基于AS-i总线的发动机告警系统设计

邓 俊， 周越文， 文 莹， 陈茂才

(1.空军工程大学 航空航天工程学院，陕西 西安 710038；2.空军空降兵学院，广西 桂林 541002；3.中国船舶重工集团公司 第七〇四研究所，上海 200031)

基于AS-i总线的发动机告警系统设计

邓 俊1， 周越文1， 文 莹2， 陈茂才3

(1.空军工程大学 航空航天工程学院，陕西 西安 710038；2.空军空降兵学院，广西 桂林 541002；3.中国船舶重工集团公司 第七〇四研究所，上海 200031)

在发动机告警系统中，由于控制器和底层传感器/执行器之间的连接形式复杂多样，导致了确定故障位置困难、系统安装和维护难、成本高。针对以上问题，设计了一种基于AS-i总线的发动机告警系统。系统由电源模块、AS-i主站和AS-i从站组成，采用AS-i总线将各个模块和底层传感器/执行器连接起来，并由两根AS-i电缆完成系统供电和数据传输。通过软件对系统的性能进行了实验。实验结果表明：该系统通信可靠、安装和维护简单、成本低，有利于实现底层设备连接的标准化。

AS-i总线； 传感器； 执行器； 发动机告警

0 引 言

发动机告警系统主要用于监控系统内的燃油和滑油油量、温度、压力、排气温度、转子速度等参数，并采集处理传感器数据，通过警示灯等执行部件实施告警。系统中存在大量具有开关量特征的传感器，如温度传感器、压力传感器、油量传感器等，以及各种执行器，如告警灯、蜂鸣器等[1]。如何设计合理的发动机告警系统框架，实现对发动机传感器参数进行实时监控，并及时准确地告警，从而使飞行员能及时采取相应措施，对提高飞行安全具有重要作用，这也是发动机监控系统重点研究的问题。

目前，飞机上广泛采用的EICAS，代替了传统的机械电气仪表，实现对发动机参数实时监控、显示和告警[2,3]。而USB在发动机的告警系统中的应用[4]，进一步方便了底层传感器数据的传输。然而，现有的告警系统存在指示参数冗余度高，无法确定故障传感器位置的问题。此外，控制器与传感器/执行器之间采用并行连接，导致了系统线路复杂、连接电缆多、安装和维护难、成本高。而AS-i(actuator sensor interface)总线的出现，为克服以上问题提供了一种简单、低成本的解决方案。由于具有简单、安全、可靠的优点，AS-i总线已在工业领域得到了广泛应用[5～7]。

本文设计了一种基于AS-i总线的发动机告警系统。介绍了系统总体结构；设计和分析了执行器/传感器和控制器的连接电路；对发动机告警系统的性能进行了实验，验证了AS-i总线应用于发动机告警系统的可行性。

1 系统硬件设计

1.1 发动机告警系统总体结构

基于AS-i总线的发动机告警系统由从站、主站、电源模块和AS-i标准电缆组成。从站包括流量传感器、温度传感器、压力传感器、告警灯等各种执行器/传感器节点和AS-i从机。主站包括控制器和AS-i主机，是发动机告警系统的核心部分。数据计算机作为系统的控制器，产生控制信号，并由AS-i主机处理，发送给从站。电源模块给系统网络供电。AS-i标准电缆将系统各个部分连接起来，是电源和数据的传输介质。发动机告警系统总体结构如图1所示。

图1 发动机告警系统总体结构框图Fig 1 Overall structure block diagram of engine alerting system

1.2 电源模块硬件设计

电源模块包括直流电源、对称电路和解耦电路。其中，对称电路由大小相等的电容器C1，C2和电阻器R3，R4构成。解耦电路由大小相等的两只电阻器R1，R2和两只电感器L1，L2组成。对称电路和解耦电路实现AS-i总线严格对地对称，保证数据和电源解耦，从而为AS-i总线提供稳定的直流电源。电源模块电路如图2所示。系统连接电缆满足AS-i标准[8]。

