全動飛行模擬機傳輸延遲采集系統設計

趙世弘，吳芋嬌，符勛

（中國民航大學 電子信息與自動化學院，天津， 300300）

0 引言

全動飛行模擬機是一個高精度、流量大的實時仿真控制系統，座艙結構按照真實飛機1:1 的比例搭建，航電系統與真實飛機相同，機艙由六自由度電動運動平臺支撐，高度模擬真實駕駛艙飛行環境，能夠復現飛行器相關操作及空中狀態，是飛行培訓的最接近真實飛機的載體。全動飛行模擬機能模擬出真實飛行所難以遇到的風切變、雙發停車等緊急情形，主要用于飛行員的空中特情處理訓練，以提升其故障識別能力及應急操作的熟練度[1]。

為滿足全動飛行模擬機的高逼真度及真實人體感知，除了模擬飛機操作環境，要求飛行環境內各系統控制精準、仿真度高之外，設備計算機架構產生感覺提示信息所需的計算延遲也應嚴格符合相關要求。根據中國民用航空規章CCAR-60 部規定，飛行訓練設備的延遲可通過傳輸延遲測試確定，即測量從駕駛員的操縱端輸入階躍信號，到運動系統、視景系統以及儀表系統做出響應之間的時間。目前的全動飛行模擬機缺乏專用、便捷的傳輸延遲信號采集系統，無法有效地對全動飛行模擬機的響應滯后性進行測算及評估。

程東亮設計的基于STM32 的多路信號采集系統可實現對3 路電壓、電流信號采集，通過RS485 通信將采集的數據實時地上傳至上位機進行顯示，精度較高，但采集周期為10ms，不滿足全動模擬機的傳輸延時采集的需求[2]。秦鍇、李鵬和李濤研制的基于cPCI 便攜機平臺的多路信號采集測試系統通用性強，采集性能優，但對于模擬機傳輸延時測量的特定應用場景，需要特定的測量方案以實現模擬機的激勵與響應信號測量[3]。盧千惠通過MATLAB 中的GUI 界面設計實現信號時域的特征分析與相關性分析，但程序無法實現對實時數據的接收與處理[4]。

為評估模擬機的性能，提高其飛行仿真的真實度及可靠性，針對上述要求及問題，本文設計了一種基于STM32F407MCU 的全動飛行模擬機信號采集處理系統，可以對駕駛員主飛行操縱裝置發出的階躍輸入信號到各系統的響應信號進行實時數據采集，并對已采集的數據通過計算機應用程序進行分析與處理，將全動飛行模擬機的操縱輸入信號以及各系統的響應信號通過圖表曲線可視化。

傳輸延遲的測量對時間精度的要求高，因此采集系統的處理延時需盡可能小。STM32F407MCU 是基于ARM Cortex-M4 內核的32 位微控制器，其主頻頻率達168MHz，在數據的通信和采集流程的運行中能保持較高的處理速率，滿足低時延的實時數據采集和轉發的功能需求。

經過多次測試，該系統不僅可以對全動飛行模擬機主要系統的傳輸延遲信號進行有效地采集及處理，并且系統相關部件的內部延遲符合測試設備的相關延遲要求，整體采集流程較為簡單，成本較低，設備輕便，維護成本低。

1 全動飛行模擬機響應延遲要求

全動飛行模擬機作為飛行員培訓的最高等級設備，也是其最接近真實飛機操控的培訓載體，需要其提供與真實飛機極為接近的操縱響應及感官提示，各系統的實時響應顯得極為重要。因此，模擬機的響應開始時刻相對于真實航空器的滯后時間是判定全動飛行模擬機性能及逼真度的一項重要指標。在全動模擬機的延遲時間評估中，傳輸延遲為模擬機操縱輸入到硬件響應輸出之間的時間，與所模擬的航空器自身的延遲特性無關，是評估全動模擬機響應滯后的實現方式。模擬機傳輸延遲與響應滯后的關系如圖1所示。

