PXI總線技術在航空發動機試驗中的應用與思考

黃 成 孫景波 徐振瀚

（1.中國航發上海商用航空發動機制造有限責任公司，上海201306；2.阿米檢測技術有限公司，蘇州215000；3.江西昌河航空工業有限公司，景德鎮333000）

1 引言

航空發動機的型號性能試驗數據是反應發動機優劣的主要指標，其測試數據的準確性直接關系到對研制結果的評價和進一步的設計方案，如圖1所示。隨著航空測試技術的快速發展，系統化、集成化，傳感器密集布點運用日趨成為主要的試驗測試模式。航空發動機試驗是一門綜合學科，涉及溫度、壓力、轉速、流量、應變、振動、角度、位移等多個專業。綜合傳感器模擬參數校準在航空發動機現場試驗過程中又稱之為末端計量，評價航空發動機主要的性能數據最終全部由數采系統和傳感器轉換成電壓、電流、電阻、頻率、相位五種基本電學常量進行換算和分析。因此，綜合模擬電參數計量測試結果的準確性，直接影響著發動機性能試驗最終結果。

圖1 航空發動機型號性能試驗的概念圖Fig.1 Concept of aero-engine model performance test

時效性要求高、參數類別雜、校準數量龐大、突發性強是航空發動機現場綜合模擬參數校準需求的典型特點。傳統校準保障模式以專業劃分人力和設備資源配置，單參數校準手段為主，低校準效率不僅無法保證現場試驗高周轉時效性的要求，同時面臨綜合參數校準需求時，存在著多專業人力和設備資源沖突的問題。表1 為某個常規中小型型號試驗所需要的校準資源和時間成本，對于設備、人力以及科研時間都是極大的損耗。當務之急，無論從校準方案或是校準裝置都必須有所突破，實現自動化、多路高效、低成本、綜合性參數校準技術平臺是本文思考的重點。

表1 某型號發動機研制試驗現場校準進度要求和資源需求Tab.1 Calibration schedule requirements and resource requirements for a certain type of engine development and test site

2 PXI總線技術的應用思考

PXI 是PCI總線在儀器領域的擴展，是一種用于測量和自動化系統領域的基于PC 的模塊化儀器平臺。PXI 不僅繼承PCI總線堅固、模塊化、可靠性好、環境適應性強、傳輸效率高等特征，并且具備極強的擴展性，如圖2所示，非常適合綜合參數的自動化工業測試。PXI總線技術是1997年由美國NI公司推出的一種開放的工業標準總線，經過30 多年的發展，已形成集協議、硬件與語言為一體的完善的工業體系，使仿真技術滲透到儀器各個領域。除去做全產品領域的NI 和JYTEK 之外，許多子領域的PXI總線產品也發展迅猛，如精通于標準傳感器信號仿真的Pickering， 精通半導體領域的Chroma，擅長RF 領域的Keysight 等。

圖2 PXI總線技術的優點Fig.2 Advantages of PXI bus technology

前文提到，現場綜合模擬參數的校準最終轉換為五大電學常量進行運算和分析，與虛擬儀器的特點極其類似，可充分利用PXI 技術平臺的優勢，彌補傳統計量裝置和技術的不足。

2.1 優秀的帶寬和低延遲性能

帶寬和延遲是影響數據傳輸同步和保真的重要指標，如圖3所示，大多數儀器所青睞的GPIB 總線是六十年代末期問世的技術，它的帶寬僅1M 左右，在大數據處理時易發生數據丟包和失真的風險。最新的USB4，即雷電串行總線，它以PCIe3.0x4 的速度與PCIe 設備連接，可以達到3.9GB/s 的速度。PXIe Gen3x8 的機箱問世后，它的理論帶寬可以達到7.8GB/s，為試驗現場大數據采集與校準，提供高性能的測量系統。

圖3 常用測量總線的帶寬和延遲Fig.3 Commonly measured bus bandwidth and latency

2.2 便利高效的程序編譯平臺

PXI總線技術統一了高速率的通訊協議，避免了多類計量標準接口協議（GPIB、RS232、RJ484 等）不一致，造成無法統一形成自動化校準平臺的尷尬。NI 公司經過多年的發展，已形成完善的基于Labview 軟件平臺的編程服務體系，幾乎每一類板卡都能夠下載到現成的軟件封裝包。意味著工程師只要具備基本的測控邏輯架構思路，就能夠快速地完成一套自動化測試程序，而無需軟件開發人員基本的代碼編譯技能。

