一种自助窥镜式逐次问诊型方法及黑匣子系统与流程

本发明涉及一种自助窥镜式逐次问诊型方法及黑匣子系统，属于航天测控领域。

背景技术：

遥测系统是航天飞行器试验中不可或缺的一部分，其性能的优劣直接影响航天飞行器的研制进度及性能的改进提高。遥测系统中的数据黑匣子是飞行器在发射筒、水下或返回大气层“黑障区”时的唯一测试手段，所存储数据的安全性能直接关系到整个试验系统的成败。随着航天测试技术的不断发展，测试的对象和容量不断扩大，遥测黑匣子的数据安全性愈来愈显突出，高可靠地完整记录整个试验过程成为评价遥测黑匣子性能的关键指标。

目前遥测黑匣子主要工作方式是接收到遥测分系统的“启动”指令后就开始不可逆转地采编记录电气接口处的相应信号，直至工作结束。无论是技术阵地还是发射阵地，整个系统的测试过程中遥测黑匣子始终处于“黑箱”状态，只有试验结束后对黑匣子进行事后回收式读数才可以根据所读取数据的判读结果评测试验过程正常与否，进而评估遥测黑匣子否处于健康安全工作状态。

当飞行器进入发射流程时，所有的执行步骤都是不可逆转的单向流水操作，遥测黑匣子在“黑箱”状态下的安全评估不可能再依赖试验结束后的回读数据，只能完全依靠发射前的多次检测结果进行外延推测，给试验的成功带来很大的不确定性风险，因为此刻黑匣子一旦处于故障模式就意味着整个试验的失败。

因此如何实现黑匣子全过程安全记录和存储试验数据成为遥测系统的重点关注所在。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种自助窥镜式逐次问诊型方法及黑匣子系统，能够消除目前航天遥测系统利用数据黑匣子对飞行器参数进行动态测试与记录时存在的可靠性隐患，通过黑匣子的状态转换和可靠性设计，通过数据的问诊分析获取设备的健康状况，进而达到数据存储的安全目的。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种自助窥镜式逐次问诊型方法，用于监测飞行器遥测黑匣子状态，所述飞行器遥测黑匣子包括相互电连接的控制器和存储器，控制器与飞行器测试对象集中的各测试对象连接，起始状态s0为试验结束状态，控制器与存储器均处于断电状态，具体包括以下步骤：

(1)控制器加电，进入状态s1：地面远程窥镜及控制装置的硬触发开关断开，飞行器遥测黑匣子的控制器与地面远程窥镜及控制装置保持连接，当飞行器遥测黑匣子通电后，控制器首先复位，然后等待地面远程窥镜及控制装置的问诊指令，此时存储器处于断电状态；随后地面远程窥镜及控制装置向飞行器遥测黑匣子发送存储器加电指令，进入状态s2；

(2)状态s2下，控制器接收到存储器加电指令后，接通存储器与电源的开关通路，存储器开始通电，地面计算机通过地面远程窥镜及控制装置向飞行器遥测黑匣子发送指令控制字，若指令控制字为问诊指令，则进入步骤(3)的状态s3进行状态问诊，若指令控制字为回读指令，则进入状态s10进行存储器数据的回读；

(3)在状态s3下，控制器开始初始化，根据预设的采集通道数目动态地开辟相应各通道数据的窥镜缓冲区域，即针对每一个采集通道，在控制器的fpga芯片内部建立一个相应的可动态配置的fifo存储区域作为存储容量，用于缓存采集数据；同时，控制器建立一个存储地址索引表，根据各通道采集数据量的大小指定不同窥镜缓冲区域所对应的存储器物理地址空间范围；当缓冲区域开辟完成且存储地址索引表建立完毕后，进入状态s4进行数据采集；

(4)在状态s4下，控制器通过与飞行器连接的电气接口持续对测试对象进行采集，并将各通道的采集数据分别存储到由fifo存储区域构成的窥镜缓冲区域；同时，控制器轮询每一个fifo存储区域是否处于半满状态，如果当前fifo存储区域达到半满状态，则读取该fifo存储区域内的采集数据并发送至其对应的存储器地址空间，直至将该fifo的容量读空；如果存储器中对应的地址空间容量已满，则存储器自动擦除该地址空间区域的全部数据，然后从首地址开始重新存储；重复循环上述轮询过程不止；在轮询过程中，当地面计算机通过地面远程窥镜及控制装置向飞行器遥测黑匣子发送指令控制字，则进入状态s5；

