接，完成遙測數(shù)據(jù)的采集，通過相應的處理之后進入中央處理單元模塊的核心部分，中心處理單元模塊通過PCI插槽接入PCI總線，由PCI總線控制器PCI9054芯片完成和顯示與控制模塊相連接，完成中心處理單元模塊與顯示與控制模塊的通信，顯示與控制模塊完成遙測數(shù)據(jù)的分類處理、存儲，并將遙控指令發(fā)送給中心處理單元模塊；該系統(tǒng)自動化、通用化顯著，測試穩(wěn)定，操作方便。
【專利說明】一種通用化的直升機實驗室測控系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種通用化的直升機實驗室測控系統(tǒng)。它能準確有效的完成直升機實驗室旋翼轉(zhuǎn)速測量、槳距計算、旋翼揮舞角/變距角測量、開關信號測量以及實驗塔臺旋翼步進電機控制等功能。該發(fā)明屬于直升機旋翼系統(tǒng)測試領域。
【背景技術】
[0002]無人直升機作為無人駕駛飛行器能夠在高靈活度、低危險性的條件下完成多種任務，近年來不僅成為了各高校、科研機構的研究實驗平臺，更成為現(xiàn)代化武器裝備發(fā)展的熱門方向。直升機實驗室是直升機項目各個子系統(tǒng)檢測、維護、改進和試驗的重要保證，是提高直升機故障檢測和診斷能力的主要手段。
[0003]北京航空航天大學直升機實驗室主要針對共軸雙旋翼直升機旋翼系統(tǒng)進行檢測，同時也能完成單旋翼系統(tǒng)測試。實驗室分為實驗塔臺與實驗控制室兩部分，其中實驗塔臺在測試時將安裝旋翼運轉(zhuǎn)，這就對測試系統(tǒng)提出了以下要求:
[0004](I)由于安全問題，測試人員無法在旋翼運轉(zhuǎn)狀態(tài)下進入實驗塔臺進行測試，故需要測試系統(tǒng)采集各項參數(shù)傳輸回實驗控制室進行分析；
[0005](2)對系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)要求采集后實時、精確顯示在工控機上，以便保證實驗參數(shù)的準確性；
[0006](3)要求測試系統(tǒng)界面友好、簡明，根據(jù)實際需求對采集參數(shù)進行處理，無需相關測試系統(tǒng)知識儲備、其他常規(guī)工具(萬用表、示波器、量角器等)。
[0007]目前國內(nèi)的共軸雙旋翼直升機遙控遙測系統(tǒng)大多針對無人直升機飛行控制及數(shù)據(jù)采集。越來越多的無人直升機設計與投入使用，過去以型號為主線的自上而下的測試管理模式已逐漸不能滿足要求，直升機實驗室測試系統(tǒng)成為必須面對的一個課題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明的目的是提供一種通用化的直升機實驗室測控系統(tǒng)，以滿足直升機設計與測試的實際需求，能夠完成直升機實驗室旋翼轉(zhuǎn)速測量、槳距計算、旋翼揮舞角/變距角測量、開關信號測量以及實驗塔臺旋翼步進電機控制等功能。
[0009]本發(fā)明的技術方案在于:如圖1所示，本發(fā)明一種通用化的直升機實驗室測控系統(tǒng)，整個系統(tǒng)分為3部分:前端信號采集模塊1、中心處理單元模塊2和顯示與控制模塊3，按照一定的流程完成對旋翼系統(tǒng)測試過程中遙測數(shù)據(jù)的接收、處理、分類存儲、顯示，遙控指令的發(fā)送等功能。各模塊之間的連接關系如下所述:前端信號采集模塊I通過信號線接入DB62接口與中心處理單元模塊2相連接，完成遙測數(shù)據(jù)的采集，通過相應的處理之后
進入中央處理單元模塊2的核心部分-現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate
Array,即FPGA,本發(fā)明FPGA采用xilinx公司的spartan -3芯片);中心處理單元模塊2通過PCI插槽接入PCI總線，由PCI總線控制器PCI9054芯片完成和顯示與控制模塊3相連接，完成中心處理單元模塊2與顯示與控制模塊3的通信，顯示與控制模塊3完成遙測數(shù)據(jù)的分類處理、存儲，并將遙控指令發(fā)送給中心處理單元模塊2。