圖1 模擬機傳輸延遲與響應滯后關系示意圖

2019 年中國民用航空局發布的《飛機飛行模擬機鑒定性能標準―咨詢通告》中規定，C 類和D 類全動模擬機的運動和儀表系統的響應滯后應在100ms 以內，視景系統的響應滯后應在120ms以內[5]。

2 全動飛行模擬機傳輸延遲采集系統的結構與設計

■2.2 數據采集實現方案

■2.1 數據采集系統結構

本延遲信號采集系統通過傳感器及信號輸入端口分別采集全動飛行模擬機的激勵信號及系統相應信號，傳輸至計算機中，在計算機的數據處理應用程序內進行存儲及數據分析，推算出全動飛行模擬機的傳輸延遲時間。全動飛行模擬機中主要包括運動系統、視景系統和儀表系統，根據模擬機的系統組成，測量系統的硬件架構如圖2 所示，分為數據采集控制器、激勵信號采集端口、運動采集模塊、顏色采集模塊、光強采集模塊。

圖2 數據采集系統架構

數據采集控制器基于STM32F407MCU，根據各采集模塊相應的通信協議讀取傳感器采集的數據，并對傳感器的工作配置和通信過程進行調度、管理。運動信號采集通過ADXL345 加速度傳感器實現，以3200Hz 的采樣率及4mG/LSB 的精度采集三軸的重力加速度和運動加速度。顏色采集模塊使用TCS3200 光電傳感器，通過濾光片采集輸入光信號中R、G、B 三色分量的光強，并對光強轉換為頻率信號輸出。光強采集模塊通過光敏電阻實現，其阻值隨光強而改變，標準光源10Lux 光照下的阻值為5kΩ~10kΩ，無光照下阻值為500kΩ，以模擬電壓形式向采集控制模塊輸出數據。激勵信號為模擬機操縱桿帶動電位器轉動產生的模擬電壓信號，MCU 通過A/D 轉換端口采集。加速度采集模塊、顏色采集模塊、光強采集模塊和激勵信號采集的原理圖如圖3 所示。

圖3 采集模塊原理圖

由于傳輸延遲的測量涉及兩路信號在時域上的比較，因此采集過程的時序以及信號的時間信息必須統一。本系統以數據采集控制器的時序作為基準，數據采集控制器以定時器中斷每1ms 內讀取各數據采集模塊數據以及產生時間信息，將數據及采集時間一同寫入數據幀，通過通用同步異步串 口（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，USART）發送至計算機。PC 機通過串口控件接收數據幀，通過數據處理應用軟件進行數據處理及人機交互，數據的處理及顯示所涉及的時間信息均為數據采集控制器產生的采集時間。

■2.3 數據采集方式

2.3.1 數據采集接口

由于各數據采集模塊的信號輸出形式不同，MCU 需要通過不同的協議讀取各采集模塊的信號，同時為保證數據的實時性和采集的低延時，MCU 的程序執行每項功能所需的時間需足夠短。

運動采集模塊是通過ADXL345 傳感器采集加速度，其數據的輸出支持集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，I2C）和串行外部設備接口（Serial Peripheral Interface，SPI）兩種協議。由于I2C 為半雙工通信協議，最高速率為400kHz，但每次通信都需MCU 發送地址碼及等待應答，通信效率較慢，無法滿足1ms 內讀取數據的需求；ADXL345支持4 線SPI 協議，可支持最高5MHz 的全雙工通信，同時通信的起止通過片選電壓控制，節省通信的開銷及縮短讀取數據的等待時間，因此本系統應用SPI 協議實現高效讀取運動采集模塊的數據。

顏色采集模塊的數據輸出以方波的頻率為格式，頻率范圍為0~500kHz，MCU 通過定時器的輸入捕獲功能，讀取方波的周期，以周期為該模塊的采集數據。由于TCS3200 傳感器的三個顏色采集通道通過S2 和S3 端口的電平控制，不能同時輸出數據，因此數據的采集通過輪詢方式，在0.5ms 內通過改變S2 和S3 端口的電平，輪流讀取各通道的數據，放入內存以待采集主流程讀取。頻率采集定時器與采集流程所用的定時器不同，為防止中斷程序的沖突，本系統以采集流程中斷為最高優先級，頻率采集的中斷為次優先級。

