一种星箭振动信号遥测的实时处理模块设计*

李智中，李北国，张 利，金 文，李 宝，刘东海

一种星箭振动信号遥测的实时处理模块设计*

李智中1，李北国1，张 利1，金 文1，李 宝1，刘东海2

（1北京航天长征飞行器研究所 北京 100076 2太原市华纳方盛科技有限公司 太原 030051）

为获取卫星和火箭在飞行试验中其结构所承受的振动激励响应，卫星和火箭需测量多路振动信号，由于振动信号的频带很宽，因此采样编码后的数据量大，要占据很多的遥测信道容量，这给遥测系统带来很大的压力。随着数字信号处理技术的快速发展，使卫星和火箭的振动信号进行实时处理成为可能。设计的模块采用DSP和FPGA架构，结合软件算法，实现将遥测振动信号的实时转化为功率谱密度数据，降低对遥测信道容量的占用。

振动；实时处理；功率谱密度

引 言

在卫星和火箭遥测系统测量的各种参数中，飞行过程中的振动信号的量级是确定其结构受到外界激励产生相应响应的重要依据。振动信号具有很宽的频带约2Hz到10kHz。传统的遥测技术一般采用传输频段为2.2GHz到2.3GHz的脉冲编码调制/调频PCM/FM（Pulse Code Modulation/Frequency Modulation）通信体制[1]直接测量振动信号的时域信息。因其信息需占用很大的信道容量发送，通常采用减小字长、减少参数数量、降低采样率等方式，来满足通信需求，但同时降低了测量数据的质量，而对于振动信号，我们最关心的是它的功率谱密度PSD（Power Spectral Density）。针对上述问题，本文提出了实时处理模块，在卫星和火箭上通过时域及频域分析技术对振动信号进行处理[2]，得到其功率谱密度。由于实时处理模块可起到数据压缩的作用，因此将功率谱密度数据转换为缓变数字量信号，提高了遥测系统信道的利用率。

1 总体设计

1.1 方案设计

本项目的设计方案是在现有的数据综合器上增加实时处理模块，该模块基于FPFA（Field Programmable Gate Array）+DSP（Digital Signal Processing）系统架构进行方案设计，从采编设备所采集的16bit字长的数据帧中完成振动数据的提取和实时处理，并将处理结果通过无线信道实时下传。具有实时处理功能的遥测系统框图如图1所示，这是一个典型的采用无线遥测方式的遥测系统。

图1 振动信号实时处理总体方案

1.2 预期效果分析

由于振动信号的采样率高，数据量大，一路信号就有几十万甚至几百万个数据[3]，模块要达到减少振动信号对遥测信道容量的占用的目的，首先，要保证在卫星和火箭上将数据实时处理后生成的功率谱密度及均方根值与地面通过Matlab软件的计算结果的应基本一致，同时，数据的压缩量应达到85%以上。

2 实时处理模块的实现

2.1 硬件电路设计

为了提高处理模块的实时性，系统采用DSP+FPGA芯片的结构，图2所示为模块设计框图，数据筛选及接口控制模块主要由FPGA芯片、晶振、EPROM（Electrical Programmable Read Only Memory）和程序下载接口组成，完成原始数据的接收、筛选以及处理工作；数据实时处理模块由DSP芯片、复位电路、晶振、程序缓存Flash和程序下载接口组成，完成对高频振动数据的谱分析工作。电源完成对数据筛选及接口控制模块和数据实时处理模块的供电。

图2 振动信号实时处理模块设计

2.2 功率谱密度算法实现

数据综合器上电后，数据实时处理板中的DSP芯片从EPROM中读取出配套遥测采集模块的K值和B值及配套振动传感器X轴、Y轴、X轴的灵敏度和零位，DSP与FPGA内部逻辑设计如图3所示。参数读取完成后，数据筛选及接口控制模块中FPGA芯片接收采集模块通过同步422接口进行固定帧格式数据，FPGA芯片需进行帧格式的对正、帧格式的行计数、帧格式的列计数等一系列工作，完成帧结构重构，并用坐标法筛选原始振动数据。筛选完成后将X、Y、Z三方向振动数据以及每路结束帧计数信息缓存在3路不同的FIFO（First in First out）中，每路的FIFO的缓存为3072byte。对于振动信号来说，数据采样频率越高，傅里叶变换样本点数越多，时延越大[5]。在模块设计中，综合考虑振动信号采样率、振动信号分析频段以及硬件计算能力等因素，设计采编器采集的振动信号单波道采样频率为10240Hz。当FPGA接收到采编器主控卡发来的数据后提取帧结构中的单波道振动数据，累积0.1s的数据后的数据为1024个点（每个点的数据16bit），即2048byte时，FPGA原始数据接收缓存模块中的对应FIFO编程达到半满，半满信号作为上升沿中断发送给DSP，DSP响应该中断读出半满FIFO中的数据到DSP中， DSP对数据中心化后将转换为物理量，然后做1024点的功率谱密度，在数据计算过程中需要进行浮点运算，计算后得到512×32bit点以单精度浮点数的功率谱密度数据，对应从0Hz至5110Hz频段，频点间隔为10Hz。经过10次这样的运算后（约1s）进行谱平均，这样得到1s振动数据的平均功率谱密度，使数据容量压缩了90%。通过对功率谱密度算法在线使用CCS（Code Composer Studio）软件中clock工具检测运行时间，得知完成一次功率谱密度计算需要9ms，考虑到数据传输的延时，设计了PING缓存和PONG缓存结构来缓存谱分析结果[4]，由此可以保证FIFO不会溢出。计算完成后DSP通过IO口向FPGA发送上升沿，作为谱分析完成的标志。FPGA芯片将接收回来的谱分析结果存储在对应的FIFO中，当接收到指令后，将谱分析结果通过HDLC（High Level Data Link Control）协议发送给数据综合器主控卡，并通过无线通道发送至地面。

