一种航空智能传感器设计方案

车炯晖　呼明亮　王皎

摘要：该文通过分析JSF飞机的飞机预测与健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）系统的设计，得出了传感器在航空系统当中的重要性。通过分析，得出了智能传感器是必然的发展趋势。根据Rockwell公司的一款智能传感器，提出了一种智能传感器的解决方案。

关键词：飞机预测与健康管理；智能传感器

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）08-0166-02

Abstract： By analyzing PHM system of JSF， this paper gets the importance of sensors of aircraft. We can confirm that smart sensors will get into being. We design a smart sensor with an example of Rockwell.

Key words： PHM； smart sensor

1 概述

1.1 PHM在航空领域的发展

国外从第二代战机开始重视飞机的可测试性和可维护性，并在各设备面板的维护人员可达处设置了不同种类的测试点、告警灯和工作状态指示等。在第三代飞机中，实现了对机载设备的集中监控，国内飞机的NAMP系统就是得益于国外的集中监控理念。

在美国JSF的研制中，为实现远景构想：研制和生产一种经济上可承受的下一代攻击战斗机武器系统并实现全球保障，创造性的提出了自主式保障（AL）保障方案，而飞机健康监控系统则是AL保障系统的关键势能技术之一，也是提高飞机任务可靠性、安全性、保障性/部署性以及经济承受性方案的关键使能技术。这一技术的实现使原来由事件主宰的维修（即事后维修）或时间相关的维修（即定期维修）被基于状态的维修（CBM，即视情维修）所取代。实现了飞机维修、保障体系的一次重大变革。

JSF的PHM系统由以下三部分组成：PHM子系统管理器、PHM区域管理器和PHM飞机管理器。

1.2 传感器重要性

以上系统的健康需求及功能实现都需要建立在传感器数据采集、处理的基础之上，系统中采用了大量的传感器对关键的参量进行实时监测。这些传感器往往安装在设备的敏感部位，通过多种传感器提供的数据，对其进行多种特征量的监测、分析和综合处理，完成对数据分类，对传感器信息的合理支配与使用，将各种传感器在空间和时间的互补与冗余信息依据某种优化准则或算法组合起来，最终产生对系统的故障现象进行定位和诊断。

传感器处于信号检测与信号处理系统之首，是感知、获取信息的窗口，传感器处于研究对象与检测系统的接口位置，获取的信息，都要通过它转换为更容易传输与处理的电信号。信息量的不断增大、信息种类的不斷增加、信息传输速度的不断提高，都对传感器在信号检测方面的应用提出了更新、更严格的要求。随着测控系统自动化、智能化的发展，要求传感器准确度高、可靠性高、稳定性好，而且具备一定的数据处理能力，并能够自检、自校、自补偿。传统的传感器已不能满足这样的要求。本文通过设计一个智能传感单元，为后续的PHM的研究提供支持。

1.3 传感器网络结构

随着电子技术的发展和健康预测方面的要求，传感器作为PHM数据融合的基础，航空传感器正在朝着多维化和网络化的方面发展。从直接布线到RDC的出现，再到传感器网络已然成了必然。RDC就是这种大趋势下的产物，如图1所示，RDC的应用具有很多优势：

1）减少布线（60-70%的导线是信号导线）；2）减轻重量；3）降低成本；4）具有减少控制机构的潜力；5）增加诊断能力；6）提高系统总体可靠性；7）降低寿命周期成本通过远距输入输出装置降低成本，减轻重量。

与之对应的，RDC的应用在带来以上诸多好处的同时，从传感器方面来讲，降低了先进飞机对传感器的智能化要求，仍然采取了以往统一进行数据采集的模式。

然而RDC同样有着自身的局限性。RDC在降低成本和减重的同时，多个重要的传感器信息的集中带来的是对RDC的高可靠性要求，同时RDC在它的局部网络中成为了关重件，局部抗打击能力大大降低，一个RDC的失效带来的是整个部件或者局部的失控和不可感知。

