PXI总线技术在航空发动机试验中的应用与思考

黄 成 孙景波 徐振瀚

（1.中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司，上海201306；2.阿米检测技术有限公司，苏州215000；3.江西昌河航空工业有限公司，景德镇333000）

1 引言

航空发动机的型号性能试验数据是反应发动机优劣的主要指标，其测试数据的准确性直接关系到对研制结果的评价和进一步的设计方案，如图1所示。随着航空测试技术的快速发展，系统化、集成化，传感器密集布点运用日趋成为主要的试验测试模式。航空发动机试验是一门综合学科，涉及温度、压力、转速、流量、应变、振动、角度、位移等多个专业。综合传感器模拟参数校准在航空发动机现场试验过程中又称之为末端计量，评价航空发动机主要的性能数据最终全部由数采系统和传感器转换成电压、电流、电阻、频率、相位五种基本电学常量进行换算和分析。因此，综合模拟电参数计量测试结果的准确性，直接影响着发动机性能试验最终结果。

图1 航空发动机型号性能试验的概念图Fig.1 Concept of aero-engine model performance test

时效性要求高、参数类别杂、校准数量庞大、突发性强是航空发动机现场综合模拟参数校准需求的典型特点。传统校准保障模式以专业划分人力和设备资源配置，单参数校准手段为主，低校准效率不仅无法保证现场试验高周转时效性的要求，同时面临综合参数校准需求时，存在着多专业人力和设备资源冲突的问题。表1 为某个常规中小型型号试验所需要的校准资源和时间成本，对于设备、人力以及科研时间都是极大的损耗。当务之急，无论从校准方案或是校准装置都必须有所突破，实现自动化、多路高效、低成本、综合性参数校准技术平台是本文思考的重点。

表1 某型号发动机研制试验现场校准进度要求和资源需求Tab.1 Calibration schedule requirements and resource requirements for a certain type of engine development and test site

2 PXI总线技术的应用思考

PXI 是PCI总线在仪器领域的扩展，是一种用于测量和自动化系统领域的基于PC 的模块化仪器平台。PXI 不仅继承PCI总线坚固、模块化、可靠性好、环境适应性强、传输效率高等特征，并且具备极强的扩展性，如图2所示，非常适合综合参数的自动化工业测试。PXI总线技术是1997年由美国NI公司推出的一种开放的工业标准总线，经过30 多年的发展，已形成集协议、硬件与语言为一体的完善的工业体系，使仿真技术渗透到仪器各个领域。除去做全产品领域的NI 和JYTEK 之外，许多子领域的PXI总线产品也发展迅猛，如精通于标准传感器信号仿真的Pickering， 精通半导体领域的Chroma，擅长RF 领域的Keysight 等。

图2 PXI总线技术的优点Fig.2 Advantages of PXI bus technology

前文提到，现场综合模拟参数的校准最终转换为五大电学常量进行运算和分析，与虚拟仪器的特点极其类似，可充分利用PXI 技术平台的优势，弥补传统计量装置和技术的不足。

2.1 优秀的带宽和低延迟性能

带宽和延迟是影响数据传输同步和保真的重要指标，如图3所示，大多数仪器所青睐的GPIB 总线是六十年代末期问世的技术，它的带宽仅1M 左右，在大数据处理时易发生数据丢包和失真的风险。最新的USB4，即雷电串行总线，它以PCIe3.0x4 的速度与PCIe 设备连接，可以达到3.9GB/s 的速度。PXIe Gen3x8 的机箱问世后，它的理论带宽可以达到7.8GB/s，为试验现场大数据采集与校准，提供高性能的测量系统。

图3 常用测量总线的带宽和延迟Fig.3 Commonly measured bus bandwidth and latency

2.2 便利高效的程序编译平台

PXI总线技术统一了高速率的通讯协议，避免了多类计量标准接口协议（GPIB、RS232、RJ484 等）不一致，造成无法统一形成自动化校准平台的尴尬。NI 公司经过多年的发展，已形成完善的基于Labview 软件平台的编程服务体系，几乎每一类板卡都能够下载到现成的软件封装包。意味着工程师只要具备基本的测控逻辑架构思路，就能够快速地完成一套自动化测试程序，而无需软件开发人员基本的代码编译技能。

2.3 多功能模块便携化的技术特征

PXI总线插槽理论上可以无限制的扩展，模块化的组装设计使用户根据校准需求实现随意定制各类综合参数的校准平台。随着技术的发展，无论PXI 工控平台或是PXI 虚拟板卡都设计得非常轻便，一张虚拟板卡甚至不足300g，参数类型灵活及便携化的特征非常适用于试验现场综合参数的校准，如图4所示。

