李智中，李北國，張 利，金 文，李 寶，劉東海

一種星箭振動(dòng)信號(hào)遙測的實(shí)時(shí)處理模塊設(shè)計(jì)*

李智中1，李北國1，張 利1，金 文1，李 寶1，劉東海2

（1北京航天長征飛行器研究所 北京 100076 2太原市華納方盛科技有限公司 太原 030051）

為獲取衛(wèi)星和火箭在飛行試驗(yàn)中其結(jié)構(gòu)所承受的振動(dòng)激勵(lì)響應(yīng)，衛(wèi)星和火箭需測量多路振動(dòng)信號(hào)，由于振動(dòng)信號(hào)的頻帶很寬，因此采樣編碼后的數(shù)據(jù)量大，要占據(jù)很多的遙測信道容量，這給遙測系統(tǒng)帶來很大的壓力。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展，使衛(wèi)星和火箭的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理成為可能。設(shè)計(jì)的模塊采用DSP和FPGA架構(gòu)，結(jié)合軟件算法，實(shí)現(xiàn)將遙測振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為功率譜密度數(shù)據(jù)，降低對遙測信道容量的占用。

振動(dòng)；實(shí)時(shí)處理；功率譜密度

引 言

在衛(wèi)星和火箭遙測系統(tǒng)測量的各種參數(shù)中，飛行過程中的振動(dòng)信號(hào)的量級(jí)是確定其結(jié)構(gòu)受到外界激勵(lì)產(chǎn)生相應(yīng)響應(yīng)的重要依據(jù)。振動(dòng)信號(hào)具有很寬的頻帶約2Hz到10kHz。傳統(tǒng)的遙測技術(shù)一般采用傳輸頻段為2.2GHz到2.3GHz的脈沖編碼調(diào)制/調(diào)頻PCM/FM（Pulse Code Modulation/Frequency Modulation）通信體制[1]直接測量振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域信息。因其信息需占用很大的信道容量發(fā)送，通常采用減小字長、減少參數(shù)數(shù)量、降低采樣率等方式，來滿足通信需求，但同時(shí)降低了測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量，而對于振動(dòng)信號(hào)，我們最關(guān)心的是它的功率譜密度PSD（Power Spectral Density）。針對上述問題，本文提出了實(shí)時(shí)處理模塊，在衛(wèi)星和火箭上通過時(shí)域及頻域分析技術(shù)對振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理[2]，得到其功率譜密度。由于實(shí)時(shí)處理模塊可起到數(shù)據(jù)壓縮的作用，因此將功率譜密度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為緩變數(shù)字量信號(hào)，提高了遙測系統(tǒng)信道的利用率。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案是在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)綜合器上增加實(shí)時(shí)處理模塊，該模塊基于FPFA（Field Programmable Gate Array）+DSP（Digital Signal Processing）系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，從采編設(shè)備所采集的16bit字長的數(shù)據(jù)幀中完成振動(dòng)數(shù)據(jù)的提取和實(shí)時(shí)處理，并將處理結(jié)果通過無線信道實(shí)時(shí)下傳。具有實(shí)時(shí)處理功能的遙測系統(tǒng)框圖如圖1所示，這是一個(gè)典型的采用無線遙測方式的遙測系統(tǒng)。

圖1 振動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)處理總體方案

1.2 預(yù)期效果分析

由于振動(dòng)信號(hào)的采樣率高，數(shù)據(jù)量大，一路信號(hào)就有幾十萬甚至幾百萬個(gè)數(shù)據(jù)[3]，模塊要達(dá)到減少振動(dòng)信號(hào)對遙測信道容量的占用的目的，首先，要保證在衛(wèi)星和火箭上將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理后生成的功率譜密度及均方根值與地面通過Matlab軟件的計(jì)算結(jié)果的應(yīng)基本一致，同時(shí)，數(shù)據(jù)的壓縮量應(yīng)達(dá)到85%以上。

2 實(shí)時(shí)處理模塊的實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

為了提高處理模塊的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)采用DSP+FPGA芯片的結(jié)構(gòu)，圖2所示為模塊設(shè)計(jì)框圖，數(shù)據(jù)篩選及接口控制模塊主要由FPGA芯片、晶振、EPROM（Electrical Programmable Read Only Memory）和程序下載接口組成，完成原始數(shù)據(jù)的接收、篩選以及處理工作；數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理模塊由DSP芯片、復(fù)位電路、晶振、程序緩存Flash和程序下載接口組成，完成對高頻振動(dòng)數(shù)據(jù)的譜分析工作。電源完成對數(shù)據(jù)篩選及接口控制模塊和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理模塊的供電。

圖2 振動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)處理模塊設(shè)計(jì)

