飛機發動機在高溫、高壓、高轉速和高負荷等極為苛刻的條件下工作，為了保證飛機的飛行安全和作戰、訓練任務的完成，必須保證發動機及其系統的工作可靠性，所以在飛行出動前、日常維護、定檢等工作中必須對發動機的各狀態參數進行檢測。這種檢測具有測量參量多、量程范圍廣、系統復雜、通道眾多、現場環境惡劣等特點[1-2]。目前檢測發動機狀態的設備，一般體積、重量大，集成度低，導致機動性和靈活性較差，不能很好地滿足現代作戰對發動機測試的要求，且給地勤人員增加了飛機的維護保障難度，影響了飛機的保障效率。因此，研制一套功能齊全、智能化、集成度高，使用、攜帶方便的發動機狀態原位監測設備尤為迫切。

1 系統總體設計
1.1 檢測參數
    測試參數種類包括溫度、壓力和轉速。其中，溫度包括大氣溫度、各截面總溫、燃氣溫度等；壓力包括發動機副油道壓力、空氣壓力等；轉速包括高壓轉子轉速和低壓轉子轉速[3]。
1.2 總體方案
    發動機狀態檢測設備總體構成如圖1所示，由適配器、信號采集處理模塊、嵌入式測試平臺組成。圖中，機載傳感器測量被測對象發動機的各種物理量(溫度、壓力、轉速等)，并將其轉換成電信號。適配器將輸入的電信號通過處理轉化為標準電信號送給嵌入式測試平臺，測試平臺對輸入信號進行相關運算和處理后、通過液晶屏顯示最終的測試結果，并實時保存測試數據，為地勤人員進一步對發動機進行故障分析與診斷。

2 硬件設計
2.1嵌入式平臺開發
    嵌入式平臺是系統的智能指揮中心，根據檢測設備總體設計要求，所設計的嵌入式平臺結構如圖2所示，它由最小系統和各種外圍擴展電路接口組成。嵌入式平臺采用分層結構設計，頂層為最小核心系統層，底層為外圍擴展模塊層。

    最小系統層由處理器(S3C2410)、64 MB Nand Flash、兩片64 MB SDRAM、網口芯片CS8900、Multi-ICE調試接口和復位模塊組成。底層由LCD模塊、SD卡模塊和電源模塊等組成。
    最小系統由嵌入式實時操作系統Windows CE進行系統管理和運行應用程序，采用Flash存儲器來存儲操作系統代碼。由于Flash的讀寫速度相對較慢，因此不直接用Flash運行操作系統和應用程序,而是選擇兩片64 MB SDRAM作為閃存。系統加電時，地址指針首先指到Flash的第一個地址，執行Boot Loader進行系統初始化，將操作系統本身拷貝解壓到SDRAM中，讓整個操作系統在SDRAM里執行，使系統達到最佳的速度。SD卡保存每次測試的結果,建立數據庫，提供大容量的存儲空間[4]。LCD接口為嵌入式處理器提供自由、強大的用戶輸入輸出接口。為滿足狀態檢測與故障診斷系統軟件開發的需要，設計了必要的擴展按鈕、工作狀態指示燈和4×1鍵盤接口等。電源管理模塊提供5 V、3.3 V和1.8 V三種電源。時鐘模塊由12 MHz的系統時鐘和32.768 kHz的實時時鐘組成。Multi-ICE接口用于S3C2410的在線調試。
2.2 發動機信號采集處理模塊設計
    該模塊完成傳感器輸出信號的采集和數據處理工作，其結構如圖3所示。嵌入式平臺通過數據總線讀取該模塊的數據，計算出實時的測量值，同時利用軟件繪制出發動機各個參數的試車曲線,記錄并保存測試數據。

2.2.1 FPGA設計與配置
    現場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)器件選用基于SRAM的內部結構的FPGA芯片XC2S100E[5]。設計過程中將XC2S100E工作于主動串行模式。FPGA的程序存放在外部PROM XC18V01中，這些程序可以通過加電自動加載到FPGA中或通過命令加載。在主動串行模式下，系統加電時產生一個驅動XC18V01的時鐘信號，通過這個時鐘脈沖，XC18V01中的數據通過XC2S100E送到FPGA。FPGA與配置芯片的連接關系如圖4所示。