[0010]所述的前端信號采集模塊I由(1.1)滑動電位計、(1.2)光電轉(zhuǎn)換器及(1.3)開關電路三部分組成，且這三部分相互獨立。
[0011]該(1.1)滑動電位計為通用設備，選用的型號為WDS36，將對旋翼處在不同角度位置時相應電信號(即模擬角度信號)進行采集，通過前端信號采集模塊I中的信號連接器送入中心處理單元模塊2 ;該(1.2)光電轉(zhuǎn)換器為通用設備，選用設備滿足以下參數(shù)要求即可:高10mm、反射距離<2mm、工作電壓0?15V,光電轉(zhuǎn)換器將對光信號轉(zhuǎn)換為電信號(即轉(zhuǎn)速/方向信號)進行采集，通過前端信號采集模塊I中的信號連接器送入中心處理單元模塊2，旋翼每轉(zhuǎn)動一周，光電傳感器輸出四個脈沖電壓信號，通過數(shù)據(jù)處理可得出轉(zhuǎn)速值；該(1.3)開關電路為實驗室常規(guī)接線，滿足開關按下時電路接高電平、松開時電路接低電平即可，開關電路(即開關信號)的高低電平狀態(tài)作為電信號通過前端信號采集模塊I中的信號連接器送入中心處理單元模塊2。
[0012]所述的中心處理單元模塊2由本發(fā)明所設計的印刷電路板(Printed CircuitBoard，簡稱PCB板卡)實現(xiàn)。該PCB板卡設計分為6部分:(2.1)角度信號處理部分、(2.2)轉(zhuǎn)速/方向信號處理部分、(2.3)開關信號處理部分、(2.4) PCI總線控制器部分(實現(xiàn)PCB板卡與計算機的數(shù)據(jù)讀寫控制)、(2.5)步進電機驅(qū)動信號控制部分(直升機實驗室實驗臺共設置4路步進電機，分別與旋翼相連，通過控制步進電機伸縮長度來控制旋翼翼面位置)、(2.6)現(xiàn)場可編程門陣列FPGA時序邏輯控制部分。其中(2.1)?(2.5)部分根據(jù)不同功能的需求選用相應的芯片完成信號處理:(2.1)、(2.2),(2.3),(2.4)部分所處理的信號最終輸入現(xiàn)場可編程門陣列FPGA中；(2.5)部分所處理的信號由可編程門陣列FPGA (下文簡稱FPGA)通過PCB板卡時序邏輯控制發(fā)送給步進電機。(2.6)部分主要由硬件描述語言Verilog編寫,通過計算機加載到FPGA中實現(xiàn)預定的時序邏輯。
[0013]該(2.1)部分角度信號處理部分，12路模擬角度信號經(jīng)過前端信號采集模塊I得到模擬電壓后進入中心處理單元模塊2，由于FPGA對12路信號的處理不是同時而是依次進行，故需要經(jīng)過多路開關選擇器按順序選擇相應序號通路的角度信號，加到ADC(Analog - to - Digital Converter, ADC模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，F(xiàn)PGA無法處理模擬信號，只能處理數(shù)字信號，故需使用ADC)模擬輸入端，完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，最終輸入FPGA ;該(2.2)部分轉(zhuǎn)速/方向信號處理部分，由于前端信號采集模塊I采集得到的轉(zhuǎn)速/方向信號電壓為5V，而FPGA工作電壓為3.3V，故轉(zhuǎn)速/方向信號需通過電壓轉(zhuǎn)換為3.3V送入FPGA，由硬件時序邏輯來實現(xiàn)頻率測量；該(2.3)部分開關信號處理部分，同樣需要通過電壓轉(zhuǎn)換成3.3V之后送入FPGA ;該(2.4)部分PCI總線控制器，完成本設計PCB板卡與計算機之間的數(shù)據(jù)讀寫與控制:PCB板卡插在計算機的PCI插槽中,通過PCI總線與計算機交互數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)傳輸、控制的全過程由PCI總線控制器進行PCI總線和局部總線的橋接，可以保證局部總線一端的設備在符合PCI總線的規(guī)范后連接到PCI總線上；該(2.5)部分步進電機驅(qū)動信號控制部分，F(xiàn)PGA得到操作員在計算機上下達的控制信號之后將發(fā)送方波信號與方向信號，通過芯片74HC05與MOS管BSS138放大后輸出給步進電機，驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)；該(2.6)部分FPGA時序邏輯控制方面，本發(fā)明使用復雜可編程邏輯器件(ComplexProgrammable Logic Device,簡稱CPLD)和FPGA混合使用，以達到設計要求:CPLD完成對FPGA程序的加載并對PCI總線控制器進行配置；FPGA則在硬件描述語言Verilog編程下主要完成所需功能的要求。
