某型發動機參數顯示系統的測試與故障診斷系統設計

陳海牛

摘要：針對直升機配裝的某型發動機參數無法進行單獨檢測、修理難度大、修理質量不穩定等問題，設計了一套基于ARINC429、RS422/232等總線架構的自動測試系統。該系統以工控計算機為核心，將模擬信號、電源信號傳輸至產品接口，實現該型發動機參數顯示器的發動機工作狀態參數采集與顯示功能、發動機歷程參數讀寫功能中自動測試和手動測試功能。

關鍵詞：發動機參數顯示器；測試；故障診斷；通信協議

Keywords：engine parameter display system；testing；fault diagnosis；communication protocol

0 引言

發動機參數顯示系統是飛機/直升機重要的航空電子設備，其主要任務是實時監控并記錄左右發動機、主減速器的工作狀態，包括左右發自由渦輪轉速、左右發燃氣渦輪轉速、左右發轉速占空比、旋翼轉讀、左右發滑油溫度、主減滑油溫度、左右發滑油壓力、主減滑油壓力、左右發液壓壓力、左右發燃油壓力、左右發排氣溫度、直流電壓等參數，并對系統故障信息給予報警，保證飛行安全[1]。

目前，各型直升機均配裝了發動機參數顯示系統，包含多種不同型號、不同原理的發動機參數顯示系統[2]。發動機參數顯示系統生產廠家需針對各型直升機/飛機需求搭建發動機參數顯示系統，以滿足用戶需求[3]；直升機修理工廠需在總體整機裝配調試前離位檢查相關裝機產品的性能指標、參數，并對故障產品進行修理，根據需求對故障率較高、易發生故障的發動機參數顯示系統配置檢測設備。用戶使用過程中發現，某型發動機參數顯示系統故障率較高，系統內包含發動機參數顯示器、發動機參數采集器，故障產品無法快速確認，不易定位故障原因及部位[4，5]。因此，研制一套該型發動機參數顯示系統測試與故障診斷系統極為必要，可以快速檢測故障原因，定位故障部位，實現高效縮短故障檢測和排除周期的目的[6]。

本文所設計的發動機參數顯示系統測試與故障診斷系統是以自動測試為基礎，借助計算機實現基本控制，對被測試的產品展開自動化的測量與故障診斷、數據處理以及存儲和傳輸等，最后通過計算機將系統的測試結果輸出或顯示出來[7，8]。該測試系統集計算機技術、信息技術、通信技術、微電子技術以及數據庫管理技術于一體，可以為該型發動機參數采集系統的測試與故障診斷提供一定的幫助[9]。

1 系統總體設計

1.1 總體結構設計

綜合測試臺由工控機、電氣接口、離散量顯示模塊、直流線性電源、滑油溫度仿真模塊、離散量輸出模塊、AC電源產生模塊、直流電壓產生模塊、校正電阻控制模塊、頻率信號發生模塊構成，總體結構如圖1所示。

主控系統采用工控機作為硬件平臺，配備通用ARINC429通信卡、RS485/ RS422/ RS232串口卡作為整個系統的核心資源，通過軟件配置及輸出控制來實現被測產品的檢測需求。供電系統由總電源箱和程控交流電源箱構成，總電源箱內置DC28V電源模塊完成被測產品供電，程控交流電源箱提供115V電壓加溫功能。

1.2 系統檢測內容及要求

通過對該型發動機參數顯示系統的調研，確定測試與故障診斷系統應輸出電源、模擬信號范圍及精度。

完成某型發動機參數顯示系統使用性能檢測，包括但不限于以下內容：輸入模擬量；輸入離散量信號測量；輸出離散量信號；總線接口；輸出傳感器激勵電源；發動機歷程參數記錄等。圖2為測試系統原理框圖。

1）電源輸出

發動機參數顯示系統的總供電電源要求為+28V、±0.4V電源輸出，負載能力不小于280W，紋波不大于5%，電壓準確度不大于5%。

2）頻率量輸出

模擬產生左發自由渦輪轉速Nf、右發自由渦輪轉速Nf、左發燃氣渦輪轉速Ng、右發燃氣渦輪轉速Ng、左發△Ng（占空比）、右發△Ng（占空比）、旋翼轉讀Nr共7路頻率信號，每路頻率信號針對固定頻率值可調，信號精度為±0.1Hz。