(5)在状态s5下，控制器仍然保持轮询每一个fifo存储区域是否处于半满状态并循环向存储器存储数据，同时当控制器接收到地面计算机通过地面远程窥镜及控制装置发送的问诊指令时，执行以下过程：

(5-1)解析该问诊指令，确定问诊指令所问诊数据对应的采集通道；

(5-2)在fpga芯片内部开辟一块动态配置容量的问诊数据缓存区域，问诊数据缓存区域的容量容纳该采集通道号至少完整的两帧数据；

(5-3)判断问诊数据所在采集通道对应的fifo存储区域是否处于半满状态，如果fifo存储区域没有半满，则等待fifo存储区域的半满信号；

(5-4)当fifo存储区域的半满信号有效时，控制器一方面继续按照步骤(4)中的时序读取该fifo存储的数据并送至其对应的存储器地址空间，另一方面同时将该数据传输至步骤(5-2)开辟的动态问诊数据缓存区域中；如果动态问诊数据缓存区域容量小于fifo存储区域中存储的数据，存储至少一帧的完整帧结构数据；如果动态问诊数据缓存区域容量大于或等于fifo存储区域中存储的数据，则等待该fifo存储区域下一次半满信号有效时继续读取并写入动态问诊数据缓存区域，直至填充满缓存区域；

(5-5)当动态问诊数据缓存区域填充满后，控制器停止缓存区域数据的继续写入，转而开始一次性全部读取该缓存区域数据，并通过地面远程窥镜及控制装置将数据上传至地面计算机；地面计算机根据数据中的关键参数对该采集通道所涉及的采集参数进行判读，得到黑匣子的局部健康状态信息；当地面计算机通过地面远程窥镜及控制装置以轮询的方式发送不同的问诊指令，从动态问诊数据缓存区域中获取不同采集通道的数据，从而遍历获取黑匣子不同的局部健康状态信息，进而汇总得到黑匣子的全部健康状态信息，判读当前黑匣子的健康状态是否满足当前的任务要求；

(5-6)如果当前黑匣子的健康状态是否满足当前的任务要求，则地面操作人员启动地面远程窥镜及控制装置的硬触发开关，进入步骤(6)的状态s6；所述硬触发开关一旦触发启动，无论当前记录控制器与存储器处于哪种状态，立刻无条件中断当前工作转入状态s6；

(6)在状态s6下，控制器通知存储器终止当前的循环存储，并将存储器内的当前数据全部擦除，从而清除前次所存储的数据，为当前试验数据提供完整的存储空间；

在存储器数据擦除过程中，控制器暂停缓冲区域中窥镜数据的更新，地面远程窥镜及控制装置不接收更新的健康状态信息，地面计算机上的人机监测界面处于暂时的滞顿状态，人机监测界面经过暂时的滞顿后，恢复到数据更新状态，自动转入状态s7，进入数据单次记录模式；

如果状态s6中人机监测界面显示保持流畅，没有出现滞顿状态，则表示存储器数据擦除不成功，地面测控装置的硬触发指令没有上传到控制器中，存储器仍处于状态s5中的循环存储状态，则立即停止试验流程；如因各种外部条件因素无法中止，则继续保持当前状态，并自动无缝过渡转入名义s7状态即s5状态，进入数据回溯记录模式；

(7)在s7状态下或名义s7状态下，控制器继续更新缓冲区域中窥镜数据，地面计算机通过地面远程窥镜及控制装置继续回读飞行器遥测黑匣子中控制器的窥镜缓冲区域中的数据，地面计算机根据数据中的关键参数判断飞行器遥测黑匣子的健康状况，得到硬触发启动后至起飞时刻期间的健康状态信息；若处于s7状态，则进入步骤(8)处理，若处于名义s7状态即s5状态，则跳转至步骤(9)处理；

