一种基于飞行器的飞行记录仪

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一种基于飞行器的飞行记录仪
申请号	CN201911059383.9	申请日	2019-11-01	公开(公告)号	CN111056023B	公开(公告)日	2023-04-11
申请人	南京贺普科技有限公司;			发明人	戴洪飞; 张雷; 张凯文;
摘要	本发明公开了飞行器领域的一种基于飞行器的飞行记录仪，包括安装在飞行记录仪内的数据采集系统，数据采集系统由硬件部分和上位机软件组成，硬件部分由模拟采集板和数字处理主板组成，模拟采集板的电路结构包括输入调理电路、类型选择电路、可编程放大电路、硬件滤波电路、AD转换电路、串转并配置电路，数字处理主板由数据采集控制电路、存储电路、通讯电路和控制总线组成，通过采用可配置输入类型和可编程放大倍数，将不同类型传感器直接接入系统，超高速采样捕获更多高频成分，大容量的存储延长测试时间，可编程滤波器滤除测量过程中的干扰信号，采样的同时避免了高频信号混叠，使用模块化设计，可根据需求增加和减少测量通道数。
权利要求	1.一种基于飞行器的飞行记录仪，其特征在于：包括安装在飞行记录仪内的数据采集系统，所述数据采集系统由硬件部分和上位机软件组成，所述硬件部分由模拟采集板和数字处理主板组成，所述模拟采集板的电路结构包括输入调理电路、类型选择电路、可编程放大电路、硬件滤波电路、AD转换电路、串转并配置电路，所述数字处理主板由数据采集控制电路、存储电路、通讯电路和控制总线组成；所述硬件滤波电路采用硬件12阶可编程截止频率的模拟低通滤波器，根据设置的不同采样频率控制低通滤波器截止频率；所述AD转换电路采用分辨率24bit，8通道模数转换器采集模拟信号，各通道并行同步采集；所述数据采集控制电路由FPGA作为主控芯片，采用2片DDR缓存作为高速数据缓存，利用FPGA控制AD转换电路和设置通道类型、放大倍数；存储电路采用高速TF卡作为数据存储，存储容量最高支持256GB；通讯电路采用USB3.0芯片作为数据传输通道，FPGA采集的数据经过DDR缓存后，再根据USB上位机指令，传送给上位机，同时，上位机能够直接通过USB采集显示数据波形，也能够通过USB3.0读取存储在TF卡内的数据；控制总线采用16位数据总线传输AD数据，模拟采集板上多个模块采用共享总线的方式分时传输数据到FPGA；所述数字处理主板还包括GPS定位模组和433Mhz无线模块，通过所述GPS定位模组采集设备位置信息、时间信息，通过所述433Mhz无线模块作为无线通讯、设置、搜寻，飞行器试验结束后，会通过无线电波方式将定位信息发出；所述可编程放大电路由输入低通滤波器和可编程运算放大器组成，可编程运算放大器由主控芯片根据传感器类型控制其放大倍数，放大倍数可在1‑1000多档设置；所述串转并配置电路采用串行输入，并行输出方式控制，数字处理主板只需要2个IO即可控制所有的配置管脚。 2.根据权利要求1所述的一种基于飞行器的飞行记录仪，其特征在于：所述输入调理电路包括输入衰减电路、应变调理电路、ICP恒流源电路和电流电压变换电路。 3.根据权利要求2所述的一种基于飞行器的飞行记录仪，其特征在于：所述输入衰减电路由高速差分运放电路构成，可将输入范围在±10V的模拟电压信号衰减成±5V范围；所述应变调理电路用于产生应变式传感器所需要的桥路电压，通过高精度电压基准芯片产生基准电压源，然后通过高精密运放控制三极管组成的射极输出器输出；所述ICP恒流源电路通过专用恒流源芯片产生4mA恒流；所述电流电压变换电路通过内部集成一只高精度120欧姆电阻将电流信号转换成电压信号。 4.根据权利要求1所述的一种基于飞行器的飞行记录仪，其特征在于：所述类型选择电路根据上位机软件设置，通过模拟电子开关芯片，将调理好的不同类型的传感器信号切换至可编程放大电路。
