發動機進氣道監測系統設計和實現

張亞維，史強強，張 樂

(1.西安航空職業技術學院 航空維修工程學院，陜西 西安 710089；2.西安遠方航空技術發展有限公司，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參數信號，評價進氣道畸變對發動機工作穩定性的影響來判斷。近年來，在試驗試飛領域，為了充分驗證國產發動機的性能，進氣道與發動機相容性的試飛測試科目越來越受到發動機研制廠家與試飛工程師們的重點關注[1-4]。

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

針對發動機進氣道監測中眾多的傳感器參數，通過多功能板卡系統級設計，使綜合監測系統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，通過分時復用的并行傳輸總線實現了多級聯板卡數據的交互。采用同步插入的串行數據流實現遙測數據實時監測傳輸，采用關聯算法解算實現在線診斷功能并以RS422接口實現數據監測與座艙預警顯示，采用以太網高速接口實現數據的100%記錄與上位機通信。經過多架次飛行試驗獲取了大量有效的測試數據[14-15]。

1 進氣道監測系統工作原理

機載發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壓/總壓壓力信號、總/靜壓差信號、動態壓力信號、進口總溫信號等。監測系統需要對所有的傳感器輸出信號完成調理、采集、編碼，并將授時系統的時基信號解調后，對所有數據包進行時間戳標記。數據處理系統具備二次算法開發功能，可在線對數據進行計算處理，便于遠程監測。

進氣道監測系統輸出數據形式分為3種類型：① PCM串行碼流形式，用于機載記錄系統進行100%記錄存儲，完成事后處理、分析；② RS422串行輸出形式，實現用戶編程參數挑選，以串行總線輸出至遙測系統和座艙預警顯示系統，供實時監測與告警；③ 以太網總線形式，實現與上位機交互管理。進氣道監測系統框圖如圖1所示。

圖1 進氣道監測系統框圖

監測系統測試傳感器共分為32路穩態壓力、32路壓差壓力、12路總溫和8路動態壓力(轉換后為8路動態、8路總壓)，合計實現92路測試數據的綜合處理。數據處理系統按照不同采樣率對其功能板卡進行總線數據交互，時間戳標記所有數據的采樣時刻。主控單元支持FFT(快速傅里葉變換)和浮點數運算，可將海量數據進行緩存后完成實時解算，實時告警算法將關鍵參數輸出至地面監控和座艙預警顯示系統。進氣道監測系統工作原理框圖如圖2所示。

圖2 進氣道監測系統工作原理框圖

由圖2可知，設計中共采用4類測量傳感器和9塊功能板卡組合成一臺進氣道監測系統，實現信號受感、采集、控制、計算、接口、預警等功能。采集板卡通過多級聯并行底板總線實現高速數據、電源傳輸交互。

進氣道監測系統上位機軟件通過以太網總線與硬件系統互聯，對系統進行板卡信息顯示(板卡類型、板卡地址、板卡序列號)、配置校驗功能(PCM格式設置、RS422格式配置、參數挑選、配置加載)、實時信息顯示(碼值、物理量)。通過機載遙測設備將數據傳輸至地面監控大廳，地面監控軟件實時顯示當前的飛行試驗數據狀態、曲線、數據解算等信息。

設計的在線監測系統適合于信號種類多、實時性要求高、在線算法嵌入的應用場景，滿足各類型專用監測系統設計需要。采用高性能FPGA核心控制單元，可提高數據在線運算能力，對數據實時監測、降低有限的遙測數據鏈路帶寬具有重大意義。

2 系統方案設計

根據整體系統設計可知，將進氣道監測系統按照功能主要分為3個部分：機上傳感器受感、數據處理系統、終端顯控設備，終端顯控設備中遙測記錄、地面監測設備為現有設備。

2.1 傳感器選取

根據進氣道測量中被測信號的類型，可將傳感器分4類：① 穩態壓力傳感器，測量總壓、穩壓緩變信號，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，轉換為大電壓信號輸出；③ 動態壓力傳感器，采用惠斯通全橋設計，由數據處理系統提供恒壓源激勵，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 數據處理系統設計

