基于FPGA的飛機新型總線脫粘故障診斷技術

羅苑琪

(中航西安飛機工業集團股份有限公司,陜西 西安 710089)

人們對飛機安全性的要求越來越高,導致飛機上的每個電控單元間的數據交換次數也隨之提升[1]。傳統的飛機總線整機已無法滿足各電控單元間數據交換的實時性需求[2],為此研發了飛機新型總線整機,提升數據交換的穩定性與實時性。當飛機新型總線整機出現不同程度脫粘故障時,則會直接影響各電控單元間的數據通信效果[3],間接影響飛機的飛行安全,為此需要研究飛機新型總線整機故障診斷技術,確保飛機各電控單元間能夠穩定通信,提升飛機的飛行安全[4-5]。FPGA具備可靠性高、功耗低與實時性強等優勢,在各個領域均有較優的應用效果[8-10],通過FPGA實現故障診斷算法,可加快算法運行速度與故障效率,滿足人們對故障診斷的實時性需求,應用FPGA還能夠提升故障診斷的安全性與可靠性,為飛機新型總線整機正常運行提供有力保障。

1 飛機新型總線整機故障診斷技術

1.1 用于飛機新型總線整機故障診斷的FPGA設計流程

在QuartusⅡ的開發環境內,利用仿真軟件Modelsim,設計用于飛機新型總線整機故障診斷的FPGA;QuartusⅡ與Modelsim間以接口的形式,完成數據傳輸。

用于飛機新型總線整機故障診斷的FPGA設計步驟如下:

步驟1:設計輸入。在QuartusⅡ開發環境內輸入FPGA的HDL語言與原理圖,HDL語言具備較優的狀態機與控制邏輯等描述功能。

步驟2:功能仿真。根據輸入的HDL語言與原理圖,制定FPGA電路設計方案,調用Modelsim仿真軟件,對各設計方案進行功能仿真,分析其是否能夠滿足飛機新型總線整機故障診斷需求[12]。

步驟3:設計綜合。為設計符合飛機新型總線整機故障診斷要求的FPGA電路,制定約束條件,得到一個最佳的FPGA電路設計方案。

步驟4:綜合仿真。調用Modelsim仿真軟件,對步驟3得到的最佳方案進行綜合仿真,分析綜合結果與原始設計是否相同[13]。

步驟5:布局與布線。綜合仿真完成后,將綜合輸出的HDL門級網表,匹配至FPGA器件的指定位置上,完成布局與布線。

步驟6:布局布線后仿真。將布局布線的HDL門級時序與SDF門級時序信息報告內的時延數據,反標至FPGA設計中,令FPGA仿真過程中,同時涵蓋門延時信息與線延時信息。

步驟7:下載配置。在線調試為FPGA設計的最后步驟,即在FPGA芯片內寫入完成設計的配置,并對其進行測試,分析FPGA整體設計是否合理。通過測試后,便完成用于飛機新型總線整機故障診斷的FPGA設計。

1.2 基于FPGA的故障診斷技術架構

飛機新型總線整機側壁與底座間的利用涂膠壓合粘接到一起的。飛機新型總線整機是底厚壁薄的,質量主要集中在底部,通過粘接技術將整機底座與側壁連接到一起,既能夠降低工藝難度,又非常有效。采用粘接技術將飛機新型整機底座與側壁連接到一起,會出現不同程度的脫粘故障,共包含2種程度,分別是完全脫粘與部分脫粘。當飛機新型總線整機出現脫粘故障時,無法以肉眼觀察的方式,在外觀發現故障。為此,設計基于FPGA的飛機新型總線故障診斷技術,完成故障診斷。以“1.1”小節設計的FPGA為基礎,在其內部添加智能算法,完成飛機新型總線整機故障診斷?；贔PGA的飛機新型總線故障診斷技術架構如圖1所示。

圖1 基于FPGA的飛機新型總線故障診斷技術架構

將擺錘放置在指定高度,令其自由下落,敲擊飛機新型總線整機,通過高速采集傳聲器采集飛機新型總線整機振動信號。通過Hilbert解調法,提取故障振動信號的特征,建立飛機新型總線整機故障數據集。故障診斷單元,利用網絡聚類算法,結合飛機新型總線整機故障數據集,輸出故障診斷結果。通過PC機呈現飛機新型總線整機故障診斷結果。

1.3 飛機新型總線整機故障振動信號特征提取

(1)

式中:τ為平移因子;a為伸縮因子。

(2)

式中:θ(t)為瞬時相位;b(t)為瞬時振幅;j為虛數。

b(t)與θ(t)的計算公式:

(3)

(4)