[0014]所述顯示與控制模塊3由工控機與本發(fā)明所設計的PCIcom軟件組成。工控機為通用設備，選用型號為研華IPC-610P4 -30HC,上述PCB板卡通過PCI插槽與工控機連接工作通過PCI插槽與工控機連接工作。如圖2所示，PCIcom軟件完成數(shù)據(jù)的分析處理、友好顯示以及指令的發(fā)送等功能:(I)模擬角度信號與轉(zhuǎn)速信號由FPGA經(jīng)過PCI總線讀入軟件后，通過累加求平均的方式得到符合精度要求的數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同通道各信號名稱顯示在軟件上；(2)開關信號由FPGA經(jīng)過PCI總線讀入軟件后，在軟件界面上根據(jù)不同開關序號顯示“開”或“關”狀態(tài)，并且當開關狀態(tài)為“開”時，根據(jù)開關序號所對應的步進電機運轉(zhuǎn)方式，發(fā)送控制信號驅(qū)動相應步進電機運轉(zhuǎn)；(3) PCIcom軟件根據(jù)用戶需求能夠設置步進電機移動距離零點位置，根據(jù)軟件發(fā)送驅(qū)動步進電機工作的方波信號個數(shù)與每個方波驅(qū)動步進電機移動距離來計算步進電機當前位置，并顯示；(4) PCIcom軟件能夠根據(jù)步進電機當前位置與所設零點位置之差，發(fā)送相應個數(shù)的方波驅(qū)動步進電機向反方向移動，從而完成“回零”功能。
[0015]本發(fā)明一種通用化的直升機實驗室測控系統(tǒng)的優(yōu)點及效果:從以上的描述可以看出，該直升機實驗室測試系統(tǒng)自動化、通用化顯著，并引入了實時分析、友好顯示等功能，豐富了終端軟件，極大提高了測試的效率，保障了測試的穩(wěn)定性。實現(xiàn)了如下的技術效果:
[0016](I)對不同類型數(shù)據(jù)進行分類處理，保證了信號的實時性與準確性；
[0017](2)對系統(tǒng)外部全部54個信號線、22個PCI控制邏輯信號、數(shù)據(jù)總線地址總線56個等較多數(shù)據(jù)完成集成處理或顯示；
[0018](3)與實驗控制臺無縫連接，操作方便、簡單。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1本發(fā)明所述系統(tǒng)結構框圖
[0020]圖2PCIcom軟件流程圖
[0021]圖3FPGA功能定義框圖
[0022]圖中序號、符號說明如下:
[0023]1、前端信號采集模塊；
[0024]2、中心處理單元模塊；
[0025]3、顯示與控制模塊
[0026]具體實施方法
[0027]下面結合附圖，對本發(fā)明的技術方案進行進一步的說明。
[0028]如圖1與圖2所示，本發(fā)明一種通用化的直升機實驗室測控系統(tǒng)，整個系統(tǒng)分為3部分:前端信號采集模塊1、中心處理單元模塊2和顯示與控制模塊3，按照一定的流程完成對旋翼系統(tǒng)測試過程中遙測數(shù)據(jù)的接收、處理、分類存儲、顯示，遙控指令的發(fā)送等功能。各模塊之間的連接關系如下所述:前端信號采集模塊I通過信號線接入DB62接口與中心處理單元模塊2相連接，完成遙測數(shù)據(jù)的采集，通過相應的處理之后進入中央處理單元模塊2的
核心部分-現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,即FPGA,本發(fā)明FPGA
采用xilinx公司的spartan - 3芯片),FPGA功能定義如圖3所示；中心處理單元模塊2通過PCI插槽接入PCI總線，由PCI總線控制器PCI9054芯片完成和顯示與控制模塊3相連接，完成中心處理單元模塊2與顯示與控制模塊3的通信，顯示與控制模塊3完成遙測數(shù)據(jù)的分類處理、存儲，并將遙控指令發(fā)送給中心處理單元模塊2。
