基于FADEC控制發動機高空模擬試驗用的航電模擬器技術研究

張向前，劉龍園，付細能，張文林

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

隨著航空電子技術和發動機數字電子控制技術的發展，在第三代、第四代飛機上，對航空發動機的操縱方式也由電氣化轉變為數字化，即由機載機電管理計算機的通訊指令信息取代來自控制按鈕的電氣信號和來自傳感器、儀表的測量數據。

基于全權限數字電子控制（FADEC）某渦扇發動機在飛機上使用時，除油門桿信號外，控制發動機的相關操作指令和座艙顯示數據均依賴于航電系統的1553B總線通訊，發動機ECU通過總線從航電設備獲取控制指令，發動機及其控制系統的工作狀態信息通過總線發往相關航電設備，再由座艙的多功能顯示器進行顯示。為更全面獲得該型發動機高空工作性能和穩定工作邊界，需開展該發動機高空模擬試驗。為此，需研制航電模擬器仿真機上與發動機ECU相關的總線通訊環境，以保證發動機及控制器在高空臺臺架上具備開展發動機試驗驗證的工作條件。航電模擬器為航空電子系統提供了一個開發、研制以及綜合仿真測試的環境[1]。

1 機載總線通訊環境

1.1 通訊系統組成

機載1553B總線通訊系統是由BCMP作為總線控制器，MC 作為備份總線控制器，ADC、INS、EMMC和EEC等多種機載電子設備作為RT并按照1553B總線通訊標準構成的總線通訊系統。該系統的連接示意如圖1所示。

圖1 機載1553B總線通訊系統連接示意圖

1.2 通訊信息流

BCMP、MC、ADC、INS和EMMC在1553B總線通訊系統中與ECU之間的通訊過程的數據流如圖2所示。

圖2 總線通訊數據流圖

2 航電模擬器方案設計

2.1 航電模擬器與外界通訊環境建立

2.1.1 通訊仿真模型

1)BCMP模型：用于仿真通訊總線控制計算機的總線控制功能；

2)MC模型：用于仿真多任務管理計算機的總線監視功能和備份總線控制器功能；

3)ADC模型：用于仿真大氣管理計算機的總線通訊功能；

4)INS模型：用于仿真慣導系統的總線通訊功能；

5)EMMC模型：用于仿真機電管理計算機的總線通訊功能；

6)模擬ECU模型：用于ECU的A、B通道的總線通訊功能。

2.1.2 通訊環境搭建

FADEC在控制渦扇發動機航電模擬器方面主要具備如下功能：

1)仿真功能：基于單臺計算機及相關通訊硬件模擬同ECU進行總線通訊的多種航電設備的通訊特性，為ECU仿真機載總線通訊環境；

2)監視功能：接收并顯示電子控制器上傳的實時數據，并實時監視通訊總線工作情況；

3)操縱功能：向電子控制器發送操作指令和外部參數的設定值；

4)數據記錄：在航電模擬器上生成相應的數據文件用于實時存儲ECU上傳的數據以及航電模擬器下發的指令與參數。

綜合航電系統模擬器應與以下裝置相互作用（航電模擬器與外界通訊關系示意圖見圖3）。

圖3 航電模擬器與外界通訊關系示意圖

―EDR-42裝置；

―顯示器；

―鍵盤；

―鼠標操縱手；

―參數記錄綜合體；

―發動機操縱臺。

航電系統模擬器將從操縱臺接收的指令和信號、由操作者輸入的指令和信號轉換成相應的標識，以及將通過信息交換通道RS-422A從參數記錄綜合體接收的參數轉換并換算成發動機控制所需的參數，并將這些參數通過多路信息交換通道傳輸給電子控制裝置的兩個通道。

航電系統模擬器接收來自電子控制裝置沿多路信息交換通道的參數和信號，并通過信息交換通道RS-422A，將根據協議從電子控制裝置（來自A通道和B通道）沿多路信息交換通道接收的參數輸出到參數記錄綜合系統。