2.3 多功能模塊便攜化的技術特征

PXI總線插槽理論上可以無限制的擴展，模塊化的組裝設計使用戶根據校準需求實現隨意定制各類綜合參數的校準平臺。隨著技術的發展，無論PXI 工控平臺或是PXI 虛擬板卡都設計得非常輕便，一張虛擬板卡甚至不足300g，參數類型靈活及便攜化的特征非常適用于試驗現場綜合參數的校準，如圖4所示。

圖4 PCI、PCIe 插槽（至上而下PCIe x4、x16、x1、x16、PCI）Fig.4 PCI，PCIe slots（top to bottom PCIe X4，X16，X1，X16，PCI）

2.4 多路高效的測試能力

多路通道的仿真測試能力是PXI總線技術的典型特點。優勢在于實現傳統計量標準儀器無法達到的數倍乃至數十倍仿真測試速度的提升。再結合平臺本身的自動化測試程序，理論上可實現極少的人員，通過1 套校準平臺，解決許多科研現場綜合模擬參數校準的效率瓶頸。

近年來，部分研究機構在利用PXI總線技術開發校準方案上也做出了一些嘗試。如設計PXI 仿真校準平臺用于振動參數、沖擊參數和環境參數的校準。自主研發了基于PXI總線技術的工控平臺，用于高效完成型號計量電參數的測試，取得了不錯的效果，如圖5所示。為型號試驗現場綜合模擬參數自動化校準仿真平臺的研究與應用提供了一定的借鑒意義。

圖5 部分研究機構開發的基于PXI總線技術的校準平臺Fig.5 Shows the PXIbus-based calibration platform developed by the research institution

3 開發思路

本系統擬充分利用總線板卡進行各類型信號的多路仿真及采集，結合自動化測試軟件，由計算機自動控制整個校準流程的信號的仿真和測試，并自動生成校準記錄。研究一套平臺實現航空發動機研制試驗現場大部分綜合模擬參數的校準與標定，形成自動化、便攜、高效的服務保障能力。

3.1 總體設計方案

校準平臺主要由硬件平臺和軟件平臺兩大部分組成，其中硬件平臺是構成測試系統的基礎，軟件平臺是構成測試系統的核心，如圖6所示。在硬件平臺中，精密穩壓模塊主要進一步提升工控機輸入電壓精度和穩定性，以實現參數分量高精度調理的前端輸入校正；信號調理器主要是完成對前端傳感器采集的模擬信號進行放大、隔離、濾波、并使其線性化；校準板卡主要是完成對信號的仿真、采集，完成A/D 轉換；數據處理器主要完成數據的高速分析、實時儲存及網絡發布。自動校準平臺采用SC Express 模塊來完成對綜合模擬信號的調理與采集。SC Express 模塊是搭建在工業標準的PXI 平臺上，專門針對特定的模擬參數類型進行優化設計，集數據采集與信號調理功能于一體的模塊。不僅縮小了測試系統體積尺寸，而且使系統更加精確、可靠。

圖6 自動校準平臺的整體結構思路Fig.6 Overall structure of the automatic calibration platform

在軟件平臺中，運行環境主要是指系統運行的操作系統，應采用兼容windows7 以上操作系統；開發軟件是指軟件系統設計的編程環境，PXI總線基本可兼容所有高級語言編寫程序；驅動程序用于驅動仿真與采集設備，并提供標準的驅動編程接口；專用軟件是指輔助校準項目完成的自動化控制程序以及數據追溯和處理程序，專用軟件的使用往往可使項目開展效率提高數倍，大大降低作業時間和人員工作強度。

工控機經調理后輸出的12V 直流電壓是板卡仿真或測試的基礎信號。輸入電壓的精度、噪聲（如圖7所示）和紋波（如圖8所示）會干擾外設模塊，從而影響整體的測量精度。PXI 硬件標準對工控機電源系統有嚴格的規定，但局限于工業測試。校準平臺作為最上游的溯源標準，對信號準確性要求往往數倍于工業標準，所以在設計上仍然考慮在工控機電壓輸出端再集成個電源板卡，最大可能來保證測試系統能達到外設板卡固有的技術指標。

圖7 噪聲Fig.7 Noise

圖8 紋波Fig.8 Ripple

3.2 校準平臺的結構設計思路

校準平臺的結構設計有幾個典型需求，一是重量輕、便攜性強；二是模塊化設計，可靈活自定義裝卸功能模塊；三是集校準操作、數據處理、記錄于一體，具備良好的人機交互界面。

一體式PXIe 機箱是本文自動校準平臺的構建思路，以PXI總線為基礎，用于植入各類PXIe 采集模塊與PXI 仿真模塊，根據PXIe 采集模塊和PXI 仿真模塊的性能和功用的不同，實現不同模塊的測試校準功能。用戶可自主根據功能校準需求和維保溯源需求靈活拆裝板卡模塊，如圖9所示，具備集校準操作、數據處理、記錄于一體的人機交互界面，如圖10所示。