(8)在s7状态的数据单次记录模式下，飞行器遥测黑匣子的存储器开始单次存储由控制器送来的数据，存储器的单次存储时间窗口长度t涵盖飞行器发出点火指令后的飞行器飞行段时间n，即t>n，分两种情况完成试验：

(a)飞行器发出点火指令后，遥测黑匣子接收到该点火指令，进入状态s8，控制器立刻启动计时，从接收到点火命令时刻算起，在要求记录的预设时间t1后切断存储器的供电，存储器内所存储的数据被固态存储，进入步骤(10)；

(b)飞行器发出点火指令后，遥测黑匣子没有接收点火指令，进入状态s9，存储器仍处于单次存储状态，当存储时间到达窗口长度t时，控制器自动切断存储器的供电，返回状态s1；存储器内存储着飞行器从硬触发到断电后的全部数据，进入步骤(11)；

(9)在名义s7状态的数据回溯记录模式下，飞行器遥测黑匣子实际上没有接收到硬触发指令，存储器仍然处于循环存储的状态s5中；当遥测黑匣子接收到飞行器的点火指令后，进入状态s8，控制器立刻启动计时，从点火时刻算起，在要求记录的预设时间t1后切断存储器的供电，存储器内所存储的飞行器点火前后的数据被固态存储，进入步骤(11)；

(10)飞行试验结束，控制器随之断电，转入状态s0；

(11)控制器加电，进入状态s1；

(12)存储器加电，进入状态s2；

(13)地面计算机通过地面远程窥镜及控制装置向飞行器遥测黑匣子发送指令控制字，指令控制字为回读指令，进入状态s10进行存储器数据的回读。

本发明同时提供了一种基于所述诊型方法的自主窥镜式问诊型安全黑匣子系统，包括飞行器遥测黑匣子，所述飞行器遥测黑匣子包括相互连接的控制器和存储器，控制器通过双芯屏蔽长线电缆及串行通信双绞长线电缆与地面远程窥镜及控制装置连接，地面远程窥镜及控制装置通过usb电缆与地面计算机连接，地面远程窥镜及控制装置设置有硬触发开关。

本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：

(1)本发明提供的一种自助窥镜式逐次问诊型方法将“问诊”模式和“硬触发”模式两种记录方式灵活配合，在地面计算机的远程控制下，通过计算机软件界面的窥镜窗口自助式实时问诊黑匣子的健康工况，使黑匣子由“黑不可测”变成“一览速知”，保证了发射前黑匣子内部数据流的可测性和状态的可视性；它进一步设计了不可逆转的“硬触发”启动指令，并将这一属于遥测系统的指令嵌入到控制系统发射流程中，有效地参与到飞行器的发射前命令集合中，保证在窥视数据显示黑匣子健康状态异常的情况下能够终止发射流程，解决了黑匣子在发射过程中记录数据的安全性问题；

(2)本发明提供的自主窥镜式问诊型安全黑匣子系统由地面远程健康问诊装置(由地面计算机和地面远程窥镜及控制装置两部分组成)、遥测黑匣子、相应的串行数据通信双绞长线电缆与控制双芯长线屏蔽电缆组成，其中遥测黑匣子由两部分组成：记录控制器与存储器，记录控制器具有四重功能：1、通过测量接口采集飞行器各测试对象不同规范的电气参量，统一数字编帧形成页面数据；2、接收地面远程健康问诊装置的指令，快速切换遥测黑匣子的工作模式，回送健康问诊装置所需要的数据进行健康状况评估；3、控制存储器的逻辑时序，完成存储页面的格式化，开始当前数据的循环存储；4、发射流程启动后，一旦接收到隶属于控制系统的地面远程窥镜及控制装置“硬触发”指令，立即无条件中断当前的循环存储操作，将后续采集的数据从存储器的首地址开始一次性写入存储器中，直至存储器写满到预定地址后停止，在此过程中，记录控制器如果接收到“点火”指令，就会在“点火”指令n秒后无条件切断存储器供电电路，以断电的方式停止存储器当前的数据存储工作，保证“点火”时刻前后数据的完整性；存储器负责高可靠存储数据，它只接受记录控制器的指令，在物理层实现数据的存储、读取和格式化。

