关键词：机载测试；无线柔性测试系统；AUTBUS总线；时间同步算法；数据同步采集

在现代航空领域,试飞测试是确保飞行器性能和安全性的关键环节之一[1-4]。在民航智能飞行的进展中,机载无线柔性测试系统的研发作为关键技术备受关注,主要涵盖机载数据采集、智能数据处理以及多体制高效数据交互等方面研究内容[5-7]。通过机载环境下实现高速无线网络和柔性分布式测试,旨在建立一个以测试服务为中心、以数据为核心、具备良好扩展性和敏捷灵活性的机载分布式测试系统[8]。为了满足民机试飞特种测试的需求,本文提出一种机载无线柔性测试系统。该系统旨在通过高效的数据采集和精准的时间同步,为试飞测试提供可靠的技术支持。

在分布式测试系统中,时间同步和采集同步是确保系统稳定高效运行的关键[9-10]。由于分布式系统的节点分布在不同的位置,其内部时钟可能由于多种因素而不同步,这会影响到数据的准确采集[11]。因此,一个有效的时间同步方法对于系统的整体性能至关重要。此外,节点之间协调采集是确保数据一致性和完整性的另一个挑战。目前的研究表明,为了解决分布式数据采集系统的同步授时问题,李彩华等[12]研制了一套高精度时间同步授时系统。该系统在通信过程中周期性地发送同步授时秒脉冲,从而实现多通道高精度同步授时。李滚等[13]将每个时钟看作网络系统中的节点,首先定义不同的分布式系统拓扑结构,然后分别设计了无主钟、有主钟和网络系统中存在固定通信时延的时钟同步控制算法。此外,之江实验室的宋俊男等[14]采用了一种将GPS授时、秒脉冲(pulsepersecond,PPS)校时和脉冲触发相结合的方法进行传感器数据同步采集,同步精度达到了毫秒级。高宁等[15]研究了弹载组合导航系统的数据同步采集,通过把GPS采集器接收的1PPS信号接入FPGA与DSP以提供时间基准,利用FPGA实现MIMU与GPS数据在整秒时刻的同步采集。Pethig等[16]提出了一种在分布式系统中采集数据的方法,使用IEEE1588的精确时间协议进行同步,结果表明数据同步采集的精度为10ms。尽管已有一些方法来解决分布式测试系统的数据同步采集问题,但是关于机载柔性分布式采集模块同步数据采集的研究较少。此外,亟需进一步研究PPS、时间信息(timeofday,TOD)串口信号与总线时钟的融合算法,以提高时间同步的准确性和节点之间的协调采集数据能力。

在机载无线柔性分布式测试系统中,确保时间同步和数据采集同步是保障系统稳定高效运行的至关重要因素。由于分布式系统的节点分布在不同的地理位置,其内部时钟可能因多种因素而出现不同步的情况,从而对数据的准确采集和处理产生负面影响[17-18]。因此,研究实现有效的时间同步技术对于整个系统的综合性能至关重要。另一个面临的挑战是确保节点之间的协调采集,以保障数据一致性和完整性。在分布式系统中,不同节点可能由于网络延迟、硬件差异等因素导致数据采集的不一致性,需要采取相应的措施来协调和同步数据的采集过程。为解决上述问题,确保分布式测试系统的时间同步和数据采集同步,本文介绍了一种融合1PPS、TOD与AUTBUS总线时间的同步技术,并结合同步数据采集方法,实现了机载无线柔性分布式系统各个节点数据的同步采集。这种同步数据采集技术对于需要精确时间控制的机载测试非常重要。