圖9 模塊化功能拆裝概念圖Fig.9 Concept diagram of modular function disassembly

圖10 設有人機交互界面的顯示概念圖Fig.10 Display concept diagram of human-computer interaction interface

3.3 校準平臺校準功能的開發思路

自動校準平臺是基于計算機分布式網絡結構建立的仿真和采集系統，硬件和軟件都是基于模塊化的思路構建，整個平臺由配套設備、PXI總線仿真模塊、PXI總線測量模塊組成。其中，PXI總線測試仿真平臺是控制計算機中運行測控軟件，通過通信接口及測試電纜，控制板卡、配套設備及用戶設備執行相應的測試流程，接收測控計算機的指令，完成各項仿真及測量功能。圖11 以航空發動機試驗現場最主要的數采系統、傳感器以及綜合試驗器校準需求為例，描述校準功能的設計思路。

圖11 數采系統校準設計范例Fig.11 Calibration design example of digital acquisition system

4 綜合校準平臺軟件功能的設計研究

軟件是設計的重要組成部分，采用軟件工程的管理理念，以標準化、通用化的設計手段，使綜合測試儀軟件架構做到靈活性、自適應性和開放性，模塊的可擴充和可更新，能在較長時期內適應行業的發展變化，能與其它系統連接使用或便于二次開發，能夠接收和處理不同形式的數據交換格式，具有一定的繼承性、復用性和可擴展性；軟件采用模塊化結構，并且各個模塊之間相對獨立、低耦合，每個模塊可單獨進行設計、制造、調試、修改和存儲，便于由不同的設計人員進行獨立開發；軟件設計時須對用戶進行訪問控制，以增強系統的保密性和安全性。所以軟件不僅需要自動化控制和采集能力，同時需具備強大的數據管理和記錄編譯功能，如圖12所示。軟件開發最關鍵的要求有四點：

圖12 軟件功能設計邏輯圖Fig.12 Logic diagram of software function design

（1）軟件平臺兼容如labview、C＃等各種高級語言的編制，協議適應性強。

（2）系統自帶數據庫，可靈活運用搜索條件查詢歷史校準記錄。

（3）系統具備自動數據處理和記錄編制功能，系統需采用動態的記錄形成設計，使用者可隨意要求將界面信息、導入的數據或系統自采集數據導入預設模版，可靈活設置行、列、格。當使用者記錄版本的變更時不會導致設計返工。

（4）對每個校準功能模塊，系統需具備自動化校準程序，校準程序須滿足用戶使用的便捷性和自主性要求，數據采集過程及數據處理須滿足計量技術規范或用戶要求。

5 結束語

綜上研究，基于PXI總線校準技術的運用具備自動化、多路高效、便攜性、功能模塊化、低成本等一系列優點，是科研試驗過程中值得推廣的快捷保障校準模式，具體表現在以下四個方面：

（1）基于PXI總線技術模擬的校準平臺可滿足溫度、壓力、電壓、電流、電阻、應變、頻率、振動、流量、轉速等多類傳感器綜合模擬參數的校準需求，功能強大。模塊化的結構特點，可根據研制試驗現場參數校準類別靈活定制平臺的校準范圍，可應對試驗現場各類突發的綜合參數校準需求。

（2）便攜性、功能集成化是該校準平臺設計的典型特點，在面對試驗現場緊急的綜合參數校準需求時，一套平臺和一組人力可迅速趕赴現場，無需多個專業協調調度大量的人力和設備。極大降低科研資金的損耗，提高了科研保障效率。

（3）基于PXI總線的校準平臺源于自動化編程設計，同時具備多路信號仿真和測量能力，比傳統設備手動校準模式效率提高數倍，極大提高了科研保障的時效性，同時大幅度降低因輸出不足產生的高額計量成本。

（4）PXI 多路標準信號仿真模塊化能力具備集成進入試驗現場測試通道成為標定單元的條件。結合無線通信技術的運用，我們有機會實現只需要一個命令，在數十分鐘內就可完成一次型號試驗所有的測試通道的檢查、標定和驗證，在線校準技術必定是未來航空發動機集成測試模式保障的趨勢。