飛行試驗顫振數(shù)據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng) - 全文

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　　目前飛行試驗中常用的實時監(jiān)控系統(tǒng)配有雙通道位同步器，支持接收兩路遙測PCM數(shù)據(jù)流，可同時保障兩架飛機(jī)的實時監(jiān)控。

　　由于顫振飛行試驗對實時監(jiān)控系統(tǒng)的實時性、準(zhǔn)確性以及可靠性要求較高，而且顫振參數(shù)具有很高的采樣率。為保障監(jiān)控系統(tǒng)的性能，設(shè)計實現(xiàn)了獨(dú)立于其他飛行參數(shù)的顫振數(shù)據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng)。其中怎樣保證條圖儀均勻輸出是主要解決的問題。以下將介紹顫振數(shù)據(jù)專用監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計思路和工作原理，詳細(xì)闡述系統(tǒng)的硬件組成與相關(guān)軟件。

　　1 顫振數(shù)據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng)

　　顫振數(shù)據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在常用的實時系統(tǒng)中增加為顫振數(shù)據(jù)專用的服務(wù)器，使用獨(dú)立的局域網(wǎng)。這樣在顫振數(shù)據(jù)的高采樣率大數(shù)據(jù)量的情況下，可不占用其他系統(tǒng)帶寬。使雙方不因網(wǎng)絡(luò)擁塞丟包導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，以此保證整個實時系統(tǒng)的性能。如果系統(tǒng)中只有一臺顫振服務(wù)器，監(jiān)控的兩架飛機(jī)中只能一架試飛顫振科目。

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　　該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單但功能完備，具有多數(shù)據(jù)源：遙測數(shù)據(jù)、磁帶數(shù)據(jù)、磁盤文件;多種工作模式：實時、磁帶回放、磁盤文件數(shù)據(jù)回放;可每次采集處理多達(dá)50個顫振傳感器參數(shù)，顫振采樣率小于等于512點/s等特點。

　　1.1 顫振數(shù)據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成

　　機(jī)載測試系統(tǒng)將數(shù)據(jù)類型為ARINC 422，ARINC 429，F(xiàn)CS，GPS，部分1553B及加裝傳感器參數(shù)等數(shù)據(jù)采集，以PCM(脈沖編碼調(diào)制)格式記錄及遙測發(fā)射。其中選擇采集的部分1553B總線數(shù)據(jù)是指按總線號、遠(yuǎn)程終端RT號、子地址SA、邏輯塊等總線字的定義，從總線上挑選需要的命令字、狀態(tài)字、數(shù)據(jù)字。對挑選的總線字，格式化為2個連續(xù)的PCM字。這些PCM字與其他測試數(shù)據(jù)合并形成一條主PCM數(shù)據(jù)流，供遙測發(fā)射到地面進(jìn)行實時監(jiān)控及機(jī)載記錄。

　　而顫振實時監(jiān)控系統(tǒng)是完成遙測數(shù)據(jù)采集、存儲并顯示，由位同步器、PC機(jī)、PCM反變換板、D/A變換板、交換機(jī)和條圖儀等硬件組成，如圖2所示。

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　　發(fā)射下來的PCM數(shù)據(jù)流通過遙測接收機(jī)接收后，經(jīng)綜合傳輸網(wǎng)進(jìn)入位同步器再到PCM反變換板。完成PCM數(shù)據(jù)流的反變換后二次同步(即幀同步)，前端服務(wù)器程序采集、存貯顫振數(shù)據(jù)，并對存貯的顫振參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行取位、高低字合并、物理量轉(zhuǎn)換等校準(zhǔn)計算。根據(jù)需要將監(jiān)控畫面中使用的參數(shù)通過百兆網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到客戶端顯示，并將選定的顫振參數(shù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換發(fā)送到條圖儀輸出。

　　1.2 顫振數(shù)據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng)軟件及數(shù)據(jù)傳輸過程

　　顫振數(shù)據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng)軟件及數(shù)據(jù)傳輸過程如圖3所示。其中顫振數(shù)據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng)軟件由前端服務(wù)器程序和客戶端實時監(jiān)控程序組成，形成服務(wù)器和客戶端模式。前端服務(wù)器軟件需加載帶頭文件，客戶端多幅監(jiān)控畫面用到的總參數(shù)名文件以及條圖儀通道參數(shù)名的信息文件。服務(wù)器軟件根據(jù)加載的帶頭中同步字信息、幀結(jié)構(gòu)信息將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次同步，經(jīng)過同步處理后的數(shù)據(jù)才能進(jìn)行校準(zhǔn)計算。幀同步后服務(wù)器軟件對顫振數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在勾選“原始數(shù)據(jù)存盤”項的情況下存貯數(shù)據(jù)。