图2 电源模块电路图Fig 2 Circuit diagram of power supply module

1.3 主站硬件设计

主站由控制器(ATMEL89C51)和AS-i主机组成，主站电路如图3所示。主站和从站专用芯片采用德国ZMDI公司的A2SI芯片。AS-i总线的信号经专用芯片的接收器处理后，由脉冲解码电路将sin2信号转换成曼彻斯特Ⅱ型码后，再解码成二进制数据信号。同时，电路将检测信号的合法性。解码后的正确信号由“接收数据”端发送至控制器。当控制器向从站发送的控制信号时，控制器经“发送数据”端发送信号进入主站专用芯片，再经过编码调制后，转换成曼彻斯特Ⅱ型码，再调制成交变的sin2信号后，送至总线上传输。

图3 系统主站电路图Fig 3 Circuit diagram of system master

1.4 从站硬件设计

从站包括AS-i从机和传感器/执行器。AS-i从机解码发送和编码接收总线上的信号，实现主站和传感器/执行器的通信。从站电路如图4所示。专用芯片Uout为传感器/执行器供电。发光二极管D4,D5反映从站的工作状态。DI0～DI3和DO0～DO3与传感器/执行器相连。

图4 系统从站电路图Fig 4 Circuit diagram of system slave

2 系统软件设计

2.1 系统测试准备

为了测试系统功能，利用工控机(PC)模拟发动机告警系统的上层计算机，通过RS-422将其分别连接主站和总线监视器。PC控制主站发送控制命令，总线监视器监视AS-i总线上传输信号，测试原理如图5所示。

图5 系统测试原理框图Fig 5 Principle block diagram of system test

2.2 软件测试流程

系统软件测试流程如图6。软件调试采用VC++6.0编译环境实现。测试步骤如下：

1)系统上电后，对主站和从站的专用芯片进行初始化。

2)分配从站的地址。

3)向从站发送读数据指令，读取第一个传感器的测量数据。

4)主站接收传感器的测量数据。

5)识别测量数据是否超出安全值范围。若超出，则主站控制器向对应的告警灯发送写指令，控制告警灯闪烁；若未超出，进行下一步。

6)判断传感器是否轮询完，如果是，返回步骤(3)；否则，巡查下一个传感器，返回步骤(4)。

图6 软件测试流程图Fig 6 Flow chart of software test

3 实验结果分析

3.1 位差错率和指令响应测试

位差错率指每秒数据传输错误的位数。为测试数据传输的位差错率，PC控制主站和从站以不同传输速率连续发送数据3 h。通过AS-i总线监视器监控的数据与发送数据对比，位差错率测试结果如表1所示。从结果可以看出：系统数据传输过程的位差错率很低。

表1 位差错率测试结果
Tab 1 Results of bit error rate test

传输速率(kb/s)位差错率(10-8)主站发送数据从站发送数据9.60.70.619.23.82.438.45.14.957.612.310.9115.221.112.1

在指令响应测试过程中，PC控制主站向从站发送不同类型的控制指令，对每一指令重复发送105次，记录从站是否成功响应，测试结果如表2所示。结果表明：从站响应指令的成功率高，保证了主站与从站的可靠通信。

表2 指令响应测试结果
Tab 2 Results of instruction response test

实验操作响应失败次数复位2写参数1数据交换0地址重置2读ID/IO4读传感器数据3

3.2 故障和传输错误检测实验

为检测系统识别故障的能力，主站识别从站传感器的短路、开路和故障3种模式。如果主站未收到从站响应，并能对从站重新分配地址，则视为故障检测成功。

传输错误检测时，先设置4种错误位试验数据：起始位错误、控制位错误、地址位错误和校验位错误。主站测试试验数据的步骤如下：1)发送合法指令；2)发送错误类型指令；3)发送合法指令。经过重复实验10 000次，测试结果如表3所示。结果表明：系统对传感器的故障和传输错误的识别率较高，因此，有利于系统的快速排故。

