机载多传感器数据采集与处理软件设计

郭玉洁，缪炜涛，刘涛瑜，李昊昱，郑 涛

（中国航空工业集团公司 西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068）

0 引 言

增雨机大气探测系统作为增雨机任务系统的一个重要子系统，主要任务是完成复杂气象粒子数据和飞机飞行参数的实时采集、显示、存储、回放以及对多种气象传感器的参数配置功能[1]。被采集的气象数据经过解析处理，将外部环境中云粒子形状、浓度、分布状况以及其他信息综合显示在座舱操作控制台的显示器上，可以帮助空中作业人员进行分析判断，以完成增雨任务播撒的作业[2-6]。本文提出了一种机载多传感器的数据处理采集与处理软件设计方法，针对多传感器数据采集与处理过程中遇到的通信失效和处理速度慢等问题，提出了网络通信状态检测方案，并应用于机载大气探测系统软件设计中。

1 软件功能需求分析

机载多传感器数据采集与处理软件应能够与多种气象进行交互，采集气象探头数据，发送气象探头控制命令，实现对探头的控制。机载传感器的接口参数如表1所示。

表1 探头接口参数

首先，软件应能够完成对多传感器数据的采集与处理，其中包括多传感器数据收发、用户自定义解析操作以及用户指令控制，主要指令有采样、记录以及回放等[4]。其次，软件应能够检测多传感器数据通信状态，判定传感器类型，并进行通信失效告警[7-10]。最后，软件应具备主从控制机制。

2 系统组成

机载多传感器系统数据量大，对实时性和可靠性要求高，故采用分布式体系架构，将不同系统功能分配到不同的高性能计算机上，组合完成各种系统功能，以保证系统的实时性与可靠性。大气探测系统由显控计算机、探测信息处理机、气象数据接入设备、千兆以太网交换机、水含量转换器以及气象传感器等部分构成，系统模块之间通过以太网、串口及总线进行数据通信，系统组成如图1所示。

图1 大气探测系统组成

其中，显控计算机具有双独立显示输出端口，具有灵活、多样且可扩展的外部接口，实现系统的数据处理及信息显示功能。该计算机具备高速以太网接口、USB接口以及CAN总线接口。气象数据接入设备包含数据采集处理模块、扩展接口模块以及电源模块，采用嵌入式操作系统实时完成对多路传感器数据的采集与转发。探测信息处理机通过以太网接收探头数据，实现数据采集转发和本地保存功能。该计算机具备以太网接口、USB接口及串口。千兆以太网交换机具备10M、100M以及1 000M自适应以太网高速数据交换功能，包含高速以太网接口和M12光纤接口。水含量转换器含有一个采集模块，用于采集16路模拟量，在模数变换后，通过水含量转换器的微处理器实时计算获得总水含量和液态水含量，并通过FlexRay总线发送到气象数据接入设备上。

3 软件架构设计与实现

3.1 软件架构设计

根据机载多传感器数据采集处理软件的需求分析，软件采用分层架构，具体如图2所示。

软件图形用户界面的组成如下。其中功能按键操作区由采样功能、记录功能、回放功能以及设置功能组成。画面显示区详细显示从传感器采集到的各种数据信息，具体由数据显示区、计数图、用户自定义数据显示区、多变量图表显示区、图像数据显示区以及参数设置区等部分组成。设置界面完成对软件显示界面布局的设置及对数据解算模型参数的设置。

软件逻辑功能模块描述如下。在参数输入与处理模块设置基本参数和解析算法模型的参数，并记录成配置文件保存在本地。数据解析处理模块读取本地文件，配置解析模型参数，解算传感器数据，并判定其合理性。通信状态监控模块由定时器周期监控显控计算机与气象数据接入设备之间的网络通信，若3个监控周期没有数据通信，则判定探测通信失效。主从控制模块中，在双显控计算机冗余配置下，左右显控计算机之间建立心跳通信，若3个心跳周期内没有接到对侧显控计算机的心跳数据，则判定左右显控计算机通信失效，重新分配主机控制权，保证由唯一计算机进行通信控制。

通信模块采用以太网和串口等方式与硬件之间通信，显控计算机通过两种方式接收机载传感器数据。其中，加驻在气象数据接入设备上的处理软件将来自多种气象传感器的232串口数据、422串口数据以及429总线数据转换成以太网格式发送给显控计算机，该种方式满足了高可靠性的要求。北斗数据和FCDP数据直接向显控计算机发送数据，这样可以满足高实时性的要求。

软件的数据源为以太网上传的实时数据和本地记录的数据文件。

3.2 软件实现

本软件在Windows10操作系统下进行了基于Qt的软件开发，开发语言是C++，机载多传感器数据处理显示软件在显控计算机上具有直观的用户交互界面，实时显示测量数据、图形图表以及配置参数，同时能够配置气象传感器设备、显示布局以及解析参数。

软件的执行过程分为以下几个步骤。首先，软件启动后，执行初始化操作，读取配置文件并配置软件各项参数。其次，采样模式下，主从控制模块判断是否与对侧显控计算机建立通信，若建立通信则由左显控作为主机与气象数据接入设备交互数据，若未建立通信则由本机作为主机与气象数据接入设备交互数据。再次，主机通信模块通过以太网向气象接入设备发送数据请求指令，气象数据接入设备将指令通过串口转发至气象探头，气象探头通过串口回传数据至气象接入设备，并由以太网转发至显控计算机软件。最后，采样模式下，由定时器每秒检测Socket是否收到数据，定时器周期向气象接入设备请求探头数据，若一个检测周期内没收到回传的数据信息则判定通信失效，并在显示界面提示通信失效。

4 结 论

本文介绍了一种用于大气云粒子探测的机载多传感器数据采集处理软件设计，具体阐述了系统组成和软件设计。其能够根据用户指令对多种接口机载设备进行实时数据采集处理操作和指令设置操作，具备数据通信状态检测和告警功能。经过某型增雨机实际空中探测作业实测可知，本设计能够满足增雨机气象观测分析、地面数据回放以及气象探头参数配置等多种任务模式对多种传感器数据可靠性和实时性的需求，具有一定的借鉴意义。