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　　實現(xiàn)服務(wù)器與客戶端的信息通信及數(shù)據(jù)傳輸是基于TCP(傳輸控制協(xié)議)和UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)，并采用WinSock的網(wǎng)絡(luò)編程接口實現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)通信。TCP為兩臺主機(jī)提供高可靠性的數(shù)據(jù)通信，為了提供可靠的服務(wù)，TCP采用了超時重傳、發(fā)送和接收端到端的確認(rèn)分組等機(jī)制;UDP協(xié)議只是把稱作數(shù)據(jù)報的分組從一臺主機(jī)發(fā)送到另一臺主機(jī)，但并不保證該數(shù)據(jù)報能達(dá)到另一端。

　　因此總參數(shù)名文件按TCP協(xié)議通信，前端服務(wù)器程序?qū)⒘魇教捉幼种萌氡O(jiān)聽模式，當(dāng)有客戶端程序的連接請求時，接受請求并向請求方發(fā)送監(jiān)控參數(shù)表，最后斷開與客戶端程序的TCP連接。為了避免因服務(wù)器程序晚于客戶端監(jiān)控程序啟動造成無法與服務(wù)器連接的情況，監(jiān)控程序采用定時器定時向服務(wù)器發(fā)送連接請求，當(dāng)連接成功后關(guān)閉定時器。

　　然后將完成取位、高低字合并、物理量轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，根據(jù)以UDP形式向客戶端程序廣播發(fā)送。TCP是一個面向連接的協(xié)議，它意味著分別運(yùn)行于兩主機(jī)(由IP地址確定)內(nèi)的兩進(jìn)程(由端口號確定)間存在一條連接。建立一個連接需要3次握手，而終止一個連接要經(jīng)過4次握手。而一端使用UDP向另一端發(fā)送數(shù)據(jù)報時，無需任何預(yù)先的握手。UDP是不可靠無連接的，它不能保證數(shù)據(jù)報能安全無誤地到達(dá)最終目的。雖然

　　UDP協(xié)議不提供反饋信息來控制機(jī)器之間傳輸?shù)男畔⒘髁浚赡艹霈F(xiàn)丟包、重復(fù)。但在數(shù)據(jù)傳輸時間很短，以至于此前的連接過程成為整個流量主體的情況下，UDP也是一個好的選擇。本監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器與客戶端在同一個監(jiān)控大廳內(nèi)，傳輸距離很短。因此向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)采用UDP協(xié)議而不是TCP協(xié)議，以保證高效率發(fā)送數(shù)據(jù)。飛行實踐證明在1.0 Gb/s網(wǎng)速的由25臺PC機(jī)組成的局域網(wǎng)內(nèi)，顫振數(shù)據(jù)按采樣率512點/s，傳輸200個參數(shù)是完全可靠的。

　　另外，基于UDP協(xié)議的通信模式只需將Socket與指定的端口號和本地的IP地址綁定就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，控制算法簡單。而且采用UDP協(xié)議有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展，可以根據(jù)需要在不影響系統(tǒng)性能的前提下減少或增加客戶端微機(jī)的數(shù)量。

　　UDP協(xié)議不使用確認(rèn)信息對報文的到達(dá)進(jìn)行確認(rèn)，也不對收到的報文進(jìn)行排序。導(dǎo)致報文可能出現(xiàn)延遲以及亂序的現(xiàn)象。但是顫振數(shù)據(jù)要求嚴(yán)格按時間均勻輸出，否則條圖儀繪出的圖形產(chǎn)生變形，有臺階出現(xiàn)，不易辯識試驗動作段。假設(shè)顫振數(shù)據(jù)的采樣率為512點/s，要求計算機(jī)系統(tǒng)每隔不到2 ms就要響應(yīng)1次。因此在現(xiàn)有的操作系統(tǒng)中開發(fā)軟件，不能保證服務(wù)器均勻地向條圖儀發(fā)送數(shù)據(jù)。為保證顫振數(shù)據(jù)時間上的均勻性，在用作服務(wù)器的PC機(jī)上除PCM反變換板外加裝D/A變換板。利用D/A板的緩沖、定時功能，每次向條圖儀發(fā)送多個點的數(shù)據(jù)，設(shè)置條圖儀繪圖的時間間隔，實現(xiàn)均勻輸出。