附图说明

图1是本发明提供的一种自助窥镜式逐次问诊型方法的状态转换图。

图2是本发明提供的自主窥镜式问诊型安全黑匣子系统的系统连接示意图。

图3是硬触发功能的基本硬件模块和开关连接方式示意图。

图4是fpga芯片内部信号判宽逻辑程序示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参照图1和图2，本发明提供了一种自助窥镜式逐次问诊型方法，用于监测飞行器遥测黑匣子状态，所述飞行器遥测黑匣子包括相互电连接的控制器和存储器，控制器与飞行器测试对象集中的各测试对象连接，起始状态s0为试验结束状态，控制器与存储器均处于断电状态，具体包括以下步骤：

(1)控制器加电，进入状态s1：地面远程窥镜及控制装置的硬触发开关断开，飞行器遥测黑匣子的控制器与地面远程窥镜及控制装置保持连接，当飞行器遥测黑匣子通电后，控制器首先复位，然后等待地面远程窥镜及控制装置的问诊指令，此时存储器处于断电状态；随后地面远程窥镜及控制装置向飞行器遥测黑匣子发送存储器加电指令，进入状态s2；

(2)状态s2下，控制器接收到存储器加电指令后，接通存储器与电源的开关通路，存储器开始通电，地面计算机通过地面远程窥镜及控制装置向飞行器遥测黑匣子发送指令控制字，若指令控制字为问诊指令，则进入步骤(3)的状态s3进行状态问诊，若指令控制字为回读指令，则进入状态s10进行存储器数据的回读；

(3)在状态s3下，控制器开始初始化，根据预设的采集通道数目动态地开辟相应各通道数据的窥镜缓冲区域，即针对每一个采集通道，在控制器的fpga(fieldprogrammablegatearray，现场可编程门阵列)芯片内部建立一个相应的可动态配置的fifo(firstinfirstout，先进先出)存储区域作为存储容量，用于缓存采集数据；同时，控制器建立一个存储地址索引表，根据各通道采集数据量的大小指定不同窥镜缓冲区域所对应的存储器物理地址空间范围，用以保证各采集通道的数据能够存储到存储器对应的存储区域中；当缓冲区域开辟完成且存储地址索引表建立完毕后，进入状态s4进行数据采集；

(4)在状态s4下，控制器通过与飞行器连接的电气接口持续对测试对象进行采集，并将各通道的采集数据分别存储到由fifo存储区域构成的窥镜缓冲区域；同时，控制器轮询每一个fifo存储区域是否处于半满状态，如果当前fifo存储区域达到半满状态，则读取该fifo存储区域内的采集数据并发送至其对应的存储器地址空间，直至将该fifo的容量读空；如果存储器中对应的地址空间容量已满，则存储器自动擦除该地址空间区域的全部数据，然后从首地址开始重新存储；重复循环上述轮询过程不止；在轮询过程中，当地面计算机通过地面远程窥镜及控制装置向飞行器遥测黑匣子发送指令控制字，则进入状态s5；

(5)在状态s5下，控制器仍然保持轮询每一个fifo存储区域是否处于半满状态并循环向存储器存储数据，同时当控制器接收到地面计算机通过地面远程窥镜及控制装置发送的问诊指令时，执行以下过程：

(5-1)解析该问诊指令，确定问诊指令所问诊数据对应的采集通道；

(5-2)在fpga芯片内部开辟一块动态配置容量的问诊数据缓存区域，问诊数据缓存区域的容量容纳该采集通道号至少完整的两帧数据；

(5-3)判断问诊数据所在采集通道对应的fifo存储区域是否处于半满状态，如果fifo存储区域没有半满，则等待fifo存储区域的半满信号；

(5-4)当fifo存储区域的半满信号有效时，控制器一方面继续按照步骤(4)中的时序读取该fifo存储的数据并送至其对应的存储器地址空间，另一方面同时将该数据传输至步骤(5-2)开辟的动态问诊数据缓存区域中；如果动态问诊数据缓存区域容量小于fifo存储区域中存储的数据，存储至少一帧的完整帧结构数据；如果动态问诊数据缓存区域容量大于或等于fifo存储区域中存储的数据，则等待该fifo存储区域下一次半满信号有效时继续读取并写入动态问诊数据缓存区域，直至填充满缓存区域；