3）滑油溫度仿真

模擬產生左發滑油溫度Tm、右發滑油溫度Tm、主減滑油溫度Mt共3路滑油溫度仿真電阻，每路信號針對固定阻值可設置，阻值精度為±0.1Ω。

4）模擬量輸出

模擬產生直流電壓信號并輸出至相應接口，具體要求為：左右發滑油壓力Pm，精度±0.01V；主減滑油壓力Mp，精度±0.01V；左右液壓壓力Hp，精度±0.01V；左右發燃油壓力Pf，精度±0.01V；左右發排氣溫度T45，要求精度±0.001V；直流電壓VDC，精度±0.01V；直流電流IDC，精度±0.001V。共計11路信號。

5）交流電壓輸出

產生交流電壓VAC仿真電壓和交流電流IAC仿真信號，交流電壓VAC和交流電流IAC仿真電壓信號針對固定值可設置，同時具備手動線性調節功能，手動調節范圍VAC為95～125V，最大和最小值誤差±2V；IAC為0～6V，最大和最小值誤差為±1V。

6）離散量輸出

采用扳扭開關形式實現地/懸空信號的輸出，具體為：空地信息、安裝放砂濾的信息、左發放氣活門、右發放氣活門、左發油門桿脫離中心位置信息、右發油門桿脫離中心位置信息、左發OEI30″狀態被選擇、右發OEI30″狀態被選擇、左發OEI2″狀態被選擇、右發OEI2″狀態被選擇、歷程參數讀取。共計11路離散量輸出信號。

7）離散量顯示

采用信號指示燈形式實現離散量顯示功能，該離散量信號均為產品內部DC+28V的地或懸空信號，當輸入為地信號時燈亮，當輸入為懸空信號時燈滅。具體為：左發最大連續功率、左發最大起飛功率、左發最大中等應急功率、右發最大連續功率、右發最大起飛功率、右發最大中等應急功率、左右發扭矩和超差、左右發扭矩差超差。共計8路離散量信號。

8）發動機歷程參數讀寫功能

系統應具備對發動機參數顯示系統內發動機歷程參數的讀寫功能，讀取發動機Ng循環數、發動機批號、空地信息、直升機批號等信息，并及時反饋是否與發動機當前狀態相符。在更換發動機或機體后可重新寫入發動歷程參數數據，確保及時更新。

2 系統硬件設計

測試系統硬件由直流線性電源、頻率信號發生模塊、滑油溫度仿真模塊、離散量輸出模塊、離散量輸入模塊、AC電源產品模塊、直流電壓產生模塊、校正電阻控制模塊、工控機、ARINC429通信、RS422/232通信等組成。

2.1 直流線性電源設計

直流電源為發動機參數顯示系統供電電源，要求+28V、±0.4V電源輸出，負載能力不小于280W，紋波不大于5%，電壓準確度不大于5%，通過增加控制模塊，實現電壓和電流的回采、電源的輸出控制和程控電壓拉偏。選用滬儀科技定制的開關電源模塊，功耗初步額定為300W，電壓DC26V-32V，紋波不大于5%，電壓準確度不大于5%

2.2 頻率信號發生模塊

頻率信號發生模塊選用凱銳CHR46301。該模塊是基于PCI總線的多功能數據采集計數器功能模塊，具有8路32位可編程計數器，計數器類型為遞減計數，模塊工作方式為脈沖計數，為32路TTL數字輸入輸出，輸入/輸出方向可軟件編程設置；帶有可編程數字濾波器，濾波頻率為0～10MHz；支持上升沿、下降沿或者上升下降沿。圖3為頻率信號發生模塊示意框圖。

2.3 滑油溫度仿真模塊

滑油溫度仿真模塊設計制作阻抗板，線路中預設固定電阻加高精度的可調電位器，通過繼電器切換實現仿真電阻值的切換。

1）滑油溫度仿真模塊功能框圖設計

滑油溫度仿真模塊通過MCU接收RS232指令，經軟件解析指令，控制MCU對應16路IO口輸出，從而實現控制繼電器觸點動作，接通對應電阻檔位。用戶也可通過RS232發送查詢指令，通過MCU讀取對應IO口的狀態來實現對電阻中狀態值的讀取。

2）電阻匹配部分設計

測試臺需要3路滑油溫度仿真電阻，每1路需要5種電阻配置，因此每組提供5個雙刀單擲的繼電器進行電阻檔位的切換，將對應電阻值串在繼電器2個開關中。CH1～CH4采用1個固定電阻和1個高精度電位器串聯的方式實現對應電阻值的匹配。CH5通過接線端子接至適配箱前面板對應油溫的電位計，通過旋轉電位計實現油溫電阻值的手動調節。

3）微控制單元（MCU）設計

微控制單元選用ST的MCU STM32F103CBT6，該芯片為工業級MCU，工作溫度為-40℃～+85℃，滿足使用環境要求。STM32F103CBT6具有37路IO口，同時具有多個UART，可實現與外部1路RS422的通信。

