張亞維，史強強，張 樂

(1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空維修工程學(xué)院，陜西 西安 710089；2.西安遠方航空技術(shù)發(fā)展有限公司，陜西 西安 710089)

在新機的飛行試驗過程中，換裝后的發(fā)動機與原機的進氣道之間是否匹配，需要通過測量和記錄進氣道入口和出口的多種相關(guān)參數(shù)信號，評價進氣道畸變對發(fā)動機工作穩(wěn)定性的影響來判斷。近年來，在試驗試飛領(lǐng)域，為了充分驗證國產(chǎn)發(fā)動機的性能，進氣道與發(fā)動機相容性的試飛測試科目越來越受到發(fā)動機研制廠家與試飛工程師們的重點關(guān)注[1-4]。

傳統(tǒng)的系統(tǒng)方案往往采用專用傳感器信號調(diào)節(jié)設(shè)備加通用化采集設(shè)備進行分立系統(tǒng)搭建。采用多臺設(shè)備進行各類型信號采集，例如動態(tài)壓力調(diào)節(jié)器、總溫變換器、通用化采集器等。此種方案在集成設(shè)計成熟之前得到了大量的飛行試驗應(yīng)用，并為各類試驗測試科目提供了大量的測試數(shù)據(jù)[5-7]，主要缺點是無法進行在線數(shù)據(jù)的二次開發(fā)。隨著設(shè)備向高度集成化發(fā)展以及設(shè)備小型化、低功耗等設(shè)計要求逐漸被眾多研究學(xué)者關(guān)注，分立化測試設(shè)備會使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，并帶來多通道參數(shù)時間同步性較差、設(shè)備種類多、電源供電系統(tǒng)繁雜且功率消耗大、占用機上安裝空間較大等一系列問題[8-10]。因此，近幾年多數(shù)學(xué)者將關(guān)注重點放在高集成化系統(tǒng)的研制上，通過一臺系統(tǒng)多功能接口實現(xiàn)各類信號采集，并在系統(tǒng)中嵌入軟件算法，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線算法開發(fā)，對降低數(shù)據(jù)傳輸實時性、減小數(shù)據(jù)傳輸帶寬有積極的作用[11-13]。

針對發(fā)動機進氣道監(jiān)測中眾多的傳感器參數(shù)，通過多功能板卡系統(tǒng)級設(shè)計，使綜合監(jiān)測系統(tǒng)可以對各種壓力傳感器信號、總溫傳感器信號進行同步高精度采集，通過分時復(fù)用的并行傳輸總線實現(xiàn)了多級聯(lián)板卡數(shù)據(jù)的交互。采用同步插入的串行數(shù)據(jù)流實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)實時監(jiān)測傳輸，采用關(guān)聯(lián)算法解算實現(xiàn)在線診斷功能并以RS422接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測與座艙預(yù)警顯示，采用以太網(wǎng)高速接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的100%記錄與上位機通信。經(jīng)過多架次飛行試驗獲取了大量有效的測試數(shù)據(jù)[14-15]。

1 進氣道監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

機載發(fā)動機與進氣道相容性測試過程中，前端測量信號主要包括多路穩(wěn)壓/總壓壓力信號、總/靜壓差信號、動態(tài)壓力信號、進口總溫信號等。監(jiān)測系統(tǒng)需要對所有的傳感器輸出信號完成調(diào)理、采集、編碼，并將授時系統(tǒng)的時基信號解調(diào)后，對所有數(shù)據(jù)包進行時間戳標(biāo)記。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)具備二次算法開發(fā)功能，可在線對數(shù)據(jù)進行計算處理，便于遠程監(jiān)測。

進氣道監(jiān)測系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)形式分為3種類型：① PCM串行碼流形式，用于機載記錄系統(tǒng)進行100%記錄存儲，完成事后處理、分析；② RS422串行輸出形式，實現(xiàn)用戶編程參數(shù)挑選，以串行總線輸出至遙測系統(tǒng)和座艙預(yù)警顯示系統(tǒng)，供實時監(jiān)測與告警；③ 以太網(wǎng)總線形式，實現(xiàn)與上位機交互管理。進氣道監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 進氣道監(jiān)測系統(tǒng)框圖