光強傳感器和激勵信號采集通過A/D 轉換實現。光強信號由光敏電阻與10kΩ 電阻在3.3V 電源下的分壓產生；操縱端激勵信號由電位器采集操縱桿的轉動量產生，電壓范圍為-10V~10V，通過電阻分壓對信號進行平移、衰減，轉化為0~3.3V 電壓信號。由于MCU 的A/D 轉換輸入端口的阻抗較小，因此信號采集模塊與MCU 端口之間使用以LM358 運算放大器搭建的電壓跟隨器實現阻抗匹配與隔離。

為節省MCU 的運算資源，A/D 轉換配置直接存儲訪問（Direct Memory Access，DMA），指定相應的內存空間存儲每次A/D 轉換的數據，A/D 數據寄存器至內存的數據移動過程無需MCU 的程序指令，采集主程序直接讀取相應的數據寫入數據幀，A/D 轉換的采樣率配置為1MSa/s，數據轉換完成與被程序讀取發送之間的時間差較小。數據采集控制器與各采集模塊的通信接口形式如圖4 所示。

圖4 數據采集接口

2.3.2 串行通信協議

數據采集控制器通過USART 將每次讀得的數據發送至PC 機。采集控制模塊與PC 的通信數據幀各字段的定義如圖5 所示。根據各采集模塊的數據格式，共有22 字節數據需要發送，為確保接收端按正確次序接收數據，每個數據幀的頭部和尾部均插入兩個字節的幀同步碼。串行通信的速率為921.6kbps，完成一幀數據發送需時約243μs，數據幀具有根據采集需要而擴展的能力。為實現接收端的檢錯，數據幀采用累加和校驗的編碼方式，對前24 字節的碼字以無符號十六位數的格式累加，生成校驗位。PC 接收程序接收到數據幀后進行幀頭標志檢查及校驗，對錯誤的數據幀執行丟棄操作。在MCU 的內存中建立先入先出緩沖區（First Input First Output，FIFO），數據幀按照字節的順序逐個放入緩沖區，通過串口發送完成中斷控制緩沖區內數據的取出與發送。

圖5 PC 通信數據幀結構

2.3.3 采集程序流程

為實現采集系統時間的同步，MCU 配置周期為1ms 的定時器，在定時器中斷內完成整個數據采集、轉發流程，同時利用計數變量產生采集時間信息加載到數據幀中，時間位的長度為4 字節，運行時間內每組數據在時間維度上與其他組數據互不重疊。本系統所有程序均在中斷內完成，數據采集控制的中斷為最高優先級串口發送中斷為第二優先級，定時器輸入捕獲中斷為第三優先級。數據采集控制中斷內的程序流程框圖如圖6 所示。

圖6 數據采集控制流程框圖

■2.4 數據處理軟件設計

數據處理軟件的開發基于Microsoft Visual Studio 2022的C#窗體應用設計平臺。窗體頁面如圖7 所示，由數據顯示控制、自動截屏控制、數據處理分析控制、數據繪圖窗口和數據保存控制組成。

圖7 數據處理窗體頁面設計

窗體應用通過串口控件讀取計算機串口緩沖區數據，根據數據幀結構取出各數據采集模塊的回傳數據，將其存放于相應的泛型集合（List）中。數據繪圖窗口根據數據顯示控制的下拉菜單選擇讀取通道，讀取相應的集合數據，以曲線圖的形式顯示在窗體上。采樣階躍響應時，可根據響應值設置自動截屏閾值，當讀取到的相應通道的數據大于所設定的閾值，數據繪圖窗口自動停止更新繪圖，保留當前曲線圖。數據保存控制將數據繪圖窗口的各數據點按用戶輸入的保存路徑生成csv 或txt 格式文件。