此外，航電模擬器應保證將從臺架和電子控制裝置接收的信號、參數輸出到顯示器屏幕上，用于操作者及技術人員監控。

2.2 技術實現途徑

在Visual Studio 2008開發環境下，基于Microsoft.NET開發平臺，使用C#程序設計語言，開發了Windows應用程序框架；設計了帶有指令按鈕、參數滑動條、數據列表、動態曲線監視器和離散字指示燈導航窗格序列等元素的人機交互界面；創建相關數據結構；封裝總線通訊控制設備操作接口[2]。

以面向對象的設計思想，構建飛機航電系統中與發動機控制器交互的總線終端設備模型(多任務管理計算機MC、機電管理計算EMMC、大氣數據計算機ADC和慣性導航系統INS)以及BCMP模型；按照通訊協議的規劃，實現通訊環境仿真。

航電模擬器在使用時連接方式如圖4所示。航電模擬器與控制器之間通過兩個總線耦合器分別連接成兩個1553B總線通訊回路——總線通訊主回路和備份回路。每個耦合器分別連接航電模擬器主通訊線路或備份通訊線路以及控制器兩個通道對應的主通訊線路或備份通訊線路。

2.3 實現的功能

1)具有模擬BCMP對1553B總線進行通訊管控以及同相關設備進行管控指令和通訊狀態信息交互的功能，建立相應的功能模型；

2)能夠模擬飛機總線通訊系統的部署方式與功能，即正確地建立發動機控制器與相關機載設備的通訊模型，并按照總線通訊協議實現數據通訊過程；

3)具有左發/右發切換選擇功能；

4)具有模擬發動機控制器在總線上的通訊功能，即在不連接控制器實物的條件下，通過恰當地配置通訊鏈路，使航電模擬器可以獨立地模擬包括控制器在內的飛機通訊系統；

圖4 產品總線通訊連接示意圖

5)具有參數顯示功能，能通過數據列表實時顯示從通訊數據中解析的所有參數；

6)具有圖形化顯示功能，即對于所有模擬量信號參數應以坐標曲線進行顯示，對于表示狀態指示和故障指示的離散字參數還應使用指示燈進行圖形化表示；

7)具有通訊數據修改功能，即能通過軟件界面直接修改發送給控制器的通訊數據包和模擬控制器發出的通訊數據包；

8)具有適用于試驗人員操作的圖形化指令輸入與操縱界面，即用滑動桿、旋鈕和按鈕等虛擬儀器模擬飛機座艙中相應的指令輸入與操縱裝置，以此接收試驗操作人員對控制器的操縱指令；

9)具有數據存儲功能，應能存儲所模擬的飛機通訊系統在通訊過程中傳遞的所有參數數據；

10)具備RS-422串口通訊功能，可以通過串口與發動機臺架數據中轉計算機交互操作指令和數據，并實現遠程操縱。

3 解決的關鍵技術

為實現基于FADEC控制發動機臺架試驗中與發動機及試驗臺架交聯及數據傳輸，航電模擬器解決了如下關鍵技術：

1)按照飛機航電系統組成，實現與發動機控制器交互的各機載設備通訊特性；

2)按照飛機航電系統總線通訊協議的規劃，仿真以機載總線控制計算機(BCMP)為核心的通訊調度機制；

3)實現通訊數據在線監控、告警和數據存儲；

4)實現基于RS-422通訊的試驗臺數據交互，以及本機航電指令操縱權與遠程操縱權的切換功能。

4 結語

本文基于FADEC控制的發動機，進行了高空模擬試驗用的航電模擬器的技術方案研究，所提出的航電模擬器能夠仿真機上與發動機ECU相關的總線通訊環境，以保證發動機及控制在高空臺臺架上具備開展發動機試驗驗證的工作條件。