監(jiān)測系統(tǒng)測試傳感器共分為32路穩(wěn)態(tài)壓力、32路壓差壓力、12路總溫和8路動態(tài)壓力(轉(zhuǎn)換后為8路動態(tài)、8路總壓)，合計實現(xiàn)92路測試數(shù)據(jù)的綜合處理。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)按照不同采樣率對其功能板卡進行總線數(shù)據(jù)交互，時間戳標(biāo)記所有數(shù)據(jù)的采樣時刻。主控單元支持FFT(快速傅里葉變換)和浮點數(shù)運算，可將海量數(shù)據(jù)進行緩存后完成實時解算，實時告警算法將關(guān)鍵參數(shù)輸出至地面監(jiān)控和座艙預(yù)警顯示系統(tǒng)。進氣道監(jiān)測系統(tǒng)工作原理框圖如圖2所示。

圖2 進氣道監(jiān)測系統(tǒng)工作原理框圖

由圖2可知，設(shè)計中共采用4類測量傳感器和9塊功能板卡組合成一臺進氣道監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)信號受感、采集、控制、計算、接口、預(yù)警等功能。采集板卡通過多級聯(lián)并行底板總線實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)、電源傳輸交互。

進氣道監(jiān)測系統(tǒng)上位機軟件通過以太網(wǎng)總線與硬件系統(tǒng)互聯(lián)，對系統(tǒng)進行板卡信息顯示(板卡類型、板卡地址、板卡序列號)、配置校驗功能(PCM格式設(shè)置、RS422格式配置、參數(shù)挑選、配置加載)、實時信息顯示(碼值、物理量)。通過機載遙測設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸至地面監(jiān)控大廳，地面監(jiān)控軟件實時顯示當(dāng)前的飛行試驗數(shù)據(jù)狀態(tài)、曲線、數(shù)據(jù)解算等信息。

設(shè)計的在線監(jiān)測系統(tǒng)適合于信號種類多、實時性要求高、在線算法嵌入的應(yīng)用場景，滿足各類型專用監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計需要。采用高性能FPGA核心控制單元，可提高數(shù)據(jù)在線運算能力，對數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、降低有限的遙測數(shù)據(jù)鏈路帶寬具有重大意義。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)整體系統(tǒng)設(shè)計可知，將進氣道監(jiān)測系統(tǒng)按照功能主要分為3個部分：機上傳感器受感、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、終端顯控設(shè)備，終端顯控設(shè)備中遙測記錄、地面監(jiān)測設(shè)備為現(xiàn)有設(shè)備。

2.1 傳感器選取

根據(jù)進氣道測量中被測信號的類型，可將傳感器分4類：① 穩(wěn)態(tài)壓力傳感器，測量總壓、穩(wěn)壓緩變信號，輸出線性大電壓信號；② 壓差傳感器，測量進氣道中壓差信號，轉(zhuǎn)換為大電壓信號輸出；③ 動態(tài)壓力傳感器，采用惠斯通全橋設(shè)計，由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提供恒壓源激勵，測量總壓信號及其攜帶的脈動壓力信號；④ 總溫信號測量傳感器，采用鉑電阻原理，使用三線制恒流源激勵方式能夠較好地消除引線誤差。

2.2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用多板卡級聯(lián)設(shè)計，包括中央控制板、壓力采集板、溫度采集板、電源板、激勵輸出板共5類板卡。

采集板卡由7個功能模塊組成：傳感器激勵模塊、接口電路模塊、濾波電路模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路模塊、子板處理器模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊和高速底板總線模塊。其中，總溫傳感器為溫度采集板卡外接傳感器類型，需要恒流源激勵；動態(tài)壓力傳感器測量壓力氣流中的波動量，需要壓力采集板提供恒壓源激勵。

圖3 功能采集板卡組成框圖

采集板卡按照中央控制板設(shè)置的采樣率實時對采集數(shù)據(jù)進行同一時刻鎖存，底板總線通過地址匹配、輪訓(xùn)、校驗方式依次循環(huán)讀取所有鎖存的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)采集的時效性、關(guān)聯(lián)性。