軟件存儲空間中存儲3000 個采樣點數據，單次采集結束后使用20 階漢明窗FIR 濾波器濾除高頻噪聲。傳輸延遲時間tdelay通過計算激勵信號x[t]與響應信號y[t]互相關函數R[t]，檢索最大值所對應的時間平移值得出。

應用程序通過DataReceiver 類讀取、解析數據幀，對采集數據分類存儲至三個泛型集合中，DataProcessor 類對緩存的數據進行濾波、時間互相關計算、繪圖以及生成數據文件，類圖如圖8 所示。

圖8 軟件設計類圖

3 系統實際測試

在某波音737MAX 全動飛行模擬機上應用本系統進行延遲信號測試，運動采集模塊和采集控制器固定于駕駛艙中控臺后方地板上，采集運動平臺的加速度響應，如圖9 所示；顏色傳感器固定于機長側主飛行顯示器姿態儀顯示區域的顯示屏上，采集姿態儀顯示由打開到關閉的階躍響應；光強傳感器固定于視景系統投影儀光源處，采集視景投影儀由熄滅到點亮的階躍響應[6]。模擬機運行根據CCAR-60 規章設計的傳輸延遲采集測試程序，使用本系統測得運動系統、視景系統和儀表系統的響應延遲分別為49ms，78ms，265ms。采集加速度Z 軸時，數據處理軟件界面顯示如圖10 所示，將所有采集數據導出，模擬機各響應系統傳輸延遲采集數據如圖11 所示。

圖9 系統實際測試場景

圖10 加速度采集過程

圖11 某波音737MAX全動模擬機傳輸延遲采集數據

根據該模擬機的設計資料，視景系統的功能端執行延遲約75ms，儀表系統的功能端執行延遲約200ms。根據圖1所示的傳輸延遲、響應滯后和執行響應端響應延遲之間的關系，使用本系統測得的傳輸延遲數據減去該型號全動模擬機的執行響應端響應延遲，得出該全動模擬機的響應滯后時間滿足規章所要求。

使用本系統對模擬機各響應系統的傳輸延遲分別采集20 次，其中運動系統分別測試X 軸、Y 軸、Z 軸三個水平運動自由度的傳輸延遲，對所測結果求標準差。各數據采集子系統的采集偏差如表1 所示。

表1 系統各采集通道采集測試結果標準差

由表1 得出，運動采集模塊的采集偏差在4ms 左右，顏色采集模塊的采集偏差在5ms 左右，光強采集模塊的采集偏差在1ms 以內，系統采集容差滿足全動模擬機傳輸延遲采集測試要求。

4 結語

本文應用STM32F407MCU 的高運算性能、SPI 和USART 等高速通信接口的連接功能以及低開發成本的優勢，實現了以實時采集、低處理時延為主要技術特點的全動飛行模擬機傳輸延時采集，為全動飛行模擬機的系統性能評估提供了一種可行的方案。針對高時間精度的采集，系統設計采用定時采集、統一時間基準的思路，為確保采集控制模塊與PC 機串行通信的時間準確性，通信數據使用集中式插入法幀同步發送，確保數據與采集時間相對應。在采集系統的測試中，系統的時間精度和采集性能滿足全動飛行模擬機傳輸延遲測試的需求。

數據采集系統體積小，具有集成于全動飛行模擬機控制機柜的可行性，數據處理軟件獨立，不占用模擬機控制系統的運算資源，也不對模擬機的傳輸延時造成影響，具有實際應用能力。對于系統的性能和精度，在以下兩方面可以進行改進：

（1）采集控制模塊與PC 機的串行通信差錯控制為累加和校驗，無重傳機制，可使用循環冗余校驗（Cyclic Redundancy Check，CRC），加入選擇重傳機制，提高PC 端接收數據的檢錯能力和數據的完整性；

（2）應用圖像識別，通過尋找響應信號變化的起始位置作為響應的時間點，提高延遲時間測量的精度。