2.2 功率譜密度算法實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)綜合器上電后，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理板中的DSP芯片從EPROM中讀取出配套遙測采集模塊的K值和B值及配套振動(dòng)傳感器X軸、Y軸、X軸的靈敏度和零位，DSP與FPGA內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)如圖3所示。參數(shù)讀取完成后，數(shù)據(jù)篩選及接口控制模塊中FPGA芯片接收采集模塊通過同步422接口進(jìn)行固定幀格式數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA芯片需進(jìn)行幀格式的對正、幀格式的行計(jì)數(shù)、幀格式的列計(jì)數(shù)等一系列工作，完成幀結(jié)構(gòu)重構(gòu)，并用坐標(biāo)法篩選原始振動(dòng)數(shù)據(jù)。篩選完成后將X、Y、Z三方向振動(dòng)數(shù)據(jù)以及每路結(jié)束幀計(jì)數(shù)信息緩存在3路不同的FIFO（First in First out）中，每路的FIFO的緩存為3072byte。對于振動(dòng)信號(hào)來說，數(shù)據(jù)采樣頻率越高，傅里葉變換樣本點(diǎn)數(shù)越多，時(shí)延越大[5]。在模塊設(shè)計(jì)中，綜合考慮振動(dòng)信號(hào)采樣率、振動(dòng)信號(hào)分析頻段以及硬件計(jì)算能力等因素，設(shè)計(jì)采編器采集的振動(dòng)信號(hào)單波道采樣頻率為10240Hz。當(dāng)FPGA接收到采編器主控卡發(fā)來的數(shù)據(jù)后提取幀結(jié)構(gòu)中的單波道振動(dòng)數(shù)據(jù)，累積0.1s的數(shù)據(jù)后的數(shù)據(jù)為1024個(gè)點(diǎn)（每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)16bit），即2048byte時(shí)，F(xiàn)PGA原始數(shù)據(jù)接收緩存模塊中的對應(yīng)FIFO編程達(dá)到半滿，半滿信號(hào)作為上升沿中斷發(fā)送給DSP，DSP響應(yīng)該中斷讀出半滿FIFO中的數(shù)據(jù)到DSP中， DSP對數(shù)據(jù)中心化后將轉(zhuǎn)換為物理量，然后做1024點(diǎn)的功率譜密度，在數(shù)據(jù)計(jì)算過程中需要進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，計(jì)算后得到512×32bit點(diǎn)以單精度浮點(diǎn)數(shù)的功率譜密度數(shù)據(jù)，對應(yīng)從0Hz至5110Hz頻段，頻點(diǎn)間隔為10Hz。經(jīng)過10次這樣的運(yùn)算后（約1s）進(jìn)行譜平均，這樣得到1s振動(dòng)數(shù)據(jù)的平均功率譜密度，使數(shù)據(jù)容量壓縮了90%。通過對功率譜密度算法在線使用CCS（Code Composer Studio）軟件中clock工具檢測運(yùn)行時(shí)間，得知完成一次功率譜密度計(jì)算需要9ms，考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)，設(shè)計(jì)了PING緩存和PONG緩存結(jié)構(gòu)來緩存譜分析結(jié)果[4]，由此可以保證FIFO不會(huì)溢出。計(jì)算完成后DSP通過IO口向FPGA發(fā)送上升沿，作為譜分析完成的標(biāo)志。FPGA芯片將接收回來的譜分析結(jié)果存儲(chǔ)在對應(yīng)的FIFO中，當(dāng)接收到指令后，將譜分析結(jié)果通過HDLC（High Level Data Link Control）協(xié)議發(fā)送給數(shù)據(jù)綜合器主控卡，并通過無線通道發(fā)送至地面。

圖3 DSP與FPGA內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)

計(jì)算過程首先要采用傅里葉變換，之后進(jìn)行功率譜密度計(jì)算。具體過程如下所示：

①某個(gè)數(shù)據(jù)序列（取1024點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)即=1024）。

②中心化計(jì)算。

③加窗函數(shù)。

④計(jì)算x序列的傅里葉系數(shù)。

式中，

⑤計(jì)算樣本的功率譜密度PSD。

式中，

為海寧窗修正系數(shù)

⑥計(jì)算（=10）個(gè)樣本的平均功率譜密度。

離散傅里葉變換DFT（Discrete Fourier Transform）的實(shí)時(shí)性較差，在DSP處理器中實(shí)現(xiàn)具體算法時(shí)，通過蝶形運(yùn)算實(shí)現(xiàn)了快速傅里葉變換FFT（Fast Fourier Transform）。

圖5 數(shù)據(jù)處理流程

3 處理模塊性能測試與驗(yàn)證

3.1 測試系統(tǒng)

為驗(yàn)證處理模塊功率譜密度分析正確性搭建的測試系統(tǒng)如圖4所示。測試系統(tǒng)由振動(dòng)傳感器、振動(dòng)臺(tái)、數(shù)據(jù)綜合器（含實(shí)時(shí)處理模塊）、天線、地面檢測站、顯示器等組成。振動(dòng)傳感器受振動(dòng)臺(tái)激勵(lì)將測試數(shù)據(jù)傳送至遙測數(shù)據(jù)綜合器進(jìn)行編幀，數(shù)據(jù)綜合器中的數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行了振動(dòng)數(shù)據(jù)的功率譜密度變換，同時(shí)將原始數(shù)據(jù)和分析完成的譜數(shù)據(jù)編幀、調(diào)制后通過天線發(fā)送到地面檢測站，整個(gè)流程如圖5所示。