图3 DSP与FPGA内部逻辑设计

计算过程首先要采用傅里叶变换，之后进行功率谱密度计算。具体过程如下所示：

①某个数据序列（取1024点的振动数据即=1024）。

②中心化计算。

③加窗函数。

④计算x序列的傅里叶系数。

式中，

⑤计算样本的功率谱密度PSD。

式中，

为海宁窗修正系数

⑥计算（=10）个样本的平均功率谱密度。

离散傅里叶变换DFT（Discrete Fourier Transform）的实时性较差，在DSP处理器中实现具体算法时，通过蝶形运算实现了快速傅里叶变换FFT（Fast Fourier Transform）。

图5 数据处理流程

3 处理模块性能测试与验证

3.1 测试系统

为验证处理模块功率谱密度分析正确性搭建的测试系统如图4所示。测试系统由振动传感器、振动台、数据综合器（含实时处理模块）、天线、地面检测站、显示器等组成。振动传感器受振动台激励将测试数据传送至遥测数据综合器进行编帧，数据综合器中的数据处理模块进行了振动数据的功率谱密度变换，同时将原始数据和分析完成的谱数据编帧、调制后通过天线发送到地面检测站，整个流程如图5所示。

3.2 模块分析结果正确性验证

遥测无线地面检测站接收到无线遥测数据后，经地面处理软件提取和解译，就可以获得实时处理结果。在本次验证中，完成了四组振动参数的实时处理。

选取以X轴振动功率谱密度为例，可以根据帧计数信息推导出振动X轴原始数据的结束时间，如第一个帧计数位0x00006FB0（十进制28593），且帧结构的采样率为320Hz，通过公式（7）可以计算振动X轴原始数据结束时间end为89.353125。

因为参与运算的是结束帧之前的10240个数据，根据时间推算参与帧计数为0x00006FB0计算的原始数据应该为时间在88.353125~89.353125之间的原始数据，将这些数据在Excel软件中进行拟合。同理，又选取了三段其他时间的数据进行比对，根据时间信息将参与同一次谱分析的原始数据筛选出来，将该原始数据导入地面事后处理软件Matlab软件中进行计算[6]，计算结果与数据处理模块计算结果对比图如图6所示。如图6所示通过比对可以看出四幅谱图一致性良好，数据偏差较小。四段数据处理模块计算的psd与Matlab软件计算psd最大偏差为0.025g2/Hz，误差约为8.4%。数据处理模块psd结果均方根值为13.046g～14.238g，Matlab软件计算psd结果均方根值为13.061g～14.271g，均方根误差约为0.12%～0.23%，证明了数据处理模块计算结果的正确性。

4 结束语

针对卫星和火箭遥测数据信道容量对遥测数据传输的限制，设计的数据处理模块实现了将遥测振动数据的实时功率谱密度计算，并搭建测试系统，实现了震动信号的压缩，提高了振动信号传输的效率，节省了信道容量。通过对数据处理模块的计算结果与Matlab软件的计算结果的拟合对比，两种方式获取的功率谱密度趋势基本吻合，证明该实时处理模块可以完成振动数据的功率谱密度分析，但两种方式的处理结果也存在局部差异，差异的主要原因是事后计算使用的是双精度浮点数据类型，而实时处理因为计算能力和存储空间的限制使用的是单精度浮点数据类型。另外，处理模块不可能像地面数据处理那样可以在处理前对数据进行统计检验分析，以减小数据处理误差，这方面需要在今后的设计中改进[7]。

图6 Matlab软件和数据处理模块计算的PSD结果比较

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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，硕士，高级工程师，研究方向为遥测技术及通信系统设计。

李北国 1986年生，硕士，工程师，研究方向为通信系统研究。

张 利 1965年生，本科，研究员，研究方向为遥测技术。

金 文 1973年生，硕士，研究室主任，研究员，研究方向为遥测系统及通信系统。

李 宝 1983年生，硕士，研究室副主任，研究方向为遥测技术及通信系统设计。

刘东海 1983年生，硕士，高级工程师，研究方向为测试系统集成技术。

航天预研项目支持

2019-03-20

2019-04-24

TEL:010-68382327 010-68382557

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