[0029]下面將參考附圖并結合實施例，來詳細說明本發(fā)明。
[0030]本發(fā)明的技術方案在于:如圖1所示，本發(fā)明一種通用化的直升機實驗室測控系統(tǒng)，整個系統(tǒng)分為3部分:前端信號采集模塊1、中心處理單元模塊2和顯示與控制模塊3，按照一定的流程完成對旋翼系統(tǒng)測試過程中遙測數(shù)據(jù)的接收、處理、分類存儲、顯示，遙控指令的發(fā)送等功能。各模塊之間的連接關系如下所述:前端信號采集模塊I通過信號線接入DB62接口與中心處理單元模塊2相連接，完成遙測數(shù)據(jù)的采集，通過相應的處理之后
進入中央處理單元模塊2的核心部分-現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate
Array,即FPGA,本發(fā)明FPGA采用xilinx公司的spartan -3芯片);中心處理單元模塊2通過PCI插槽接入PCI總線，由PCI總線控制器PCI9054芯片完成和顯示與控制模塊3相連接，完成中心處理單元模塊2與顯示與控制模塊3的通信，顯示與控制模塊3完成遙測數(shù)據(jù)的分類處理、存儲，并將遙控指令發(fā)送給中心處理單元模塊2。
[0031]所述的前端信號采集模塊I由(1.1)滑動電位計、(1.2)光電轉(zhuǎn)換器及(1.3)開關電路三部分組成，且這三部分相互獨立。
[0032]該(1.1)滑動電位計為通用設備，選用的型號為WDS36，將對旋翼處在不同角度位置時相應電信號(即模擬角度信號)進行采集，通過前端信號采集模塊I中的信號連接器送入中心處理單元模塊2 ;該(1.2)光電轉(zhuǎn)換器為通用設備，選用設備滿足以下參數(shù)要求即可:高10mm、反射距離<2mm、工作電壓0?15V,光電轉(zhuǎn)換器將對光信號轉(zhuǎn)換為電信號(即轉(zhuǎn)速/方向信號)進行采集，通過前端信號采集模塊I中的信號連接器送入中心處理單元模塊2，旋翼每轉(zhuǎn)動一周，光電傳感器輸出四個脈沖電壓信號，通過數(shù)據(jù)處理可得出轉(zhuǎn)速值；該(1.3)開關電路為實驗室常規(guī)接線，滿足開關按下時電路接高電平、松開時電路接低電平即可，開關電路(即開關信號)的高低電平狀態(tài)作為電信號通過前端信號采集模塊I中的信號連接器送入中心處理單元模塊2。
[0033]所述的中心處理單元模塊2由本發(fā)明所設計的印刷電路板(Printed CircuitBoard，簡稱PCB板卡)實現(xiàn)。該PCB板卡設計分為6部分:(2.1)角度信號處理部分、(2.2)轉(zhuǎn)速/方向信號處理部分、(2.3)開關信號處理部分、(2.4) PCI總線控制器部分(實現(xiàn)PCB板卡與計算機的數(shù)據(jù)讀寫控制)、(2.5)步進電機驅(qū)動信號控制部分(直升機實驗室實驗臺共設置4路步進電機，分別與旋翼相連，通過控制步進電機伸縮長度來控制旋翼翼面位置)、(2.6)現(xiàn)場可編程門陣列FPGA時序邏輯控制部分。其中(2.1)?(2.5)部分根據(jù)不同功能的需求選用相應的芯片完成信號處理:(2.1)、(2.2),(2.3),(2.4)部分所處理的信號最終輸入現(xiàn)場可編程門陣列FPGA中；(2.5)部分所處理的信號由可編程門陣列FPGA (下文簡稱FPGA)通過PCB板卡時序邏輯控制發(fā)送給步進電機。(2.6)部分主要由硬件描述語言Verilog編寫,通過計算機加載到FPGA中實現(xiàn)預定的時序邏輯。