3.2 模塊分析結(jié)果正確性驗(yàn)證

遙測無線地面檢測站接收到無線遙測數(shù)據(jù)后，經(jīng)地面處理軟件提取和解譯，就可以獲得實(shí)時(shí)處理結(jié)果。在本次驗(yàn)證中，完成了四組振動(dòng)參數(shù)的實(shí)時(shí)處理。

選取以X軸振動(dòng)功率譜密度為例，可以根據(jù)幀計(jì)數(shù)信息推導(dǎo)出振動(dòng)X軸原始數(shù)據(jù)的結(jié)束時(shí)間，如第一個(gè)幀計(jì)數(shù)位0x00006FB0（十進(jìn)制28593），且?guī)Y(jié)構(gòu)的采樣率為320Hz，通過公式（7）可以計(jì)算振動(dòng)X軸原始數(shù)據(jù)結(jié)束時(shí)間end為89.353125。

因?yàn)閰⑴c運(yùn)算的是結(jié)束幀之前的10240個(gè)數(shù)據(jù)，根據(jù)時(shí)間推算參與幀計(jì)數(shù)為0x00006FB0計(jì)算的原始數(shù)據(jù)應(yīng)該為時(shí)間在88.353125~89.353125之間的原始數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)在Excel軟件中進(jìn)行擬合。同理，又選取了三段其他時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，根據(jù)時(shí)間信息將參與同一次譜分析的原始數(shù)據(jù)篩選出來，將該原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入地面事后處理軟件Matlab軟件中進(jìn)行計(jì)算[6]，計(jì)算結(jié)果與數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算結(jié)果對比圖如圖6所示。如圖6所示通過比對可以看出四幅譜圖一致性良好，數(shù)據(jù)偏差較小。四段數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算的psd與Matlab軟件計(jì)算psd最大偏差為0.025g2/Hz，誤差約為8.4%。數(shù)據(jù)處理模塊psd結(jié)果均方根值為13.046g～14.238g，Matlab軟件計(jì)算psd結(jié)果均方根值為13.061g～14.271g，均方根誤差約為0.12%～0.23%，證明了數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算結(jié)果的正確性。

4 結(jié)束語

針對衛(wèi)星和火箭遙測數(shù)據(jù)信道容量對遙測數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗?，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)了將遙測振動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)功率譜密度計(jì)算，并搭建測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了震動(dòng)信號(hào)的壓縮，提高了振動(dòng)信號(hào)傳輸?shù)男?，?jié)省了信道容量。通過對數(shù)據(jù)處理模塊的計(jì)算結(jié)果與Matlab軟件的計(jì)算結(jié)果的擬合對比，兩種方式獲取的功率譜密度趨勢基本吻合，證明該實(shí)時(shí)處理模塊可以完成振動(dòng)數(shù)據(jù)的功率譜密度分析，但兩種方式的處理結(jié)果也存在局部差異，差異的主要原因是事后計(jì)算使用的是雙精度浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型，而實(shí)時(shí)處理因?yàn)橛?jì)算能力和存儲(chǔ)空間的限制使用的是單精度浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型。另外，處理模塊不可能像地面數(shù)據(jù)處理那樣可以在處理前對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)分析，以減小數(shù)據(jù)處理誤差，這方面需要在今后的設(shè)計(jì)中改進(jìn)[7]。

圖6 Matlab軟件和數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算的PSD結(jié)果比較

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Design of real-time processing module for satellite and Rocket vibration signal

LI Zhizhong1, LI Beiguo1, ZHANG Li1, JIN Wen1, LI Bao1, LIU Donghai2

（1. Beijing Institute of Space Long March Vehicle, Beijing 100076, China; 2. Taiyuanshi Huana Fangsheng Technology Co., Ltd., Taiyuan 030051, China）

In order to obtain the vibration excitation response of the satellite and Rocket in flight test ,the multipath vibration signal need to be measured by satellite and Rocket system. However, the large bandwidth of vibration signal increases the amount of sampling and coding data, which takes up a lot of telemetry channel capacity, and brings great pressure to the telemetry system. With the rapid development of digital signal processing technology, it is possible to process vibration signal of satellite and Rocket in real time. Combined with software algorithm, the module designed in this paper adopts DSP and FPGA architecture, thus realizing the real-time conversion of telemetry vibration signal into power spectral density data. It reduces the occupancy of telemetry channel capacity.

Vibration; Real-time processing; PSD

V446

A

CN11-1780(2019)03-0058-05

李智中 1978年生，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檫b測技術(shù)及通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

李北國 1986年生，碩士，工程師，研究方向?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)研究。

張 利 1965年生，本科，研究員，研究方向?yàn)檫b測技術(shù)。

金 文 1973年生，碩士，研究室主任，研究員，研究方向?yàn)檫b測系統(tǒng)及通信系統(tǒng)。

李 寶 1983年生，碩士，研究室副主任，研究方向?yàn)檫b測技術(shù)及通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

劉東海 1983年生，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)闇y試系統(tǒng)集成技術(shù)。

航天預(yù)研項(xiàng)目支持

2019-03-20

2019-04-24

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