(5-5)当动态问诊数据缓存区域填充满后，控制器停止缓存区域数据的继续写入，转而开始一次性全部读取该缓存区域数据，并通过地面远程窥镜及控制装置将数据上传至地面计算机；地面计算机根据数据中的关键参数对该采集通道所涉及的采集参数进行判读，得到黑匣子的局部健康状态信息；当地面计算机通过地面远程窥镜及控制装置以轮询的方式发送不同的问诊指令，从动态问诊数据缓存区域中获取不同采集通道的数据，从而遍历获取黑匣子不同的局部健康状态信息，进而汇总得到黑匣子的全部健康状态信息，判读当前黑匣子的健康状态是否满足当前的任务要求；

(5-6)如果当前黑匣子的健康状态是否满足当前的任务要求，则地面操作人员启动地面远程窥镜及控制装置的硬触发开关，进入步骤(6)的状态s6；所述硬触发开关一旦触发启动，无论当前记录控制器与存储器处于哪种状态，立刻无条件中断当前工作转入状态s6；

(6)在状态s6下，控制器通知存储器终止当前的循环存储，并将存储器内的当前数据全部擦除，从而清除前次所存储的数据，为当前试验数据提供完整的存储空间；

在存储器数据擦除过程中，控制器暂停缓冲区域中窥镜数据的更新，地面远程窥镜及控制装置不接收更新的健康状态信息，地面计算机上的人机监测界面处于暂时的滞顿状态，人机监测界面经过暂时的滞顿后，恢复到数据更新状态，自动转入状态s7，进入数据单次记录模式；

如果状态s6中人机监测界面显示保持流畅，没有出现滞顿状态，则表示存储器数据擦除不成功，地面测控装置的硬触发指令没有上传到控制器中，存储器仍处于状态s5中的循环存储状态，则立即停止试验流程；如因各种外部条件因素无法中止，则继续保持当前状态，并自动无缝过渡转入名义s7状态即s5状态，进入数据回溯记录模式；

(7)在s7状态下或名义s7状态下，控制器继续更新缓冲区域中窥镜数据，地面计算机通过地面远程窥镜及控制装置继续回读飞行器遥测黑匣子中控制器的窥镜缓冲区域中的数据，地面计算机根据数据中的关键参数判断飞行器遥测黑匣子的健康状况，得到硬触发启动后至起飞时刻期间的健康状态信息；若处于s7状态，则进入步骤(8)处理，若处于名义s7状态即s5状态，则跳转至步骤(9)处理；

(8)在s7状态的数据单次记录模式下，飞行器遥测黑匣子的存储器开始单次存储由控制器送来的数据，存储器的单次存储时间窗口长度t涵盖飞行器发出点火指令后的飞行器飞行段时间n，即t>n，分两种情况完成试验：

(a)飞行器发出点火指令后，遥测黑匣子接收到该点火指令，进入状态s8，控制器立刻启动计时，从接收到点火命令时刻算起，在要求记录的预设时间t1后切断存储器的供电，存储器内所存储的数据被固态存储，进入步骤(10)；

(b)飞行器发出点火指令后，遥测黑匣子没有接收点火指令，进入状态s9，存储器仍处于单次存储状态，当存储时间到达窗口长度t时，控制器自动切断存储器的供电，返回状态s1；存储器内存储着飞行器从硬触发到断电后的全部数据，进入步骤(11)；由于t>n，所以该数据涵盖全部飞行段的数据，仍然保证有效完成当次试验；

(9)在名义s7状态的数据回溯记录模式下，飞行器遥测黑匣子实际上没有接收到硬触发指令，存储器仍然处于循环存储的状态s5中；当遥测黑匣子接收到飞行器的点火指令后，进入状态s8，控制器立刻启动计时，从点火时刻算起，在要求记录的预设时间t1后切断存储器的供电，存储器内所存储的飞行器点火前后的数据被固态存储，进入步骤(11)，仍然保证完成当次试验；