[0034]該(2.1)部分角度信號處理部分，12路模擬角度信號經(jīng)過前端信號采集模塊I得到模擬電壓后進入中心處理單元模塊2，由于FPGA對12路信號的處理不是同時而是依次進行，故需要經(jīng)過多路開關選擇器按順序選擇相應序號通路的角度信號，加到ADC(Analog - to - Digital Converter, ADC模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，F(xiàn)PGA無法處理模擬信號，只能處理數(shù)字信號，故需使用ADC)模擬輸入端，完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，最終輸入FPGA ;該(2.2)部分轉(zhuǎn)速/方向信號處理部分，由于前端信號采集模塊I采集得到的轉(zhuǎn)速/方向信號電壓為5V，而FPGA工作電壓為3.3V，故轉(zhuǎn)速/方向信號需通過電壓轉(zhuǎn)換為3.3V送入FPGA，由硬件時序邏輯來實現(xiàn)頻率測量；該(2.3)部分開關信號處理部分，同樣需要通過電壓轉(zhuǎn)換成3.3V之后送入FPGA ;該(2.4)部分PCI總線控制器，完成本設計PCB板卡與計算機之間的數(shù)據(jù)讀寫與控制:PCB板卡插在計算機的PCI插槽中,通過PCI總線與計算機交互數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)傳輸、控制的全過程由PCI總線控制器進行PCI總線和局部總線的橋接，可以保證局部總線一端的設備在符合PCI總線的規(guī)范后連接到PCI總線上；該(2.5)部分步進電機驅(qū)動信號控制部分，F(xiàn)PGA得到操作員在計算機上下達的控制信號之后將發(fā)送方波信號與方向信號，通過芯片74HC05與MOS管BSS138放大后輸出給步進電機，驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)；該(2.6)部分FPGA時序邏輯控制方面，本發(fā)明使用復雜可編程邏輯器件(ComplexProgrammable Logic Device,簡稱CPLD)和FPGA混合使用，以達到設計要求:CPLD完成對FPGA程序的加載并對PCI總線控制器進行配置；FPGA則在硬件描述語言Verilog編程下主要完成所需功能的要求。
[0035]所述顯示與控制模塊3由工控機與本發(fā)明所設計的PCIcom軟件組成。工控機為通用設備，選用型號為研華IPC-610P4 -30HC,上述PCB板卡通過PCI插槽與工控機連接工作通過PCI插槽與工控機連接工作。如圖2所示，PCIcom軟件完成數(shù)據(jù)的分析處理、友好顯示以及指令的發(fā)送等功能:(I)模擬角度信號與轉(zhuǎn)速信號由FPGA經(jīng)過PCI總線讀入軟件后，通過累加求平均的方式得到符合精度要求的數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同通道各信號名稱顯示在軟件上；(2)開關信號由FPGA經(jīng)過PCI總線讀入軟件后，在軟件界面上根據(jù)不同開關序號顯示“開”或“關”狀態(tài)，并且當開關狀態(tài)為“開”時，根據(jù)開關序號所對應的步進電機運轉(zhuǎn)方式，發(fā)送控制信號驅(qū)動相應步進電機運轉(zhuǎn)；(3) PCIcom軟件根據(jù)用戶需求能夠設置步進電機移動距離零點位置，根據(jù)軟件發(fā)送驅(qū)動步進電機工作的方波信號個數(shù)與每個方波驅(qū)動步進電機移動距離來計算步進電機當前位置，并顯示；(4) PCIcom軟件能夠根據(jù)步進電機當前位置與所設零點位置之差，發(fā)送相應個數(shù)的方波驅(qū)動步進電機向反方向移動，從而完成“回零”功能。
[0036]為了更好的詳細說明本技術方案，在具體實施時，再補充說明如下:
[0037]( I)模擬信號遙測數(shù)據(jù)工作流程
[0038]具體流程如下:
[0039]整個直升機實驗室測試系統(tǒng)就緒后，12路模擬角度信號經(jīng)過前端信號采集模塊I得到模擬電壓后進入中心處理單元模塊2，由于FPGA對12路信號的處理不是同時而是依次進行，故需要經(jīng)過多路開關選擇器按順序選擇相應序號通路的角度信號，加到ADC(Analog -to -Digital Converter, ADC模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器,FPGA無法處理模擬信號，只能處理數(shù)字信號，故需使用ADC)模擬輸入端，完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，最終輸入FPGA。這一過程由硬件板卡中多路開關選擇器芯片MPC506AU、放大器AD620及ADC芯片ADS8509完成。