2.4 離散量輸出模塊與離散量顯示模塊

離散量輸出模塊與離散量顯示模塊在方案中選用凱銳CHR44302。CHR44302是一款基于PCI總線的DIO功能模塊，支持24路隔離數字量輸入、24路隔離固態繼電器輸出。輸入電壓范圍為±60V，高電平門檻值為18V，低電平門檻值為1V。固態繼電器輸出最大負載電壓達250VDC，電流達250mA。

2.5 AC電源產生模塊

AC電源產生模塊選用朝陽電源4NIC-JT2BP91.7，該電源為定制AC電源，具有過流過壓過熱和短路保護，220V電壓輸入端具有濾波功能。

支持交流電壓AC仿真電壓仿真；固定值可設置，同時具備手動線性調節功能和程控調節；手動調節范圍VAC為95～125V，最大和最小值誤差為±2V，輸出功率0.75A；通過引出計量孔監測點來監測電壓值，程控調節在100V/400Hz、107V/400Hz、115V/400Hz、120V/400Hz之間快速切換，可通過微調旋鈕對電壓進行校準（當發現實際固定輸出電壓與需求有偏差時，能進行微調以達到需求電壓）；程控與手控通過開關切換。

支持交流電流AC仿真信號（0.96V / 400Hz、2.4V/400Hz、4.8V/400Hz、5.76V/400Hz）；固定值可設置，同時具備手動線性調節功能和程控調節；手動調節范圍IAC為0.1～6V，最大和最小值誤差為±1V，輸出電流0.75A；具備過壓過流保護功能，通過引出計量孔監測點來監測電壓值，程控調節在0.96V/400Hz、2.4V/400Hz、4.8V/400Hz、5.76V/400Hz之間快速切換，可通過微調旋鈕對電壓進行校準（能支持精度的微調，當發現實際固定輸出電壓與需求有偏差時，能進行微調以達到需求電壓）；程控與手控通過開關切換。

2.6 直流電壓產生模塊

直流電壓產生模塊選用凱銳的CHR42302和滬儀科技定制的模擬信號源，其中精度為0.01V的模擬量信號用凱銳CHR42302實現，精度為0.001V的模擬量信號用滬儀科技定制的模擬信號源實現。CHR42302是一款基于PCI總線設計的數據采集模塊，該模塊具有32路單端/16路差分模擬量輸出；模塊分辨率為16bit；最大輸出范圍為±10V，可定制輸出范圍為±15V或±30V；可在該基礎上額外定制輸出32V以上；系統精度可達0.03%FSR。

滬儀科技定制的模擬信號源設計為最大可輸出100mV，最多可設計為10路獨立的模擬信號輸出，精度可達1mV，可通過串口控制模擬電壓值的變化。

2.7 校正電阻控制模塊

校正電阻控制模塊選用多圈電位器實現。

2.8 工控機

工控機選用研華AIMB-701工控機主板，可支持IntelCore i7/i5/i3處理器，搭載H61芯片組；具有兩個內存插槽，最大支持16GB DDR3 1066/ 1333/1600MHz；支持VGA/DVI-D雙顯和雙GbE LAN；支持RS-232/422/485，帶有自動流控制；支持1個PXIe x16和5個PCI擴展槽；主板上CPU選用Core i7，速率可達3.4GHz；內存8GB；硬盤1T SSD。

2.9 ARINC429通信

ARINC429通信選用凱銳CHR32304。CHR32304是根據ARINC429數據總線通信協議研發的基于PCI總線的通信模塊，可完成4路發送4路接收；模塊波特率可設置為10K、12.5K、48K、50K、100K、150K；數據隨時可更新，發字間隔、消息間隔、發送消息的預訂數量和發出數據量可設置；可接收添加時標、接收標號過濾和中斷接收；可設置接收使能、發送和接收的FIFO復位功能；發送FIFO有511×32BIT，接收FIFO有（1M-1）×32BIT。圖4為429通信示意框圖。

2.10 RS422/232通信

RS422通信與RS232通信共用一塊通信板卡，選用凱銳的CHR34303。CHR34303是一款基于PCI總線的串口通信模塊，該模塊為8路 RS232/422/485智能通信模塊，每路接收FIFO為4Mbyte，發送FIFO為（8K-1）Byte；模塊波特率可自行編程設定，最高可達2Mbps，傳輸速率快；RS232波特率2400-115.2kbps，RS422/485波特率2400-2Mbps；停止位、校驗位均可編程設置；模塊可編程設定RS232/422/485接口方式；支持8路虛擬串口功能。圖5為422通信與232通信示意框圖。