因此，智能传感器网络的发展成为了PHM发展的必经之路。智能传感器网络在具有RDC的优点的同时，提高了系统的可靠性，将关重件分散到了各个传感器当中，关重件在传感器网络当中得到了弱化，局部抗打击能力得到了提高，如图2所示。

2 国外航空智能传感器的模型

为了设计满足发展需求的智能传感器，国内外进行了不断地努力。Rockwell公司提出的智能传感器方案主要特点如下：全串行传输；具有自诊断能力；自校准功能；在线自监测能力；双余度串口通信；自动数据补偿和滤波；单电源供电；低功率。

按照该方案设计的美国DALLAS半导体公司DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125℃，测温精度为±0.2℃；Motorola公司汽车用MMAS40G电容式加速度，加速度测量范围±40g，精度可达到0.05%。

3 智能传感器方案设计

3.1 选择MEMS传感器

微电子机械系统（MEMS）近些年来发展迅猛，现代集成的MEMS传感器，具有以下几个方面的优势：

1）物理转化机理：集成智能传感器可以很容易对非线性的传递函数进行校正，得到一个线性度非常好的输出结果，从而消除了非线性传递对传感器应用的制约。该机理具有稳定性好、精确度高、灵敏度高的特点。

2）数据融合理论：由于MEMS传感器的微型化，使得在飞机上实现传感器阵列成为可能。对于多个传感器组成的阵列，数据融合技术能够充分发挥各个传感器的特点，利用其互补性、冗余性，提高测量信息的精度和可靠性，延长系统的使用寿命。

3） 微型化设计：MEMS传感器实现了传感器的高度集成，微型化决不仅是尺寸上的缩微与减少，而且是一种具有新机理、新结构、新作用和新功能的高科技微型系统，并在智能程度上与先进科技融合。

3.2 设计依据

基于飞机层面的需求，以及微型化考虑。结合以上智能传感器的设计，考虑到智能传感器对PHM的支持和可靠性，设计方案需要注意到以下几个问题：

1） 考虑到需要一定的数据处理能力和数据的实时性传输，因此需要选择一款处理性能较高的处理器；

2） 考虑智能传感器应具有一定的可靠性，设计方案需要提供两路通信链路；

3）考虑不同应用的恶劣环境容易对信号造成影响，设计方案需在具有实时性的同时具备一定的滤波能力，并且参数可设；

4） 设计必须考虑低功耗、小型化。

5） 考虑到机载环境布线困难，必须选择单电源供电。

3.3 设计方案

3.3.1 硬件设计方案

基于以上考虑，并且考虑到现阶段的智能传感器应该具备一定的扩展性以备后续研究，现选择硬件方案如图3所示：

1）选择外形小、功耗低、性能较高的单片机作为微控制器；

2）选择集成度高的MEMS传感器作为感知单元；

3）必须有硬件看门狗；

4）预留部分小功率离散量输出接口；

5）提供两路RS422与上位机通讯；

6）为保证一定的续航能力，在设计外部供电输入的同时设计备份电池供电。

3.3.2 软件设计方案

软件上，智能传感器的软件必须包括设备的驱动、综合任务管理软件、数据解算软件、设备驱动及系统管理软件、地面开发支持软件。其组成如图4所示。

由于机上智能传感器的数量庞大、安装工况复杂，必须保证软件执行的稳定性和可靠性，因此必须对软件做好相关的测试工作。

4 结束语

经按照此方案试制的智能传感器，可感知周围环境的加速度、压力和温度信息。感知目标符合飞机的要求，接口也可以与现有机电管理计算机进行通信。该智能传感器僅有1cm2，且实测功率仅为0.2W，具有较强的续航能力。

该智能传感器完全达到了机载环境下的使用要求，为我国新一代战机电子系统的实现做出了一定的贡献。因此，该设计方案具有较高的推广价值。

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