[0040]一個16位ADC完成所有模擬量的數(shù)字化，以遍歷方式依次選通模擬開關，一個時刻只將一路模擬信號送至ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完畢之后送入FPGA，通過由PCI總線控制器PCI9054芯片控制PCI總線送入顯示與控制模塊3。PCIcom軟件讀取PCI總線中的數(shù)據(jù)之后，取100個數(shù)據(jù)去掉其中最大值與最小值進行累加，得到結果顯示在軟件界面上。通過PCIcom軟件的處理使得數(shù)據(jù)顯示較為精確，并且由于電壓值傳輸過程中容易受到擾動等噪聲干擾，軟件處理后使得數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。
[0041]由于ADC的速度高，一般都在微秒級，而被測信號頻率較低，采集全部模擬信號并送顯和分析的時間不超過lms，滿足系統(tǒng)實時性要求。
[0042](2)轉(zhuǎn)速/方位信號遙測數(shù)據(jù)工作流程
[0043]具體流程如下:
[0044]整個直升機實驗室測試系統(tǒng)就緒后，I路轉(zhuǎn)速信號與I路方位信號進入中心處理單元模塊2，由于前端信號采集模塊I采集得到的轉(zhuǎn)速/方向信號電壓為5V，而FPGA工作電壓為3.3V，故轉(zhuǎn)速/方向信號需通過電壓轉(zhuǎn)換為3.3V送入FPGA，通過由PCI總線控制器PCI9054芯片控制PCI總線送入顯示與控制模塊3。PCIcom軟件讀取PCI總線中的數(shù)據(jù)之后:對轉(zhuǎn)速信號取30個數(shù)據(jù)去掉其中最大值與最小值進行累加，得到結果顯示在軟件界面上；由于方位信號高電平代表旋翼正轉(zhuǎn)、低電平代表旋翼反轉(zhuǎn)，電信號較為簡單故直接顯示即可。通過PCIcom軟件的處理使得數(shù)據(jù)顯示較為精確，并且由于電壓值傳輸過程中容易受到擾動等噪聲干擾，軟件處理后使得數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。
[0045](3)開關信號遙測數(shù)據(jù)與步進電機遙控數(shù)據(jù)工作流程
[0046]開關信號遙測數(shù)據(jù)工作具體流程如下:
[0047]整個直升機實驗室測試系統(tǒng)就緒后，40路開關信號進入中心處理單元模塊2，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換芯片CD4504B將電壓由12V轉(zhuǎn)換為5V后，接IK歐姆電阻將輸出電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，送入FPGA，通過由PCI總線控制器PCI9054芯片控制PCI總線送入顯示與控制模塊3。PCIcom軟件讀取PCI總線中的數(shù)據(jù)之后，根據(jù)開關信號的高地電平在軟件界面上直接顯示相應的“開”或“關”狀態(tài)。此為開關信號遙測數(shù)據(jù)工作流程。
[0048]步進電機遙控數(shù)據(jù)工作具體流程如下:
[0049]當開關信號為“開”時，軟件將根據(jù)該開關所定義的步進電機運轉(zhuǎn)方式，通過PCI總線控制器PCI9054芯片控制的PCI總線向FPGA發(fā)送控制信號，再由FPGA輸出控制信號，通過74HC05芯片以及MOS管BSS138對信號進行放大以達到步進電機驅(qū)動器對輸入電壓及電流的要求后，向特定序號的步進電機發(fā)送特定的方波信號，以驅(qū)動步進電機按照測試人員給定的方式運轉(zhuǎn)；當開關狀態(tài)為“關”時，驅(qū)動信號發(fā)送停止。以上為實驗室控制臺操作按鈕控制步進電機工作，使用軟件直接控制步進電機工作原理相同。此為步進電機遙控數(shù)據(jù)工作流程。