中央控制板為整個系統(tǒng)的核心部分，實現(xiàn)整體系統(tǒng)的邏輯控制、功能調(diào)度、數(shù)據(jù)整合、軟件配置管理；由8個模塊組成：高速底板總線、以太網(wǎng)、PCM編碼、數(shù)據(jù)實時處理、RS422編碼、時間解析單元、電壓轉(zhuǎn)換、處理器內(nèi)核及其外圍模塊；外部掛載DDR3提高大容量數(shù)據(jù)緩存要求，F(xiàn)lash存儲器為中央處理器存儲程序代碼與系統(tǒng)管理文件，高精度溫補晶振為處理器內(nèi)核提供時鐘源。中央控制板組成框圖如圖4所示。

圖4 中央控制板組成框圖

監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中主要的核心技術(shù)有以下3種。

(1)多板卡級聯(lián)并行總線設(shè)計。

作為多個子板卡組成的數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，各板卡間如何實現(xiàn)統(tǒng)一、協(xié)調(diào)工作，是系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集處理的核心。中央控制板是監(jiān)測系統(tǒng)的控制核心板卡，是整個數(shù)據(jù)交互的管理中心，通過并行總線實現(xiàn)與各個子板卡的通信。

總線通信協(xié)議通過優(yōu)化PCI總線功能，精簡控制信號，提升總線通信效率。優(yōu)化后的總線通信協(xié)議內(nèi)容主要為板類型與串號掃描、采集板寫地址、采集板數(shù)據(jù)讀取、采集板寄存器寫操作。

底板互聯(lián)總線包含16位地址線、16位數(shù)據(jù)線(收發(fā)復(fù)用)、4位功能選擇線和2位控制線，最多可實現(xiàn)對16塊功能板卡的數(shù)據(jù)訪問，最多可以訪問每個板卡上的65536個寄存器，總線數(shù)據(jù)在40 MHz頻率下工作，并行數(shù)據(jù)帶寬可達640 Mbit/s。

主從總線設(shè)計架構(gòu)中，發(fā)起方和響應(yīng)方進行交互任務(wù)需要實現(xiàn)以下3種總線訪問的支持：

① 處理器直接訪問底板總線，用于狀態(tài)管理和板卡功能配置。

② 根據(jù)時間片的全自動底板總線訪問，實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實時提取。

③ 總線地址循環(huán)匹配，同一時刻對當(dāng)前地址板卡進行透明訪問。

(2)差異化采樣率下同步采樣設(shè)計。

機載數(shù)據(jù)測試中關(guān)鍵指標(biāo)需要實現(xiàn)所有采集通道數(shù)據(jù)在時間軸上的相關(guān)性，這對于后期數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析處理意義重大，同步精度往往要求在1 μs以內(nèi)。設(shè)計采用3個關(guān)鍵點來實現(xiàn)高精度同步采集功能：

① 總線中統(tǒng)一的同步采集脈沖時鐘。

② 總線中統(tǒng)一的同步時鐘信號。

③ 統(tǒng)一的IRIG-B時標(biāo)單元和時間實時控制(RTC)模塊。

實際應(yīng)用中不同的采集通道會存在差異化的采樣頻率，例如穩(wěn)態(tài)壓力、總溫等慢變信號采樣率為32 Hz，壓差壓力采樣率為256 Hz，而動態(tài)壓力快變信號采樣率為2 kHz。為確保所有數(shù)據(jù)具備時間軸上的一致同步性，結(jié)合PCM同步采樣的特性，使用晶振40 MHz時鐘產(chǎn)生同步PCM位時鐘，再由該位時鐘產(chǎn)生同步采集時鐘脈沖，該時鐘須與PCM幀格式中最高采樣率的頻率一致。

采集板卡檢測總線同步采集時鐘，根據(jù)同步時鐘產(chǎn)生ADC轉(zhuǎn)換開啟脈沖信號，該信號與同步采集時鐘會有1個總線時鐘周期的延遲(25 ns)，故使所有采集板卡上的A/D轉(zhuǎn)換通道具備高精度同步性。特別需要注意的是，選型時A/D轉(zhuǎn)換器件需具備多通道同步鎖存功能，這樣才能保證高精度同步采集。