说明书全文	一种基于飞行器的飞行记录仪技术领域 [0001] 本发明涉及飞行器技术领域，具体为一种基于飞行器的飞行记录仪。背景技术 [0002] 飞行记录仪俗称“黑盒子”“黑匣子”。飞行器中用于记录多种飞行信息的仪器。由磁头、磁带、电子装置和走带机构等组成。用于自动记录飞行器的飞行高度、速度、航向、俯仰姿态等。装在耐撞击、耐火、耐腐蚀的黑色金属盒内，飞行器失事后仍能完好地保存下来。其所记录的信息可供分析事故原因用。 [0003] 飞行器状态的数据采集系统主要用于火箭、导弹等飞行器研制期间测试各种飞行性能参数。目前使用的采集系统中最大采样频率：10Khz；AD分辨率：16bit；最大采集通道：5通道；输入模块类型：固定（电压，电流，压力，加速度，温湿度）；存储介质：Flash闪存芯片、磁带。存在着如下缺陷：采样频率低，不能满足高速采集信号需求；AD分辨率低，不能满足测量系统精度要求；最大采集通道少，一次只能接少量的传感器；输入类型不灵活，只能接固定种类的传感器；存储卡容量小，不可插拔，速度低；输入没有硬件滤波器，不能满足抗混叠要求。 [0004] 基于此，本发明设计了一种基于飞行器的飞行记录仪，以解决上述提到的问题。发明内容 [0005] 本发明的目的在于提供一种基于飞行器的飞行记录仪，以解决上述背景技术中提出的问题。 [0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于飞行器的飞行记录仪，包括安装在飞行记录仪内的数据采集系统，所述数据采集系统由硬件部分和上位机软件组成，所述硬件部分由模拟采集板和数字处理主板组成，所述模拟采集板的电路结构包括输入调理电路、类型选择电路、可编程放大电路、硬件滤波电路、AD转换电路、串转并配置电路，所述数字处理主板由数据采集控制电路、存储电路、通讯电路和控制总线组成。 [0007] 优选的，所述输入调理电路包括输入衰减电路、应变调理电路、ICP恒流源电路和电流电压变换电路。 [0008] 优选的，所述输入衰减电路由高速差分运放电路构成，可将输入范围在±10V的模拟电压信号衰减成±5V范围；所述应变调理电路用于产生应变式传感器所需要的桥路电压，通过高精度电压基准芯片产生基准电压源，然后通过高精密运放控制三极管组成的射极输出器输出；所述ICP恒流源电路通过专用恒流源芯片产生4mA恒流；所述电流电压变换电路通过内部集成一只高精度120欧姆电阻将电流信号转换成电压信号。 [0009] 优选的，所述类型选择电路根据上位机软件设置，通过模拟电子开关芯片，将调理好的不同类型的传感器信号切换至可编程放大电路。 [0010] 优选的，所述可编程放大电路由输入低通滤波器和可编程运算放大器组成，可编程运算放大器由主控芯片根据传感器类型控制其放大倍数，放大倍数可在1‑1000多档设置。 [0011] 优选的，所述硬件滤波电路采用硬件12阶可编程截止频率的模拟低通滤波器，根据设置的不同采样频率控制低通滤波器截止频率。 [0012] 优选的，所述AD转换电路采用分辨率24bit，8通道模数转换器采集模拟信号，各通道并行同步采集。 [0013] 优选的，所述串转并配置电路采用串行输入，并行输出方式控制，主板只需要2个IO即可控制所有的配置管脚。 [0014] 优选的，所述数据采集控制电路由FPGA作为主控芯片，采用2片DDR缓存作为高速数据缓存，利用FPGA集控制AD转换电路和设置通道类型选择、放大倍数选择；存储电路采用高速TF卡作为数据存储，存储容量最高支持256GB；通讯电路采用USB3.0芯片作为数据传输通道，FPGA采集的数据经过DDR缓存后，再根据USB上位机指令，传送给上位机，同时，上位机可以直接通过USB采集显示数据波形，也可通过USB3.0读取存储在TF卡内的数据；控制总线采用16位数据总线传输AD数据，模拟采集板上多个模块采用共享总线的方式分时传输数据到FPGA。 [0015] 优选的，所述数字处理主板还包括GPS定位模组和433Mhz无线模块，通过所述GPS定位模组采集设备位置信息、时间信息，通过所述433Mhz无线模块作为无线通讯、设置、搜寻，飞行器试验结束后，会通过无线电波方式将定位信息发出。 [0016] 与现有技术相比，本发明的有益效果是： [0017] 1、通过采用可配置输入类型和可编程放大倍数，可以灵活的将不同类型传感器直接接入系统； [0018] 2、超高速采样可以捕获更多高频成分； [0019] 3、大容量的存储可以延长测试时间，也可以解决因提高采样频率而带来的数据量的增加的问题；使用可插拔的TF卡设计，可在设备严重损坏的情况下依然可以通过外部读卡器将数据读出； [0020] 4、使用硬件可编程滤波器可以滤除测量过程中的干扰信号，可以进行过采样的同时避免了高频信号混叠； [0021] 5、使用模块化设计，可根据需求增加和减少测量通道数； [0022] 6、使用USB3.0技术，可以在极短时间内把整个测量过程的数据导出； [0023] 7、使用433Mhz无线通讯模块，可实现远距离信号传输。附图说明 [0024] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0025] 图1为本发明硬件部分结构示意图； [0026] 图2为本发明输入衰减电路图； [0027] 图3为本发明应变调理电路图； [0028] 图4为本发明ICP恒流源电路图； [0029] 图5为本发明类型选择电路图； [0030] 图6为本发明可编程放大电路图； [0031] 图7为本发明硬件滤波电路图； [0032] 图8为本发明串转并配置电路图。具体实施方式 [0033] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。 [0034] 请参阅图1‑8，本发明提供一种技术方案：一种基于飞行器的飞行记录仪，包括安装在飞行记录仪内的数据采集系统，数据采集系统由硬件部分和上位机软件组成，硬件部分由模拟采集板和数字处理主板组成，模拟采集板的电路结构包括输入调理电路、类型选择电路、可编程放大电路、硬件滤波电路、AD转换电路、串转并配置电路，数字处理主板由数据采集控制电路、存储电路、通讯电路和控制总线组成。 [0035] 其中，输入调理电路包括输入衰减电路、应变调理电路、ICP恒流源电路和电流电压变换电路。输入衰减电路由高速差分运放电路构成，可将输入范围在±10V的模拟电压信号衰减成±5V范围；此电路的加入使得设备能够直接采集大信号传感器，无需外部调理模块应变调理电路用于产生应变式传感器所需要的桥路电压，通过高精度电压基准芯片产生基准电压源，然后通过高精密运放控制三极管组成的射极输出器输出；ICP恒流源电路通过专用恒流源芯片产生4mA恒流；电流电压变换电路通过内部集成一只高精度120欧姆电阻将电流信号转换成电压信号。 [0036] 其中，类型选择电路根据上位机软件设置，通过模拟电子开关芯片，将调理好的不同类型的传感器信号切换至可编程放大电路。 [0037] 其中，可编程放大电路由于不同传感器信号输出幅值大小均不同，为了能在一个通道内让多种传感器信号均能采集，需要根据传感器类型设信号放大倍数，由输入低通滤波器和可编程运算放大器组成，可编程运算放大器由主控芯片根据传感器类型控制其放大倍数，放大倍数可在1‑1000多档设置，满足小信号传感器和大信号传感器均能采集的要求。 [0038] 其中，硬件滤波电路采用硬件12阶可编程截止频率的模拟低通滤波器，根据设置的不同采样频率控制低通滤波器截止频率，在整个采样范围内满足抗混叠要求。 [0039] 其中，AD转换电路采用分辨率24bit，8通道模数转换器采集模拟信号，各通道并行同步采集。采集电路模块化设计，最大可组成8*X（X=1‑8）通道数。 [0040] 其中，串转并配置电路单个采集卡含有8个通道，每个通道需要控制输入类型、放大倍数、滤波截止频率，这些配置需要占用很多IO，本发明采用串行输入，并行输出方式控制，主板只需要2个IO即可控制所有的配置管脚。 [0041] 其中，数据采集控制电路由FPGA作为主控芯片，采用2片DDR缓存作为高速数据缓存，利用FPGA集控制AD转换电路和设置通道类型选择、放大倍数选择；存储电路采用高速TF卡作为数据存储，存储容量最高支持256GB，采用FGPA直接控制TF数据存储其工作在UHS‑II高速模式，存储速度可达100MB/S、通讯电路采用USB3.0芯片作为数据传输通道，FPGA采集的数据经过DDR缓存后，再根据USB上位机指令，传送给上位机，同时，上位机可以直接通过USB采集显示数据波形，也可通过USB3.0读取存储在TF卡内的数据；控制总线采用16位数据总线传输AD数据，模拟采集板上多个模块采用共享总线的方式分时传输数据到FPGA。 [0042] 其中，数字处理主板还包括GPS定位模组和433Mhz无线模块，通过GPS定位模组采集设备位置信息、时间信息，通过433Mhz无线模块作为无线通讯、设置、搜寻，飞行器试验结束后，会通过无线电波方式将定位信息发出。 [0043] 具体工作原理如下所述： [0044] 上位机电脑连接USB3.0数据线到设备，设备此时将处与USB控制状态，通过上位机软件设置各个通道的输入类型，每个通道独立设置，可以接不同类型传感器。软件根据输入的传感器类型，自动控制电子开关将相对应的调理电路选择进测量回路里。软件根据选择的传感器类型自动计算出需要的放大倍数。上位机设置采集频率，软件根据采集频率自动计算出抗混叠截止频率，并配置抗混叠滤波器。上位机设置输入信号完成后，设置本次采集时间，软件根据采集时间、采样频率计算本次采集所需存储空间，如果存储空间不足，会提示用户是否覆盖之前数据。用户输入开始命令后，设备进入触发采集状态，此时，设备可脱离USB控制，用户可通过手持遥控装置发射无线信号控制设备开始采集。实验时间达到设置时间时或用户提前取消采集，采集结束。此时，设备搜寻GPS信号，并将GPS坐标，通过无线电向外发射。用户使用上位机软件可搜寻到设备当前位置。取回设备后，连接USB3.0到上位机，上位机发送读取数据命令，此时，FPGA将高速读取TF存储的对应数据，并将数据打包经过DDR高速缓冲后发送给上位机。 [0045] 使用模拟电子开关器件，通过软件控制输入端测量类型，同时搭配可编程运放，可动态调整不同类型传感器输入范围无需额外添加传感器调理盒；使用FPGA直接控制TF卡，FPGA模拟UHS‑II协议，高速存储方案。使用FPGA搭配USB3.0方案传输数据到上位机，USB3.0选用32bit总线式接口芯片；模拟采集卡采用模块化设计，以8通道为最小单位，最高支持8层模拟采集卡，每个采集卡含有8个独立通道。每个通道可以独立设置任意输入类型和放大倍数；采集主板和采集卡采用共享并行总线的方式高速传输数据。 [0046] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。 [0047] 以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。