(10)飞行试验结束，控制器随之断电，转入状态s0；

(11)控制器加电，进入状态s1；

(12)存储器加电，进入状态s2；

(13)地面计算机通过地面远程窥镜及控制装置向飞行器遥测黑匣子发送指令控制字，指令控制字为回读指令，进入状态s10进行存储器数据的回读。

参照图2，本发明同时提供了一种基于所述诊型方法的自主窥镜式问诊型安全黑匣子系统，包括飞行器遥测黑匣子，所述飞行器遥测黑匣子包括相互连接的控制器和存储器，控制器通过双芯屏蔽长线电缆及串行通信双绞长线电缆与地面远程窥镜及控制装置连接，地面远程窥镜及控制装置通过usb电缆与地面计算机连接，地面远程窥镜及控制装置设置有硬触发开关。

参照图3，“硬触发”功能由地面远程窥镜及控制装置和遥测黑匣子的控制器共同完成。与非门u1和u2、电阻r1、r2和r3、光电耦合器u3组成地面远程窥镜及控制装置的硬触发开关电路，其中与非门u1和u2、电阻r1、r2与硬触发开关k构成开关消抖输入电路，消除硬触发开关k切换时机械触点弹性抖动带来的电信号抖动。消抖后的start信号经光电耦合器u3输出，并通过100米的双芯屏蔽长线电缆输入到遥测黑匣子的控制器中，与r4电阻共同充当遥测黑匣子控制器中光电耦合器u4的输入回路。

由于光电耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因此地面的“硬触发”信号与遥测黑匣子之间处于电气信号隔离状态，保证信号传输的电绝缘能力和抗干扰能力。

“硬触发”信号经光电耦合器u3输出进入遥测黑匣子的控制器后，继续通过光电耦合器u4进行二次隔离，使遥测黑匣子与100米的双芯屏蔽长线电缆电气信号隔离，有效地解决了遥测黑匣子“硬触发”输入信号容易被外界串入的噪声或信号干扰问题。当u3的输出是“导通”功能时，u4的输入回路导通，产生光电流，使u4的光控晶闸管由断态转入通态，输出信号st变为“低电平”有效状态，至此“硬触发”信号才能有效。反之，u3输出是“断路”功能时，u4的输入回路断开，使u4的光控晶闸管由通态转入断态，输出信号st变为“高电平”无效状态。

为了进一步提高“硬触发”信号的可靠性，光电耦合器u4的输出信号st先经fpga内部的信号判宽逻辑程序后才能成为真正的可用信号st_real。判宽算法采用“连续采样相乘判宽”法，参照图4，方法具体如下：

fpga首先将光电耦合器u4的输出信号st进行反相运算，使得“硬触发”有效时对应着“st＝1”的高电平状态；fpga每隔100微秒采样信号st_real一次，然后与前一次采集的值相乘，所得到的值作为当前的st_real值，如此循环，持续10毫秒：

st＜＝notst(st反相运算)

第1次采样赋值：st_real[1]＜＝st；(初始赋值)

第2次采样赋值：st_real[2]＜＝st

st_real[2]＝st_real[1]×st_real[2](采样赋值相乘)

第3次采样赋值：st_real[3]＜＝st

st_real[3]＝st_real[3]×st_real[2](采样赋值相乘)

第4次采样赋值：st_real[4]＜＝st

st_real[4]＝st_real[4]×st_real[3](采样赋值相乘)

……

……

第n次采样赋值：

st_real[n]＜＝st

st_real[n]＝st_real[n]×st_real[n-1]

如果最后st_real[n]的结果为“1”，说明整个采样过程st_real信号恒保持“1”，“硬触发”信号有效；如果st_real[n]的结果为“0”，说明整个采样过程st_real信号出现有“0”的状况，st_real信号认为是虚假信号无效。

通过地面远程窥镜及控制装置和弹载遥测黑匣子的双重光电隔离耦合设计，以及fpga内部的消抖逻辑设计，消除了外部长线传输带来的噪声干扰、耦合到弹载遥测黑匣子的固弹机构解锁信号开关时产生的大幅度长时间干扰噪声，提高了“硬触发”信号的可靠性。

本发明提供的一种自助窥镜式逐次问诊型方法及黑匣子系统，能够消除目前航天遥测系统利用数据黑匣子对飞行器参数进行动态测试与记录时存在的可靠性隐患，通过黑匣子的状态转换和可靠性设计，通过数据的问诊分析获取设备的健康状况，进而达到数据存储的安全目的。