机载无线柔性分布式测试系统根据民机试飞测试需求进行研制,其系统的组成架构如图1所示。相较于传统的测试系统,该系统解决了测试系统占地空间大、线缆使用量大、走线复杂、测试通道数量多等问题,具备良好的扩展性和敏捷性。该系统旨在测试民机上的应变与温度,其中应变传感器采用BE350型应变片,而温度传感器采用PT100型铂电阻。系统正常工作时,全球定位系统(globalpositioningsystem,GPS)或北斗定位数据采集器接收到卫星的时间信号后,通过解算卫星的信号得到精确的时间TOD。此外,其内部的定时电路会产生1PPS信号。首先,1PPS与TOD有线传输至机载无线高速主控单元。随后,无线高速主控单元再将1PPS与TOD信号无线传输至时间同步终端。最后,由无线时间同步终端将该信号有线传输至控制模块。应变与温度柔性采集模块根据控制模块获得的1PPS与TOD信号完成总线时钟的修正,并为采集到应变与温度的数据添加时间戳[19]。

分布式系统在主从节点间的通信采用AUTBUS总线。AUTBUS总线是一种宽带实时周期型总线,具备高带宽(总带宽≤100Mbps)、多节点、长距离、全网协同能力强等特点。总线上的节点类型分为两种:主节点(controlnode,CN)和从节点(distributednode,DN)。CN是全网网络通信的管理控制节点,负责Frame(信号帧)的循环发送、整网的时间同步以及Frame内部时间资源的分配。每个节点间的交互通信需要设置通信资源,其通信资源分配的最小单位是Symbol(时隙)。

分布式采集系统的主节点,也即控制模块,通过引入CPU侧的内部计时(capturecomparepulse-widthmodulatio,CCP)模块,实现了更为精确和高效的数据采集。该系统的关键步骤之一是由CCP模块负责响应PPS信号的接收,通过这一过程,确保了系统对外部时间同步的准确性[20]。整个流程的详细步骤如图2所示,通过CCP模块捕获1PPS信号当前计时计数,并保存该计时值。通用异步收发器(universalasynchronousreceivertransmitter,UART)串口同时接收TOD数据,根据TOD协议格式解析当前1PPS时刻的UTC时间,并获取解析完成当前时刻的计时计数。当前计时计数与捕获的1PPS计时计数的差值,即为获取解析TOD数据损耗时间,补偿损耗时间差值,即可获取当前的时间值。

通过灵活的资源分配机制使得AUTBUS总线能够根据通信需求和网络负载进行动态调整,确保通信的高效性和稳定性。图3中清晰地展示了这种资源分配的不同方式,为网络通信提供了多样性和可定制性。总线通过持续发射物理层的Frame来控制和部署整个网络的通信节奏和通信资源规划。如图3所示,每个Frame内部由一系列连续的符号组成,总共有64个,被称为Symbol。这些Symbol不仅代表时隙关系,同时包含了本时隙内的最大数据承载量,是通信资源最小分配单位。Frame内部也有系统专用的Symbol通信资源,蓝色Symbol为系统占用部分,绿色Symbol为用户可配置的部分。

AUTBUS总线时间同步机制如图4所示,在基于全网固定时钟节拍的同步总线中,CN节点通过发送Symbol时刻(总线媒体访问控制产生Symbol中断)的AUTBUS总线时间以及发送时刻CCP的时间计数,计算当前Symbol时刻与协调世界时间(universaltimecoordinated,UTC)的差值如下:

其中,dccp表示在1PPS时刻UTC时间UTCpps与发送信号帧Symbol时间ccpSymbol的差值,这个时间差与Symbol时刻的AUTBUS时间呈正比关系。为了更好地同步时间,系统会创建一个UTC时间与AUTBUS时间的对应表,并根据这个表修正AUTBUS总线的时间,最终全网广播发送。

由于总线具有固定的发送时间周期,DN节点通过接收Symbol时刻(总线媒体访问控制产生Symbol中断)的AUTBUS总线时间,即可以计算出接收到的UTC时间,计算公式如下:

其中,UTCDN表示DN节点的UTC时间,AB_time1表示DN接收到信号帧的总线时间,而AB_time2表示CN发送信号帧的总线时间。通过这两个时间值的比较,DN节点能够准确计算出接收到的UTC时间,实现了AUTBUS总线内全网节点设备的时间同步。

综上所述,通过1PPS、TOD及AUTBUS总线对表算法,系统能够有效地实现全网节点设备的时间同步,确保各个节点在相同的时间基准上进行协同操作。这种同步机制对于需要精确时间控制的机载测试十分重要。

同步采集算法的目标是在时间同步的基础上确保所有节点在同一时刻进行数据采集。全网协同事件的发生是基于固定发送时间周期的AUTBUS总线,通过这个周期,全网可以生成相同的总线时刻,从而促使各节点在同一时刻共同处理特定事件。这种协同事件的流程如图5所示,在网络内的不同时刻(T1,T2,T3)等,各节点会产生一个全网协同事件。

数据采集的过程需要通过模数转换(analog-to-digitalconversion,ADC)电路完成。在柔性采集模块中采用的是一种可以通过外部触发实现采集同步的ADC,并实现各个ADC之间的同步。由于IO信号的传输延迟低,可以忽略不计。如图6所示,在AUTBUS总线全网节点设备中,可以通过以下方法实现无线柔性分布式采集系统的采集同步:首先在全网协同事件发生时刻,通过同步(synchronous,SYNC)引脚触发ADC启动数据转换,从而实现采集同步,随后读取本次数据转换数据并记录触发时刻的时间,对采集数据打上本次采集时刻的时戳标记。

如图7(a)所示是机载无线柔性测试系统中的数据采集部分,由应变片传感器、铂电阻传感器、柔性采集模块(从左至右为1~8号)、主控模块(橙色)组成。数据采集的同步精度采用图7(b)中的Tektronix示波器进行测试,柔性采集模块输出的1PPS信号(黄色曲线)与控制模块输入端的1PPS信号(蓝色曲线)存在一定的延时,该延时即为同步精度。从测试结果中可以看出:蓝色脉冲曲线的上升沿与黄色脉冲曲线的上升沿之间存在延时,此时的柔性采集模块与控制模块的同步精度297.6ns。

表1与2分别为不同应变、温度采集模块与控制模块的同步精度的测量结果。8个应变模块与温度模块分别进行了编号,随后对每个模块进行了4次同步精度测试,并计算了平均同步精度。

如图8所示,为不同柔性采集模块与控制模块的同步精度测试结果,对于应变采集模块与温度采集模块,其最低的同步精度分别为650.1ns与822.5ns,最高的同步精度分别为59.2ns与411ns。主控模块与采集模块之间具有不同的同步精度,主要是由于底层ADC模块的性能略微不同所导致。此外,根据AUTBUS总线国际标准(IEC61158Type28,IEC61784CPF22),可知该总线自身的延时在100ns的范围内,对同步精度也会造成影响。因此,根据测试结果可知,机载无线无线柔性测试系统的同步数据采集精度最低为822.5ns,满足机载无线柔性测试系统研制的要求(≤1μs)。

本文研究了机载无线柔性分布式测试系统的同步数据采集技术。系统核心包括GPS定位数据采集器、机载无线高速主控单元、无线时间同步终端以及分布式数据采集系统。分布式数据采集系统采用高带宽的AUTBUS总线,为系统通信提供了可靠的基础。通过运用资源分配机制,使得系统能够根据通信需求和网络负载的变化进行动态调整,确保通信保持高效和稳定。全网时间同步算法基于固定时钟节拍的AUTBUS总线、1PPS与TOD信号,使各节点能够在相同时间基准上协同操作。测试数据同步采集则通过外部触发的ADC在全网协同事件的时刻实现了各节点的数据同步采集,为试飞测试提供了准确的数据支持。测试结果表明,机载无线柔性分布式测试系统的同步数据采集精度符合系统研制的要求,为航空领域的测试与测量技术提供了有益的探索和创新。