　　同時由于該系統(tǒng)具有實時、磁帶回放、磁盤文件數(shù)據(jù)回放多種工作模式，前端服務(wù)器程序也可對機(jī)載磁帶數(shù)據(jù)、本系統(tǒng)存貯數(shù)據(jù)等不同格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放。幫助工程師在試飛的不同階段利用現(xiàn)有格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控畫面的調(diào)試，或?qū)崿F(xiàn)飛行后對感興趣的數(shù)據(jù)重現(xiàn)。

　　2 實時監(jiān)控畫面及條圖儀數(shù)據(jù)輸出

　　系統(tǒng)服務(wù)器程序提供靈活的軟件接口，支持多種軟件制作監(jiān)控畫面。于是在系統(tǒng)中的客戶端即用作顯示監(jiān)控畫面的PC機(jī)上，安裝多種編程軟件以提供采用了各種接口監(jiān)控畫面的運(yùn)行環(huán)境。畫面采用數(shù)字量、信號燈、時間歷程曲線等監(jiān)控圖形相結(jié)合，畫面美觀、數(shù)據(jù)顯示清晰直觀。

　　采用C++ Builder實現(xiàn)的實時監(jiān)控畫面如圖4，圖5所示。

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　　顫振激勵系統(tǒng)監(jiān)控畫面，要求在另一臺微機(jī)或本微機(jī)上建一個存放結(jié)果的目錄，將其完全共享(如在另一臺微機(jī)上)，將其映射為本機(jī)的N盤。開始接收服務(wù)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并實時顯示、采樣。如自動采樣，則根據(jù)標(biāo)志動作的開關(guān)量自動采樣存盤，每次開始采樣時，會發(fā)出“嘟”聲，同時在列表框中顯示保存的文件名。每次保存3組：1組常規(guī)參數(shù)，2組顫振參數(shù)，這些都可根據(jù)不同飛機(jī)的實際情況修改。如為手動采樣，每點擊“采樣”一次，則采樣一次。點擊“停止”，則停止采集，點擊“退出”則退出畫面。圖4即為手動采樣畫面。

　　顫振試飛結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)控畫面如圖5所示。畫面只要啟動起來，當(dāng)服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)過來，監(jiān)控畫面就會不停地實時顯示。選擇圖中四個列表框中的參數(shù)名，下面的四個圖表會實時畫出該參數(shù)的時間歷程曲線，如激勵信號觸發(fā)，圖形會自動重畫，因此激勵波形總是顯示在最左邊。

　　為了在屏幕上實時畫出高采樣率的顫振參數(shù)的時間歷程曲線，采取了較特殊的畫圖方法，向屏幕上輸出若干點后再刷新屏幕，這樣屏幕繪圖均勻流暢，不出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象。

　　監(jiān)控畫面可根據(jù)不同類型科目按課題人員需要靈活設(shè)計。比如，如果是脈沖激勵，根據(jù)動作開關(guān)量自動或手動采樣數(shù)據(jù)，動作開關(guān)量、保存的塊大小靈活可設(shè);如果是掃頻激勵，可通過鼠標(biāo)選取要保存的動作段數(shù)據(jù)。

　　以上即為數(shù)據(jù)的實時顯示，數(shù)據(jù)實時輸出選擇用條圖儀實現(xiàn)。常見的條圖儀有16路通道，可同時輸出16個顫振參數(shù)。服務(wù)器軟件根據(jù)上文提到的條圖儀參數(shù)名信息文件選擇小于等于16個顫振參數(shù)，經(jīng)D/A變換板轉(zhuǎn)換輸出模擬信號到條圖儀打印輸出，以控制數(shù)據(jù)的均勻性。在飛機(jī)做試驗動作時刻對已選定的顫振參數(shù)用條圖儀直接輸出，通過觀看條圖儀繪出的試驗動作段數(shù)據(jù)圖形了解飛行試驗情況。

　　3 結(jié)語

　　該顫振監(jiān)控系統(tǒng)具有優(yōu)良的實時性、可靠性以及精確性。硬件配置簡潔合理，軟件操作簡便、支持多種接口，而且監(jiān)控畫面數(shù)據(jù)顯示清晰直觀。目前已用于多種型號的飛行顫振試驗中，對飛行的安全性及試驗任務(wù)的圓滿完成發(fā)揮了重要作用。