基于FPGA与DSP的发动机参数采集系统设计

dragongfly

摘要：介绍可编程逻辑器件（FPGA）与数字信号处理器（DSP）在航空发动机参数采集系统中的应用研究;文章以EP4CE115F23I7 可编程逻辑器件与 TMS320VC5416 数字信号处理器为核心设计、开发发动机参数采集系统;采用模块化设计，根据电路功能将发动机参数采集系统硬件分解为 AD信号采集模块、通讯模块、离散量控制模块、数据处理模块以及参数记录模块;FPGA软件方面采用应用广泛的 VERILOG 语言，DSP软件采用C语言与汇编语言混合编程;并将发动机参数采集系统成功应用于某型直升机，效果良好。

随着航空技术和计算机技术的不断发展， 人们对飞机的性能提出更高要求，而发动机作为飞机的核心装置，在整个飞机系统中扮演重要角色。发动机工作时，各部件承受着非常高的机械应力和热应力，为保证发动机安全、可靠、稳定地工作，必须对航空发动机参数、燃油系统参数、滑油系统参数等进行精确测量、显示、控制。传统的机械式仪表已经逐渐被数字显示仪表所替代，嵌入式系统越来越多地应用到航空仪表之中。因此，迫切需要研究一套具有高通用性、高可靠性及安全性的发动机参数采集系统。近年来，数字信号处理器（DSP）由于其速度块、精度高、稳定性好被越来越多地应用于航空电子设备中。本文采用FPGA与DSP为核心的系统方案，设计出发动机参数采集系统，并成功应用于某型号直升机，获得批量生产。
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) H" b, [: \$ H& w1、整体设计
发动机参数采集系统（以下简称"发参采集器"）主要由7块板卡组成∶二次电源板、电源板、AD板1、AD板2、DIO板、主控板和底板。整体结构如图1所示。
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3 I9 M8 K; \; |& S; D$ l6 ~由图1可以看出信号流向。其中20路模拟信号和7路频率信号经过信号调理，由发参采集器进行数据采集。发参采集器通过光隔离实现18路离散量输入和12路离散量输出。发参采集器通过 ARNIC429接口与 EECU左、EECU 右实现全双工通讯，与告警控制盒、三轴大气数据系统计算机（以下简称大气计算机）实现单工接收通讯。发参采集器通过RS一422接口，与综合控制显示计算机实现全双工通讯，发送信息到多功能显示器 2 和4、以及飞行参数采集器，单工接收燃油计算机信息。另外，还有一路备用发送接口。将需要存储的信息保存至 EEPROM 中，通过自检接口与上位机通讯，实现系统自检和校正等维护功能，自检口采用RS232接口。
) `' i: ~2 ?% Y: D1 K9 M主要板卡功能介绍∶二次电源板主要提供电源的尖峰浪涌抑制，当外部供电电源的电压低于18 V时，二次供电启动。除为本系统供电外，还能输出 2路 21 VDC±1 V电源。二次电源板电源输入为两路，第一路为正常的供电，第二路为应急供电;电源板为整个系统提供电源，将机载电源转为±15 VDC，为传感器和模拟板供电，转为5 VDC，为主控板、DIO板及 AD1 板和 AD2板供电;两块 AD 板 PCB设计相同，通过底板分配处理不同的信号，AD板将模拟信号和频率信号转化为标准信号，供采主控板采集，其中，频率信号转化为0～3.3 V的标准方波，供主控板采集，DI 信号隔离后供采集板采集;主控板主要实现ARINC429总线接收和发送数据，RS422 总线接收和发送数据，采集模拟量和离散量输入数据、频率数据，并控制离散量的输出，上位机自检等。主要功能器件∶FPGA采用EP4CEl15F23I7，该器件在其它产品型号应用较为广泛。DSP选用TI公司的 TMS320VC5416，该芯片在其它课题中已成功应用。ARINC 429 的接口芯片采用 HOLT公司的HI一3593PQI，该芯片为工业级芯片，温度范围∶一40～＋85 ℃。52脚 PQFP 封装，节省 PCB 空间，同时 HI一3593PQI自带自检功能，使用控制寄存器中的 SELF TEST 位，就可以实现芯片的自收自发，实现自检。422 总线通讯设备需求为4发2收，采用HOLT公司的 HI一4850，该芯片每片自带一路收发，设计采用单独接口设计，每一个接口对应一组 422接收或发送;DIO板输入输出离散量，DIO 板主要功能是对 DI、DO信号的隔离，选用高速光耦实现;底板为内部各个电路板之间以及外部信号至内部电路板的信号连接通路。
发动机参数采集系统主要功能：采集和处理发动机工 作状态、燃油系统、液压系统、滑油系统、旋翼转速和电源系统等信息并提供给综合任务系统，为飞行员提供准确 的发动机、燃油、液压、电源等各项参数指示。记录发动 机工作历程及其它必要的信息。为EECU提供必要的参 数，并输出发动机告警信号。

; s7 M8 T0 h( t% s8 w! t  e9 V1.1 FPGA系统设计
% W; \2 [& P3 a# N  C' G" C' tFPGA作为发动机参数采集系统的核心之一，与电源系统、RS422接收、发送电路、ARINC429 接收、发送电路、DSP 硬件系统以及外部接口模块紧密相连。主要功能包括∶FPGA硬件电路（晶振电路、复位电路、程序配置电路等）以及Verilog HDL实现的与 DSP系统的 HPI通信、2路 RS422数据的接收、4 路 RS422数据的发送、4 路 ARINC429 数据的接收、2路 ARINC429数据的发送、l12路离散量输入信号的采集、7路频率量的采集、4 片AD模拟量数据采集接口的实现、8路离散量输出地控制以及监控 DSP系统，其功能框图如图 2所示。
主要功能模块实现方式如下∶
1）AD控制模块∶AD控制模块每隔 20 ms 采集一次16 路的模拟量值，并将采集到的16路16bits信号存放在RAM中，后端模块在 wrdone_sig 为高时进行数据读取操作。AD_Left 以及 AD_Right分别实现2块 AD板模拟量的采集。
6 Q. i/ Z: z' w$ t1 v! c2）422接收模块∶FMSR_RX 及 IDCP_RX分别实现燃油测量计算机和综合显示控制计算机 RS422数据的接收。燃油测量计算机的通讯周期 80 ms;通讯速率为9600bit/s，偶校验;综合显示控制计算机通讯周期 80 ms，通讯速率为38400bit/s，奇校验。
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Dollche

大佬发表的帖子，感觉很厉害，很棒，

zhi_hui_zhou

感觉很厉害，很棒，学习学习。