[0050]綜上所述，本發(fā)明一種通用化的直升機實驗室測控系統(tǒng)，它由前端信號采集模塊、中心處理單元模塊和顯示與控制模塊3個部分組成；它們之間的相互連接關系是:前端信號采集模塊I通過信號線接入DB62接口與中心處理單元模塊2相連接，完成遙測數(shù)據(jù)的采集,通過相應的處理之后進入中央處理單元模塊2的核心部分——FPGA ;中心處理單元模塊2通過PCI插槽接入PCI總線，由PCI總線控制器PCI9054芯片完成和顯示與控制模塊3相連接，完成中心處理單元模塊2與顯示與控制模塊3的通信，顯示與控制模塊3完成遙測數(shù)據(jù)的分類處理、存儲，并將遙控指令發(fā)送給中心處理單元模塊2。本發(fā)明能夠滿足直升機設計與測試的實際需求:能夠完成直升機實驗室旋翼轉(zhuǎn)速測量、槳距計算、旋翼揮舞角/變距角測量、開關信號測量以及實驗塔臺旋翼步進電機控制等功能。系統(tǒng)穩(wěn)定性強且準確性高，它在直升機實驗室測試領域具有實用價值和廣闊的應用前景。
【權利要求】
1.一種通用化的直升機實驗室測控系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括3部分:前端信號采集模塊(I)、中心處理單元模塊(2)和顯示與控制模塊(3)，按照預定的流程完成對旋翼系統(tǒng)測試過程中遙測數(shù)據(jù)的接收、處理、分類存儲、顯示，遙控指令的發(fā)送功能；各模塊之間的連接關系如下所述:前端信號采集模塊(I)通過信號線接入DB62接口與中心處理單元模塊(2)相連接，完成遙測數(shù)據(jù)的采集，通過相應的處理之后進入中央處理單元模塊(2)的核心部分一現(xiàn)場可編程門陣列即FPGA ;中心處理單元模塊(2)通過PCI插槽接入PCI總線，由PCI總線控制器PCI9054芯片完成和顯示與控制模塊(3)相連接，完成中心處理單元模塊(2)與顯示與控制模塊(3)的通信，顯示與控制模塊(3)完成遙測數(shù)據(jù)的分類處理、存儲，并將遙控指令發(fā)送給中心處理單元模塊(2)； 所述的前端信號采集模塊(I)由(1.1)滑動電位計、(1.2)光電轉(zhuǎn)換器及(1.3)開關電路三部分組成，且這三部分相互獨立； 該(1.1)滑動電位計為通用設備，對旋翼處在不同角度位置時相應電信號即模擬角度信號進行采集，通過前端信號采集模塊(I)中的信號連接器送入中心處理單元模塊(2);該(1.2)光電轉(zhuǎn)換器為通用設備，選用設備滿足以下參數(shù)要求即可:高10mm、反射距離<2mm、工作電壓0~15V ;該光電轉(zhuǎn)換器將對光信號轉(zhuǎn)換為電信號即轉(zhuǎn)速/方向信號進行采集，通過前端信號采集模塊(I)中的信號連接器送入中心處理單元模塊(2)，旋翼每轉(zhuǎn)動一周，光電轉(zhuǎn)換器輸出四個脈沖電壓信號，通過數(shù)據(jù)處理得出轉(zhuǎn)速值；該(1.3)開關電路為常規(guī)接線，滿足開關按下時電路接高電平、松開時電路接低電平即可，該(1.3)開關電路即開關信號的高低電平狀態(tài)作為電信號通過前端信號采集模塊(I)中的信號連接器送入中心處理單元模塊(2)； 所述的中心處理單元模塊(2)由所設計的印刷電路板即PCB板卡實現(xiàn)J_PCB板卡設計分為6部分:(2.1)角度信號處理部分、(2.2)轉(zhuǎn)速/方向信號處理部分、(2.3)開關信號處理部分、(2.4)能實現(xiàn)PCB板卡與計算機數(shù)據(jù)讀寫控制的PCI總線控制器部分、(2.5)步進電機驅(qū)動信號控制部分、(2.6)現(xiàn)場可編程門陣列FPGA時序邏輯控制部分；其中(2.1)~(2.5)部分根據(jù)不同功能的需求選用相應的芯片完成信號處理:(2.1)、(2.2)、(2.3)、(2.4)部分所處理的信號最終輸入現(xiàn)場可編程門陣列FPGA中；(2.5)部分所處理的信號由可編程門陣列FPGA (簡稱FPGA)通過PCB板卡時序邏輯控制發(fā)送給步進電機；(2.6)部分主要由硬件描述語言Verilog編寫，通過計算機加載到FPGA中實現(xiàn)預定的時序邏輯； 