數據處理系統采用多板卡級聯設計，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、數據轉換電路模塊、子板處理器模塊、電壓轉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置的采樣率實時對采集數據進行同一時刻鎖存，底板總線通過地址匹配、輪訓、校驗方式依次循環讀取所有鎖存的數據，保證數據采集的時效性、關聯性。

中央控制板為整個系統的核心部分，實現整體系統的邏輯控制、功能調度、數據整合、軟件配置管理；由8個模塊組成：高速底板總線、以太網、PCM編碼、數據實時處理、RS422編碼、時間解析單元、電壓轉換、處理器內核及其外圍模塊；外部掛載DDR3提高大容量數據緩存要求，Flash存儲器為中央處理器存儲程序代碼與系統管理文件，高精度溫補晶振為處理器內核提供時鐘源。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

監測系統設計中主要的核心技術有以下3種。

(1)多板卡級聯并行總線設計。

作為多個子板卡組成的數據監測系統，各板卡間如何實現統一、協調工作，是系統實現數據實時采集處理的核心。中央控制板是監測系統的控制核心板卡，是整個數據交互的管理中心，通過并行總線實現與各個子板卡的通信。

總線通信協議通過優化PCI總線功能，精簡控制信號，提升總線通信效率。優化后的總線通信協議內容主要為板類型與串號掃描、采集板寫地址、采集板數據讀取、采集板寄存器寫操作。

底板互聯總線包含16位地址線、16位數據線(收發復用)、4位功能選擇線和2位控制線，最多可實現對16塊功能板卡的數據訪問，最多可以訪問每個板卡上的65536個寄存器，總線數據在40 MHz頻率下工作，并行數據帶寬可達640 Mbit/s。

主從總線設計架構中，發起方和響應方進行交互任務需要實現以下3種總線訪問的支持：

① 處理器直接訪問底板總線，用于狀態管理和板卡功能配置。

② 根據時間片的全自動底板總線訪問，實現自動化數據采集、數據實時提取。

③ 總線地址循環匹配，同一時刻對當前地址板卡進行透明訪問。

(2)差異化采樣率下同步采樣設計。

機載數據測試中關鍵指標需要實現所有采集通道數據在時間軸上的相關性，這對于后期數據關聯分析處理意義重大，同步精度往往要求在1 μs以內。設計采用3個關鍵點來實現高精度同步采集功能：

① 總線中統一的同步采集脈沖時鐘。

② 總線中統一的同步時鐘信號。

③ 統一的IRIG-B時標單元和時間實時控制(RTC)模塊。

實際應用中不同的采集通道會存在差異化的采樣頻率，例如穩態壓力、總溫等慢變信號采樣率為32 Hz，壓差壓力采樣率為256 Hz，而動態壓力快變信號采樣率為2 kHz。為確保所有數據具備時間軸上的一致同步性，結合PCM同步采樣的特性，使用晶振40 MHz時鐘產生同步PCM位時鐘，再由該位時鐘產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，根據同步時鐘產生ADC轉換開啟脈沖信號，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)實時在線數據解算處理設計。

隨著試飛科目增多，數據總量呈指數增長，事后數據處理工作繁重，且受制于遙測帶寬限制，僅部分核心數據可實現監測，存在一定的監控盲區。將數據實時處理移至機上設備成為設備智能化的發展趨勢，可有效減少繁重的事后數據處理工作，利于減小遙測數據帶寬。通過數據融合處理將海量數據轉換為關鍵參數遙測至地面監測，可降低試驗風險，提高工作效率。

數據流的提取是由AXI-DMA模塊將PCM原始數據轉換成高速的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%的數據。雙核ARM處理器中，CPU1根據計算需求提取數據形成緩沖數組，并按要求進行預處理，在經過濾、加窗處理等操作后，將原始數據送入CPU0進行軟件解算或者硬件FFT協處理器進行硬件解算。算法計算數據流獲取傳輸如圖5所示。

圖5 算法計算數據流獲取傳輸圖

用戶的算法復雜度不高的問題可直接通過ARM-Linux操作系統軟件計算方式解決，在CPU0中完成計算輸出，雙核處理器分別完成獨立任務。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的用戶二次開發特性。