表3 故障和传输错误检测结果
Tab 3 Test results of fault and transmission error

故障/传输错误类型未识别次数短路2开路1传感器故障3起始位错误1控制位错误0地址位错误2校验位0

3.3 系统告警准确度测试

为了测试系统告警的准确性，选用了燃油油量传感器、燃油压力传感器、排气温度传感器、滑油油量传感器、滑油温度传感器、滑油压力传感器共计6种传感器，以及对应的告警灯，并将其分别与从机连接，每只传感器编号为1～6。传感器的数据传送至主站，控制器再将数据传输给PC，当数据超过安全值时，控制器发送控制命令，控制对应的告警灯。每个传感器采集的数据分为正常数据和告警数据，经过500次重复实验，测试结果如表4所示。从测试结果看，系统未出现虚警和漏警，准确度高，每次都能实现正确的告警。

表4 系统告警测试结果
Tab 4 Alerting test results of system

传感器编号安全值范围平均测量值红色告警灯状态告警正确率(%)11825～20000kg2653kg灭10011825～20000kg1210kg亮10020～6.9MPa4.5MPa灭10020～6.9MPa8.2MPa亮1003280～710℃340℃灭1003280～710℃783℃亮10045～30L20.6L灭10045～30L2.8L亮1005-30～80℃35.4℃灭1005-30～80℃97.5℃亮10060.25～0.78MPa0.36MPa灭10060.25～0.78MPa0.91MPa亮100

4 结 论

本文设计了基于AS-i总线的发动机告警系统。分析了系统的各组成部分及其功能;介绍了硬件和软件设计的过程;测试了系统的性能。AS-i总线简化了控制器与传感器/执行器的连接方式，减少了电缆数量，使系统安装和维护更方便，成本更低。实验结果验证了AS-i总线应用于发动机告警系统的可行性，实现了对发动机参数的实时监测和告警。

[1] 桂建勋.发动机指示和机组警告原理及应用[M].北京：国防工业出版社，1994.

[2] 姜晓莲，蔡忠春，辛 健，等.浅析发动机指示和空勤告警系统[J].装备制造技术，2011(11)：17-20.

[3] 陈 哲，刘 柳.飞机EICAS的模拟系统设计[J].飞机工程，2007 (1):28-31.

[4] 严 平，曹同强，周洁敏.基于C++Builder和USB的飞机发动机综合警戒系统数据采集与处理研究[J].仪器仪表和分析监测，2004(3)：15-18.

[5] 李振寰.AS-i高压配电控制中的应用[J].有色金属设计，2013，40(1)：81-84.

[6] 罗江瀚.AS-Interface总线技术在数控机床中的应用[J].低压电器，2009(23)：30-32.

[7] 张 弛，杨 明，吕显民.AS-i总线技术及其接口的设计[J].现代电子技术，2014，37(23)：25-27.

[8] 全国低压电器标准化技术委员会.GB/T 18858.2—2012.低压开关设备和控制设备控制器：设备接口(CDI)第2部分：执行器传感器接口(AS-i)[S].北京：中国标准出版社，2012.

Design of engine alerting system based on AS-i bus

DENG Jun1, ZHOU Yue-wen1, WEN Ying2, CHEN Mao-cai3

(1.College of Aeronautics and Astronautics Engineering,Air Force Engineering University,Xi’an 710038,China；2.Air Force Airborne Academe,Guilin 541002,China;3.704th Institute,China Shipbuilding Industrial Corp,Shanghai 200031,China)

In engine alerting system,for the complex and variation of connection form between controller and bottom sensors/actuators,it is difficult to identify fault positions,installation and maintenance of this system are also difficult and high cost.Aiming at these problems,an engine alerting system based on AS-i bus is designed.The system is constituted of power supply,an AS-i master and several AS-i slaves.Two AS-i cables are applied for power supply and data transmission.By software,the performance of the system is tested.The result of test shows that,communication of this system is reliable and its installation and maintenance is easy,low cost,which is beneficial to connection standardization of bottom device.

AS-i bus; sensor; actuator; engine alerting

10.13873/J.1000—9787(2015)10—0069—03

2015—07—27

TP 241.7; TP 277

: A

: 1000—9787(2015)10—0069—03

邓 俊(1991-)，男，湖南益阳人，硕士研究生，研究方向为光电探测系统测试与故障诊断方法研究。