該(2.1)角度信號處理部分，12路模擬角度信號經(jīng)過前端信號采集模塊(I)得到模擬電壓后進入中心處理單元模塊(2)，由于該FPGA對12路信號的處理不是同時而是依次進行，故需要經(jīng)過多路開關選擇器按順序選擇相應序號通路的角度信號，加到模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器即ADC模擬輸入端，完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，最終輸入FPGA ;該(2.2)部分轉(zhuǎn)速/方向信號處理部分，由于前端信號采集模塊(I)采集得到的轉(zhuǎn)速/方向信號電壓為5V，而FPGA工作電壓為3.3V，故轉(zhuǎn)速/方向信號需通過電壓轉(zhuǎn)換為3.3V送入FPGA，由硬件時序邏輯來實現(xiàn)頻率測量；該(2.3)開關信號處理部分，同樣需要通過電壓轉(zhuǎn)換成3.3V之后送入FPGA ;該(2.4)PCI總線控制器部分，完成本設計PCB板卡與計算機之間的數(shù)據(jù)讀寫與控制:PCB板卡插在計算機的PCI插槽中，通過PCI總線與計算機交互數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)傳輸、控制的全過程由PCI總線控制器進行PCI總線和局部總線的橋接，保證局部總線一端的設備在符合PCI總線的規(guī)范后連接到PCI總線上；該(2.5)步進電機驅(qū)動信號控制部分，該FPGA得到操作員在計算機上下達的控制信號之后將發(fā)送方波信號與方向信號，通過芯片74HC05與MOS管BSS138放大后輸出給步進電機，驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)；該(2.6)現(xiàn)場可編程門陣列FPGA時序邏輯控制部分，使用復雜可編程邏輯器件即CPLD和FPGA混合使用，以達到設計要求:該CPLD完成對FPGA程序的加載并對PCI總線控制器進行配置；該FPGA則在硬件描述語言Verilog編程下完成所需功能的要求； 所述顯示與控制模塊(3)由工控機與所設計的PCIcom軟件組成；該工控機為通用設備，上述PCB板卡通過PCI插槽與工控機連接工作；該PCIcom軟件完成數(shù)據(jù)的分析處理、友好顯示以及指令的發(fā)送功能。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種通用化的直升機實驗室測控系統(tǒng)，其特征在于:所述的“該PCIcom軟件完成數(shù)據(jù)的分析處理、友好顯示以及指令的發(fā)送功能”，其功能內(nèi)容有:(I)模擬角度信號與轉(zhuǎn)速信號由FPGA經(jīng)過PCI總線讀入軟件后，通過累加求平均的方式得到符合精度要求的數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同通道各信號名稱顯示在軟件上；(2)開關信號由FPGA經(jīng)過PCI總線讀入軟件后，在軟件界面上根據(jù)不同開關序號顯示“開”或“關”狀態(tài)，并且當開關狀態(tài)為“開”時，根據(jù)開關序號所對應的步進電機運轉(zhuǎn)方式，發(fā)送控制信號驅(qū)動相應步進電機運轉(zhuǎn)；(3)該PCIcom軟件根據(jù)用戶需求能夠設置步進電機移動距離零點位置，根據(jù)軟件發(fā)送驅(qū)動步進電機工作的方波信號個數(shù)與每個方波驅(qū)動步進電機移動距離來計算步進電機當前位置，并顯示；(4)該PCIcom軟件能夠根據(jù)步進電機當前位置與所設零點位置之差，發(fā)送相應個數(shù)的方波驅(qū)動步進電機`向反方向移動，從而完成“回零”功能。
【文檔編號】G05B23/02GK103777625SQ201410012445
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月10日 優(yōu)先權日:2014年1月10日
【發(fā)明者】趙琦, 張正浩, 劉蘇瀟, 陸國雷, 馮文全 申請人:北京航空航天大學