針對不同的試飛科目，參與計算的參數需及時調整，采用的數據處理算法也不盡相同。在常規的數據處理過程中，系統植入了成熟可靠的算法程序，方便用戶二次開發時直接調用。

目前系統中主要嵌入了預濾波算法、幅值超限、加權平均、FFT等成熟算法，為被監測系統的實時狀態監控提供便利。用戶可通過關聯參數分析各通道數據的頻率特性關系等，對飛行中進氣道狀態進行預判，通過累積FFT算法輸出低采樣預警信號進行實時監測。

通過在線關聯性參數解算算法，對多路不同傳感器參數完成融合，實時遙測鏈路輸出最終計算結果并直接用于監控，無須二次處理，這樣可將本監視系統的數據傳輸帶寬降低80%以上。解算后的數據可以反映進氣道飛行狀態。

3 實驗驗證

發動機進氣道監測系統分為傳感器和數據處理系統兩個部分。傳感器部分通過選擇合適量度的成熟產品進行進氣道耙的定制安裝。在實驗室對整個監測系統接口功能精度等完成標定測試，驗證系統是否達到裝機要求。

搭建的地面進氣道監測系統測試平臺如圖6所示。

圖6 實驗室搭建系統測試平臺

上位機計算機與系統接口為以太網，通過上位機軟件可直接讀取監測系統輸出的實時數據和配置信息。

進氣道監測系統地面實時監測上位機軟件界面如圖7所示。

圖7 地面實時監測上位機軟件界面

實驗包含以下內容。

(1)穩態、壓差壓力精度測試。

穩態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(穩態壓力)、7 MPa(壓差壓力)輸入，對應輸出5 V電壓值進行測試，測試結果抽選6個通道(數據處理增益為1.8倍)，結果如表1所示。

表1 穩態、壓差壓力精度測試數據表

結果表明，穩態、壓差壓力采用標準源測試輸出為電壓信號，數據處理內部放大1.8倍固定增益，降低A/D轉換器LSB，經過監測系統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據處理系統溫度采集板連接，測量的溫度范圍為-60～250 ℃。將溫度受感器放在可控溫度箱中，通過監測系統采集溫度信號進行測試，結果如表2所示。

表2 進氣總溫精度測試數據表

測試數據結果表明，監測系統輸出轉換后的溫度誤差均在±2 ℃之內，溫度測量結果良好，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)動態壓力采集和橋壓輸出精度測試。

動態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定壓力源，選取壓力信號7 MPa最大點時信號處理系統轉換為直流電壓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 穩態、壓差壓力精度測試數據表

測試結果表明，動態壓力信號為快變信號，且輸出包含交直流混合微小信號，經過內部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。測試結果良好，測量誤差小。

綜上所述，所設計的進氣道監測系統設計方法合理可行，多級聯并行總線數據交互方式穩定可靠，傳輸機制保證了數據高精度同步采樣。

本系統傳感器采用成熟產品，數據處理系統在底層開發、器件選型、結構、架構方面均完全自主開發，設計簡單,成本低廉，目前已在飛行試驗測試領域應用。經過多架次裝機試飛證明，該系統能夠實時將飛行狀態數據通過監測系統進行在線處理、實時監控，具有有效性與實用性。

4 結束語

針對發動機進氣道監測系統，使用可擴展的多功能板卡架構實現多類型傳感器接口，使用定制化并聯總線實現高精度時間同步采集，使用差異化采樣率實現不同節拍信號關聯采集。中央嵌入式控制系統建立在線數據二次開發平臺，開辟高速專用內核完成在線數據解算，有效降低數據傳輸帶寬，實現地面實時監測與機上預警顯示功能。采用輪詢方式并行總線等技術解決多板卡間數據高速交互的難點，有利于提高系統集成度，實現設備小型化輕量化設計，為各類機載多通道信號監測系統提供有效的解決思路。由于本設計中監測系統無本地數據存儲功能，在后端鏈路存在故障時，存在數據丟失的風險。在下一步應用設計中，將增加存儲功能，完善數據算法監控能力，提升系統智能化，并應用于各類傳感器監測系統、實時測量等場景。