3 系統軟件設計

軟件是整個測試系統的核心和靈魂，測試軟件的設計風格應統一，功能單元采用模塊化設計，使軟件單元具有良好的可復用性，被測產品的檢測需全部通過軟件實現，因此軟件開發是該測試系統研制的重要工作內容。針對所需的測試任務，選擇合適的程序設計方法將有利于簡化軟件開發過程，縮短開發周期，同時便于其進一步升級改造和維護[10]。

3.1 軟件開發及運行環境

操作系統：Windows系統；編程語言：Python、C++；儀器驅動采用廠商提供的驅動。

3.2 軟件架構

測試設備軟件基于智能測試平臺進行開發。該平臺是基于Tornado開發的B/S架構軟件平臺，具備測試項編輯、測試任務管理、調試頁面管理等基本功能，可針對項目進行定制化的測試任務、調試頁面開發。

引入驅動中間件架構，通過驅動中間件實現服務器端獲取的測試需求與硬件資源調配間的映射。

圖6為軟件測試流程圖。

3.3 軟件組成

平臺具備用戶管理、測試任務管理、調試頁面管理、歷程參數讀寫等功能。支持口令登入驗證功能，支持測試過程自動化，并能夠記錄整個測試數據，完成數據自動化分析，具備歷程參數讀取和編輯等功能。

測試軟件基于該平臺進行二次開發，在平臺上進行測試用例的編輯，并由測試任務、調試頁面對其進行調用。測試軟件包組成如表1所示。

1）驅動中間件

驅動中間件控制所有板卡資源，通過接收上層主控設備下發的指令，進行解析后，按照指令要求控制板卡的收發，并將接收到的數據進行封裝，上傳給主控設備。

驅動中間件將所有板卡的初始化、發送、接收等API接口進行二次封裝。平臺通過中間件實現對硬件資源的調配。包含總線有：ARINC429驅動；串口總線驅動；模擬量驅動；離散量驅動。

2）測試用例軟件

測試用例軟件包是所有測試任務與調試功能中調用的最小可執行單元的集合。每個測試用例實現一條測試需求，且可被不同的測試任務、調試頁面調用。

測試用例清單如表2所示，并將根據實際需求不斷擴充。

3）自檢測功能

自檢測功能測試用例中，平臺經由中間件，先通過指定總線向被測產品下發自檢測命令，然后通過指定總線接收產品自檢返回值。平臺對比返回值與產品通信規約得出自檢測結果。當中間件接收的產品自檢返回值與通信規約自檢正確返回值一致時，判定合格。

4）測試任務軟件

測試任務是測試用例的集合，按驗收測試需求排列，具備執行測試、循環測試的功能，可在測試過程中暫停測試，可在測試結束后自行匯總測試結果并提供導出結果。該軟件可在驗收測試流程中使用。

5）調試頁面軟件

調試任務軟件是測試用例的集合，按日常調試需求組成。在開發調試頁面的過程中，將測試用例作為事件與調試頁面面板上的控件進行綁定。最終在B/ S架構中實現可在瀏覽器端使用的、近似仿真軟件可執行程序的頁面[10]。該軟件可在日常調試時使用。

用戶通過調試頁面上的控件可以執行對產品的既定調試邏輯，產品給出的返回值會在調試頁面的控件或控制臺展示，形成從調試頁面UI、測試用例、驅動中間件、硬件資源到被測產品的完整鏈路。

4 系統測試驗證

按工廠某型發動機參數顯示系統產品修理工藝文件，實現了發動機參數顯示系統的性能測試與故障診斷，可將故障定位到SRU級。SRU之間的基本關聯有串聯、分支、合并、反饋等，可根據產品的組成結構原理，結合測試結果進行分析判斷。

通過檢查各性能參數，系統判定是否合格，確定產品是否故障，若超出誤差范圍，系統提示不合格并高亮標紅。通過檢測多件發動機參數顯示系統，并結合機上通電檢查情況，可確定產品工作狀態。表3為使用測試與故障診斷系統對6件發動機參數顯示系統的測試結果，其中5件為合格，1件為不合格。對不合格產品內部硬件進行檢查，確定了故障部位，通過調整內部的電阻值排除了故障。

5 結束語

本文重點闡述了某型發動機參數顯示器測試與故障診斷系統的總體架構、系統硬件和軟件的設計方案，經詳細設計和研制生產，產品獲得了成功，經使用驗證，各項性能均滿足測試需求。該測試系統已在修理工廠投入使用，工作穩定、性能良好，通過了鑒定，可保障某型發動機參數顯示系統的性能檢測、故障定位，滿足直升機修理需求。后續可在該系統的基礎上，利用其硬件資源，研制適配器、開發測試軟件，以滿足更多發動機參數顯示系統的測試需求。

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