2.2.2 轉速測量模塊的設計
    采用嵌入式單片機和FPGA相結合對轉速測量模塊進行設計，通過對轉速信號的采集、運算和分析實現對發動機運行狀態的在線監測。某型發動機四路轉速信號經機載傳感器轉化為四路頻率信號，該頻率信號經74LV04反向驅動后，送入FPGA的I/O口采集計數，然后嵌入式單片機通過數據總線讀取FPGA的計數值，并通過軟件計算出最終的轉速值。所設計的電路如圖4所示。圖中，FPGA實現時間門限的開通、關閉及計數，然后將計數值送入嵌入式軟件平臺，實時計算出發動機的轉速值。20 MHz晶振時鐘電路為FPGA提供外部標準時鐘信號。LED1～LED4為狀態指示燈。根據指標要求，頻率的分辨率等于1 Hz，因此程序中把對頻率的計數門限時間設為1 s，門限時間的設置以外部的參考晶振為基準，通過計數器實現。
2.2.3 溫度與壓力測量模塊的設計
    溫度傳感器將溫度信號轉化為相應的電信號，經專用適配器將其轉化為0~＋5 V的模擬量。16路模擬信號經多路開關后送入調整電路，再經A/D轉換器轉換為數字量，最后利用FPGA采集處理后通過數據總線來讀取FPGA運算值，并通過軟件做較簡單的計算得出最終的測量結果，測量的結果可以保存在SD卡存儲器中。
    測量電路組成如圖5所示。由通道選擇電路、信號調整電路和A/D轉換電路三部分組成。A/D轉換后將采集到的數據量輸入到FPGA里。
    (1)通道選擇電路：采用1片16路多路開關MAX396完成對多路模擬信號的輸入選擇,其地址位A0A1A2A3決定輸入信號對應的輸出通道號，EN使能端控制是否處于工作狀態。A0A1A2A3和EN均可通過FPGA編程來實現；(2)信號調整電路：以美國ADI公司的運算放大器AD8605為核心進行設計；(3)A/D轉換電路:選用4通道、12位的模數轉換器件MAX1282, 采樣頻率為400 kHz。
    為提高系統的穩定性和精度，設計中采用數字濾波方法，將輸入信號經過低通濾波器處理，可有效地消除輸入信號中的高頻噪聲信號[6]。
3 測試系統軟件設計
    測試系統軟件設計包括Windows CE的移植、驅動程序開發和應用程序設計[7]。
3.1 Windows CE系統移植
    Windows CE操作系統從體系結構上具有分層結構和微內核結構的特點，可以被裁減和重新配置，具有很強的擴展性。使用該系統提供的集成開發環境PB(Platform Builder),開發人員可根據它的提示完成操作系統鏡像的定制、編譯與調試工作，并可在此環境中進行應用軟件和驅動程序的開發。
　平臺定制過程如下[8]： (1)選擇操作系統的基本配置，并且為特定的平臺選擇相應的微處理器和平臺支持包BSP。本平臺選用三星公司的ARM9 S3C2410作為核心處理器,在PB的BSP列表中,選擇SAMSUNG SMDK2410:ARMV4I作為開發板支持包。(2)制定平臺。首先完成開發設備驅動，適當地裁減、添加組件，對某些配置文件進行修改；然后封裝所需要的功能模塊，編譯生成OS鏡像文件。設計中，設備要為自己定制目標設備，則需開發Boot Loader和驅動程序；最后把鏡像文件下載到目標設備，進行調試，直到滿足要求后，才完成平臺的創建。完成以上工作后,導出相應的SDK(Software Development Kit)軟件開發工具包，運行后加到EVC中，可在特定的硬件平臺上進行應用程序開發。SDK包含程序庫、頭文件、示例程序源代碼和庫函數使用文檔，同時還包括編程指導和API參與設備驅動工具包(DDK)。(3)通過JTAG仿真器將Windows CE映象文件下載到Flash存儲器中，然后脫機，按下測試系統的電源鍵，屏幕上將會顯示Windows CE開啟畫面，說明Windows CE已經成功運行。
    以后若要添加Windows CE下運行的應用軟件，則可以通過PC安裝的微軟ActiveSync同步軟件下載到Flash中，但前提是必須確保嵌入式設備中也已經集成了ActiveSync同步軟件。
    本系統采用一般Boot Loader源碼的實現思想，根據實際硬件平臺將Boot Loader代碼分為NBoot(Nand Flash Boot Loader)和EBoot(Ethernet Boot Loader)兩部分實現。
    NBoot啟動代碼是最先執行的部分，主要為后面啟動Windows CE內核鏡像和下載Windows CE內核鏡像準備基本的硬件環境。
    EBoot負責各個設備的初始化、內存地址映射、文件系統、網絡系統驅動和加載內核鏡像的相關準備工作。EBoot通過串行口為用戶提供控制臺接口,從以太網下載Windows CE的鏡像文件到RAM中,然后再燒寫到Flash中。
3.2 驅動程序開發
    驅動程序將操作系統和設備連接起來，使操作系統能夠識別設備并為應用程序提供設備服務。Windows CE提供的驅動軟件可驅動內部和外圍的硬件設備，或者為它們提供接口。本設計主要開發了SD卡驅動程序，而其他驅動程序都可在BSP模板里找到，不需要開發。
    SD卡驅動設計包括插卡的自動檢測:SD初始化和卡的讀寫操作。本設計采用PB來開發SD卡流接口驅動程序。首先在PB中創建SD驅動程序工程，然后在該工程中搭建一個簡單動態鏈接庫，最后將流接口驅動程序入口函數添加到動態鏈接庫，同時編寫該驅動程序的注冊表部分即可。
3.3 應用程序設計
    應用程序用于監測航空發動機試車工作狀態并輔助機務人員維修排故。它可以實時地對發動機試車過程中溫度、壓力、轉速等多路模擬量和頻率量，以及多路開關量進行數據采集、處理、存儲、報警，并對主要試車性能參數進行分析，指導機務人員的維修排故。程序功能如圖6所示。

    信號設置與標定模塊：實現對所要采集的發動機信號相關信息的設置，并對信號進行標定以修正測量通道的誤差。發動機信號的實時采集處理與顯示模塊：完成發動機各路信號的實時采集，并對采集的信號進行相關的處理和運算，同時實時地繪制出信號的時間曲線以便于觀測信號的動態變化，從而監視發動機在不同時刻的工作狀態。維修信息的上傳與填寫模塊：實現試車過程中相關維修信息的數字化填寫，并上傳到發動機監控數據庫。
    采用“嵌入式平臺＋發動機信號采集模塊”的設計思路，綜合運用嵌入式技術、數據采集與數字濾波技術、FPGA技術和操作系統移植技術完成了發動機參數原位檢測設備的設計，以某型飛機為應用對象，經過長時間使用表明，該監測系統不僅功能齊全，工作可靠穩定，智能化、集成度高，使用、攜帶方便，而且降低了地勤人員的維護保障難度，提高了飛機的保障效率。通過發動機信號采集模塊中信號適配器的調整和測試資源的修正可以滿足其他各型飛機的檢測需求，具有廣闊的推廣應用前景。
參考文獻
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