根據θ(t)獲取飛機新型總線整機振動信號的瞬時頻率:

(5)

由b(t)與f(t)得到飛機新型總線整機振動信號的包絡信號c(t):

(6)

式中:飛機新型總線整機振動信號數量是i、n;第i個飛機新型總線整機振動信號的瞬時振幅與瞬時頻率是bi(t)、fi(t)。

1.4 故障診斷算法的FPGA片上實現

步驟3:求解種子數據和其余數據間的距離關系,通過測地線距離代表飛機新型總線整機故障數據間的關系,計算公式:

(7)

步驟4:按照數據間的關系選擇種子數據的鄰域數據,將合適的數據聚為一類。

步驟5:在剩余數據內選擇新的種子數據,得到新的簇。

步驟6:在FPGA的存儲器內存儲種子數據,并存儲飛機新型總線整機故障數據聚類過程。

步驟8:反復操作步驟4至步驟8,以全部飛機新型總線整機故障數據完成聚類為止。

步驟9:輸出聚類結果,即飛機新型總線整機故障診斷結果。

通過FPGA實現網絡聚類算法的流程為:當算法處于空閑狀態時FPGA不執行聚類,負責設置一個狀態令算法的各參數準備就緒;再實施種群初始化,初始化結束后展開測地線距離計算,按照計算計算在群內搜索新的種子;FPGA按照測地線距離選擇l個飛機新型總線整機故障數據和種子聚為一類,在l不是零時,進入更新狀態。在剩余數據內重現選擇一個種子,繼續搜索同類故障數據,以全部故障數據完成聚類為止。

2 實驗分析

以某航空公司的A380型飛機為實驗對象,該飛機內采用的新型總線是AFDX,以涂膠壓合粘接的方式,粘接整機,用于封裝飛機的AFDX新型總線。該飛機新型總線整機的主要特點如表1所示。

表1 飛機新型總線整機的主要特點

在該航空公司內隨機選擇3個新型總線整機,分別是無脫粘故障、部分脫粘故障與完全脫粘故障類型的飛機新型總線整機,通過擺錘敲擊這3個飛機新型總線整機的底部,利用本文技術采集這3個飛機新型總線整機的振動信號,振動信號采集結果如圖2所示。

(a)無脫粘故障整機振動信號

由圖2可知,有效采集不同故障時,飛機新型總線整機振動信號,3種故障類型下,飛機新型總線整機振動信號均有所不同,但無法直接依據振動信號,診斷飛機新型總線整機故障,為此需要進一步處理采集的振動信號。實驗證明:本文技術具備飛機新型總線整機振動信號采集的可行性,可有效為后續飛機新型總線整機故障診斷提供基礎的數據支持。

在采集的飛機新型總線整機振動信號內,提取故障特征,以部分脫粘故障的飛機新型總線整機振動信號為例,故障特征提取結果如圖3所示。

圖3 飛機新型總線整機故障特征提取結果

由圖3可知,根據采集到飛機新型總線整機振動信號,得到振動信號的包絡信號,生成Hibert包絡譜,完成故障特征提取。提取的故障特征,可有效呈現采集振動信號的整體信息。實驗證明,研究可有效提取飛機新型總線整機故障特征。

研究對這3個飛機新型總線整機進行故障診斷,故障診斷結果如表2所示。

表2 故障診斷結果

由表2可知,研究可有效診斷飛機新型總線整機故障,且故障診斷結果與實際情況完全一致。實驗證明,研究可精準診斷飛機新型總線整機故障,幫助工作人員準確了解故障信息,加快維修速度,提升飛機新型總線的通信質量。

在該航空公司內隨機選擇150個飛機新型總線整機,其中無脫粘故障、部分脫粘故障、完全脫粘故障類型的整機數量各50個,對這150個飛機新型總線整機進行故障診斷,由主成分分析法處理故障診斷結果,以可視化的形式呈現故障診斷結果,故障診斷結果如圖4所示。

圖4 飛機新型總線整機故障診斷結果

由圖4可知,研究可有效聚類處理飛機新型總線整機故障特征,完成故障診斷;聚類結果共包含三種類型,分別是無脫粘故障、部分脫粘故障與完全脫粘故障,與選擇的整機故障類型一致,且本文技術的聚類結果并無混淆情況,邊界非常清晰。實驗證明,當飛機新型總線整機數量較多時,依舊能夠較好地診斷整機故障。

3 結語

研究基于FPGA的飛機新型總線整機故障診斷技術,精準診斷整機故障,及時發現整機是否存在脫粘故障,并盡快維修,確保新型總線整機安全運行,提升飛機內各電控單元間的通信質量,也可提升飛機飛行的安全性。