(3)實時在線數(shù)據(jù)解算處理設(shè)計。

隨著試飛科目增多，數(shù)據(jù)總量呈指數(shù)增長，事后數(shù)據(jù)處理工作繁重，且受制于遙測帶寬限制，僅部分核心數(shù)據(jù)可實現(xiàn)監(jiān)測，存在一定的監(jiān)控盲區(qū)。將數(shù)據(jù)實時處理移至機上設(shè)備成為設(shè)備智能化的發(fā)展趨勢，可有效減少繁重的事后數(shù)據(jù)處理工作，利于減小遙測數(shù)據(jù)帶寬。通過數(shù)據(jù)融合處理將海量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為關(guān)鍵參數(shù)遙測至地面監(jiān)測，可降低試驗風(fēng)險，提高工作效率。

數(shù)據(jù)流的提取是由AXI-DMA模塊將PCM原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成高速的AXI-STREAM碼流，通過HP接口進入處理器，從而使軟件處理器獲得100%的數(shù)據(jù)。雙核ARM處理器中，CPU1根據(jù)計算需求提取數(shù)據(jù)形成緩沖數(shù)組，并按要求進行預(yù)處理，在經(jīng)過濾、加窗處理等操作后，將原始數(shù)據(jù)送入CPU0進行軟件解算或者硬件FFT協(xié)處理器進行硬件解算。算法計算數(shù)據(jù)流獲取傳輸如圖5所示。

圖5 算法計算數(shù)據(jù)流獲取傳輸圖

用戶的算法復(fù)雜度不高的問題可直接通過ARM-Linux操作系統(tǒng)軟件計算方式解決，在CPU0中完成計算輸出，雙核處理器分別完成獨立任務(wù)。CPU0的空閑非常充足，可高效完成算法計算并且具備簡單易學(xué)的用戶二次開發(fā)特性。

針對不同的試飛科目，參與計算的參數(shù)需及時調(diào)整，采用的數(shù)據(jù)處理算法也不盡相同。在常規(guī)的數(shù)據(jù)處理過程中，系統(tǒng)植入了成熟可靠的算法程序，方便用戶二次開發(fā)時直接調(diào)用。

目前系統(tǒng)中主要嵌入了預(yù)濾波算法、幅值超限、加權(quán)平均、FFT等成熟算法，為被監(jiān)測系統(tǒng)的實時狀態(tài)監(jiān)控提供便利。用戶可通過關(guān)聯(lián)參數(shù)分析各通道數(shù)據(jù)的頻率特性關(guān)系等，對飛行中進氣道狀態(tài)進行預(yù)判，通過累積FFT算法輸出低采樣預(yù)警信號進行實時監(jiān)測。

通過在線關(guān)聯(lián)性參數(shù)解算算法，對多路不同傳感器參數(shù)完成融合，實時遙測鏈路輸出最終計算結(jié)果并直接用于監(jiān)控，無須二次處理，這樣可將本監(jiān)視系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸帶寬降低80%以上。解算后的數(shù)據(jù)可以反映進氣道飛行狀態(tài)。

3 實驗驗證

發(fā)動機進氣道監(jiān)測系統(tǒng)分為傳感器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兩個部分。傳感器部分通過選擇合適量度的成熟產(chǎn)品進行進氣道耙的定制安裝。在實驗室對整個監(jiān)測系統(tǒng)接口功能精度等完成標(biāo)定測試，驗證系統(tǒng)是否達到裝機要求。

搭建的地面進氣道監(jiān)測系統(tǒng)測試平臺如圖6所示。

圖6 實驗室搭建系統(tǒng)測試平臺

上位機計算機與系統(tǒng)接口為以太網(wǎng)，通過上位機軟件可直接讀取監(jiān)測系統(tǒng)輸出的實時數(shù)據(jù)和配置信息。

進氣道監(jiān)測系統(tǒng)地面實時監(jiān)測上位機軟件界面如圖7所示。

圖7 地面實時監(jiān)測上位機軟件界面

實驗包含以下內(nèi)容。

(1)穩(wěn)態(tài)、壓差壓力精度測試。

穩(wěn)態(tài)壓力信號為慢變信號，采樣率為32 Hz，壓差壓力采樣率為256 Hz，通過氣壓源為壓力傳感器提供輸入，選取最大氣壓值35 MPa(穩(wěn)態(tài)壓力)、7 MPa(壓差壓力)輸入，對應(yīng)輸出5 V電壓值進行測試，測試結(jié)果抽選6個通道(數(shù)據(jù)處理增益為1.8倍)，結(jié)果如表1所示。

