基于FPGA的飛機新型總線脫粘故障診斷技術(shù)

羅苑琪

(中航西安飛機工業(yè)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(shù)據(jù)交換次數(shù)也隨之提升[1]。傳統(tǒng)的飛機總線整機已無法滿足各電控單元間數(shù)據(jù)交換的實時性需求[2],為此研發(fā)了飛機新型總線整機,提升數(shù)據(jù)交換的穩(wěn)定性與實時性。當飛機新型總線整機出現(xiàn)不同程度脫粘故障時,則會直接影響各電控單元間的數(shù)據(jù)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(shù),確保飛機各電控單元間能夠穩(wěn)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(yōu)勢,在各個領(lǐng)域均有較優(yōu)的應用效果[8-10],通過FPGA實現(xiàn)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(shù)

1.1 用于飛機新型總線整機故障診斷的FPGA設(shè)計流程

在QuartusⅡ的開發(fā)環(huán)境內(nèi),利用仿真軟件Modelsim,設(shè)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(shù)據(jù)傳輸。

用于飛機新型總線整機故障診斷的FPGA設(shè)計步驟如下:

步驟1:設(shè)計輸入。在QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境內(nèi)輸入FPGA的HDL語言與原理圖,HDL語言具備較優(yōu)的狀態(tài)機與控制邏輯等描述功能。

步驟2:功能仿真。根據(jù)輸入的HDL語言與原理圖,制定FPGA電路設(shè)計方案,調(diào)用Modelsim仿真軟件,對各設(shè)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(shè)計綜合。為設(shè)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(shè)計方案。

步驟4:綜合仿真。調(diào)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(jié)果與原始設(shè)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(wǎng)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(nèi)的時延數(shù)據(jù),反標至FPGA設(shè)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(diào)試為FPGA設(shè)計的最后步驟,即在FPGA芯片內(nèi)寫入完成設(shè)計的配置,并對其進行測試,分析FPGA整體設(shè)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(shè)計。

1.2 基于FPGA的故障診斷技術(shù)架構(gòu)

飛機新型總線整機側(cè)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(zhì)量主要集中在底部,通過粘接技術(shù)將整機底座與側(cè)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(shù)將飛機新型整機底座與側(cè)壁連接到一起,會出現(xiàn)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(xiàn)脫粘故障時,無法以肉眼觀察的方式,在外觀發(fā)現(xiàn)故障。為此,設(shè)計基于FPGA的飛機新型總線故障診斷技術(shù),完成故障診斷。以“1.1”小節(jié)設(shè)計的FPGA為基礎(chǔ),在其內(nèi)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(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于FPGA的飛機新型總線故障診斷技術(shù)架構(gòu)

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(diào)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(shù)據(jù)集。故障診斷單元,利用網(wǎng)絡(luò)聚類算法,結(jié)合飛機新型總線整機故障數(shù)據(jù)集,輸出故障診斷結(jié)果。通過PC機呈現(xiàn)飛機新型總線整機故障診斷結(jié)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(shù)。

b(t)與θ(t)的計算公式:

(3)

(4)

根據(jù)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(luò)信號c(t):

(6)

式中:飛機新型總線整機振動信號數(shù)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(xiàn)

步驟3:求解種子數(shù)據(jù)和其余數(shù)據(jù)間的距離關(guān)系,通過測地線距離代表飛機新型總線整機故障數(shù)據(jù)間的關(guān)系,計算公式:

(7)

步驟4:按照數(shù)據(jù)間的關(guān)系選擇種子數(shù)據(jù)的鄰域數(shù)據(jù),將合適的數(shù)據(jù)聚為一類。

步驟5:在剩余數(shù)據(jù)內(nèi)選擇新的種子數(shù)據(jù),得到新的簇。

步驟6:在FPGA的存儲器內(nèi)存儲種子數(shù)據(jù),并存儲飛機新型總線整機故障數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)完成聚類為止。

步驟9:輸出聚類結(jié)果,即飛機新型總線整機故障診斷結(jié)果。

通過FPGA實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)聚類算法的流程為:當算法處于空閑狀態(tài)時FPGA不執(zhí)行聚類,負責設(shè)置一個狀態(tài)令算法的各參數(shù)準備就緒;再實施種群初始化,初始化結(jié)束后展開測地線距離計算,按照計算計算在群內(nèi)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(shù)據(jù)和種子聚為一類,在l不是零時,進入更新狀態(tài)。在剩余數(shù)據(jù)內(nèi)重現(xiàn)選擇一個種子,繼續(xù)搜索同類故障數(shù)據(jù),以全部故障數(shù)據(jù)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(nèi)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(nèi)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(shù)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(jié)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(jù)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(shù)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(xù)飛機新型總線整機故障診斷提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支持。

在采集的飛機新型總線整機振動信號內(nèi),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(jié)果如圖3所示。

圖3 飛機新型總線整機故障特征提取結(jié)果

由圖3可知,根據(jù)采集到飛機新型總線整機振動信號,得到振動信號的包絡(luò)信號,生成Hibert包絡(luò)譜,完成故障特征提取。提取的故障特征,可有效呈現(xiàn)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(jié)果如表2所示。

表2 故障診斷結(jié)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(jié)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(zhì)量。

在該航空公司內(nèi)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(shù)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(jié)果,以可視化的形式呈現(xiàn)故障診斷結(jié)果,故障診斷結(jié)果如圖4所示。

圖4 飛機新型總線整機故障診斷結(jié)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(jié)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(shù)的聚類結(jié)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(shù)量較多時,依舊能夠較好地診斷整機故障。

3 結(jié)語

研究基于FPGA的飛機新型總線整機故障診斷技術(shù),精準診斷整機故障,及時發(fā)現(xiàn)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(nèi)各電控單元間的通信質(zhì)量,也可提升飛機飛行的安全性。