表1 穩(wěn)態(tài)、壓差壓力精度測試數(shù)據(jù)表

結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)、壓差壓力采用標(biāo)準(zhǔn)源測試輸出為電壓信號，數(shù)據(jù)處理內(nèi)部放大1.8倍固定增益，降低A/D轉(zhuǎn)換器LSB，經(jīng)過監(jiān)測系統(tǒng)處理后輸出后精度均小于0.3%FS，達到了較高的采集精度。

(2)進氣總溫精度測試。

采用Pt100鉑電阻作為溫度受感器，恒流源激勵方式，通過三線制接線法與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)溫度采集板連接，測量的溫度范圍為-60～250 ℃。將溫度受感器放在可控溫度箱中，通過監(jiān)測系統(tǒng)采集溫度信號進行測試，結(jié)果如表2所示。

表2 進氣總溫精度測試數(shù)據(jù)表

測試數(shù)據(jù)結(jié)果表明，監(jiān)測系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)換后的溫度誤差均在±2 ℃之內(nèi)，溫度測量結(jié)果良好，測量誤差小。采用三線制的小幅值恒流源激勵方式，可以有效消除線纜傳輸過程中帶來的測量誤差。

(3)動態(tài)壓力采集和橋壓輸出精度測試。

動態(tài)壓力信號為快變信號，采樣率2048 Hz，通過氣壓源為傳感器提供穩(wěn)定壓力源，選取壓力信號7 MPa最大點時信號處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為直流電壓100 mV作為輸入，交流脈動量采用有效電壓23.57 mV/1 kHz信號源為輸入。測試結(jié)果僅抽選5個通道(交流增益300倍、直流增益100倍)，如表3所示。

表3 穩(wěn)態(tài)、壓差壓力精度測試數(shù)據(jù)表

測試結(jié)果表明，動態(tài)壓力信號為快變信號，且輸出包含交直流混合微小信號，經(jīng)過內(nèi)部100倍/300倍放大后進行A/D采集，最終采集精度均小于0.2%FS。測試結(jié)果良好，測量誤差小。

綜上所述，所設(shè)計的進氣道監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方法合理可行，多級聯(lián)并行總線數(shù)據(jù)交互方式穩(wěn)定可靠，傳輸機制保證了數(shù)據(jù)高精度同步采樣。

本系統(tǒng)傳感器采用成熟產(chǎn)品，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在底層開發(fā)、器件選型、結(jié)構(gòu)、架構(gòu)方面均完全自主開發(fā)，設(shè)計簡單,成本低廉，目前已在飛行試驗測試領(lǐng)域應(yīng)用。經(jīng)過多架次裝機試飛證明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r將飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)通過監(jiān)測系統(tǒng)進行在線處理、實時監(jiān)控，具有有效性與實用性。

4 結(jié)束語

針對發(fā)動機進氣道監(jiān)測系統(tǒng)，使用可擴展的多功能板卡架構(gòu)實現(xiàn)多類型傳感器接口，使用定制化并聯(lián)總線實現(xiàn)高精度時間同步采集，使用差異化采樣率實現(xiàn)不同節(jié)拍信號關(guān)聯(lián)采集。中央嵌入式控制系統(tǒng)建立在線數(shù)據(jù)二次開發(fā)平臺，開辟高速專用內(nèi)核完成在線數(shù)據(jù)解算，有效降低數(shù)據(jù)傳輸帶寬，實現(xiàn)地面實時監(jiān)測與機上預(yù)警顯示功能。采用輪詢方式并行總線等技術(shù)解決多板卡間數(shù)據(jù)高速交互的難點，有利于提高系統(tǒng)集成度，實現(xiàn)設(shè)備小型化輕量化設(shè)計，為各類機載多通道信號監(jiān)測系統(tǒng)提供有效的解決思路。由于本設(shè)計中監(jiān)測系統(tǒng)無本地數(shù)據(jù)存儲功能，在后端鏈路存在故障時，存在數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險。在下一步應(yīng)用設(shè)計中，將增加存儲功能，完善數(shù)據(jù)算法監(jiān)控能力，提升系統(tǒng)智能化，并應(yīng)用于各類傳感器監(jiān)測系統(tǒng)、實時測量等場景。