图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 多路高效的测试能力

多路通道的仿真测试能力是PXI总线技术的典型特点。优势在于实现传统计量标准仪器无法达到的数倍乃至数十倍仿真测试速度的提升。再结合平台本身的自动化测试程序，理论上可实现极少的人员，通过1 套校准平台，解决许多科研现场综合模拟参数校准的效率瓶颈。

近年来，部分研究机构在利用PXI总线技术开发校准方案上也做出了一些尝试。如设计PXI 仿真校准平台用于振动参数、冲击参数和环境参数的校准。自主研发了基于PXI总线技术的工控平台，用于高效完成型号计量电参数的测试，取得了不错的效果，如图5所示。为型号试验现场综合模拟参数自动化校准仿真平台的研究与应用提供了一定的借鉴意义。

图5 部分研究机构开发的基于PXI总线技术的校准平台Fig.5 Shows the PXIbus-based calibration platform developed by the research institution

3 开发思路

本系统拟充分利用总线板卡进行各类型信号的多路仿真及采集，结合自动化测试软件，由计算机自动控制整个校准流程的信号的仿真和测试，并自动生成校准记录。研究一套平台实现航空发动机研制试验现场大部分综合模拟参数的校准与标定，形成自动化、便携、高效的服务保障能力。

3.1 总体设计方案

校准平台主要由硬件平台和软件平台两大部分组成，其中硬件平台是构成测试系统的基础，软件平台是构成测试系统的核心，如图6所示。在硬件平台中，精密稳压模块主要进一步提升工控机输入电压精度和稳定性，以实现参数分量高精度调理的前端输入校正；信号调理器主要是完成对前端传感器采集的模拟信号进行放大、隔离、滤波、并使其线性化；校准板卡主要是完成对信号的仿真、采集，完成A/D 转换；数据处理器主要完成数据的高速分析、实时储存及网络发布。自动校准平台采用SC Express 模块来完成对综合模拟信号的调理与采集。SC Express 模块是搭建在工业标准的PXI 平台上，专门针对特定的模拟参数类型进行优化设计，集数据采集与信号调理功能于一体的模块。不仅缩小了测试系统体积尺寸，而且使系统更加精确、可靠。

图6 自动校准平台的整体结构思路Fig.6 Overall structure of the automatic calibration platform

在软件平台中，运行环境主要是指系统运行的操作系统，应采用兼容windows7 以上操作系统；开发软件是指软件系统设计的编程环境，PXI总线基本可兼容所有高级语言编写程序；驱动程序用于驱动仿真与采集设备，并提供标准的驱动编程接口；专用软件是指辅助校准项目完成的自动化控制程序以及数据追溯和处理程序，专用软件的使用往往可使项目开展效率提高数倍，大大降低作业时间和人员工作强度。

工控机经调理后输出的12V 直流电压是板卡仿真或测试的基础信号。输入电压的精度、噪声（如图7所示）和纹波（如图8所示）会干扰外设模块，从而影响整体的测量精度。PXI 硬件标准对工控机电源系统有严格的规定，但局限于工业测试。校准平台作为最上游的溯源标准，对信号准确性要求往往数倍于工业标准，所以在设计上仍然考虑在工控机电压输出端再集成个电源板卡，最大可能来保证测试系统能达到外设板卡固有的技术指标。

图7 噪声Fig.7 Noise

图8 纹波Fig.8 Ripple

3.2 校准平台的结构设计思路

校准平台的结构设计有几个典型需求，一是重量轻、便携性强；二是模块化设计，可灵活自定义装卸功能模块；三是集校准操作、数据处理、记录于一体，具备良好的人机交互界面。

一体式PXIe 机箱是本文自动校准平台的构建思路，以PXI总线为基础，用于植入各类PXIe 采集模块与PXI 仿真模块，根据PXIe 采集模块和PXI 仿真模块的性能和功用的不同，实现不同模块的测试校准功能。用户可自主根据功能校准需求和维保溯源需求灵活拆装板卡模块，如图9所示，具备集校准操作、数据处理、记录于一体的人机交互界面，如图10所示。

图9 模块化功能拆装概念图Fig.9 Concept diagram of modular function disassembly

图10 设有人机交互界面的显示概念图Fig.10 Display concept diagram of human-computer interaction interface

3.3 校准平台校准功能的开发思路

自动校准平台是基于计算机分布式网络结构建立的仿真和采集系统，硬件和软件都是基于模块化的思路构建，整个平台由配套设备、PXI总线仿真模块、PXI总线测量模块组成。其中，PXI总线测试仿真平台是控制计算机中运行测控软件，通过通信接口及测试电缆，控制板卡、配套设备及用户设备执行相应的测试流程，接收测控计算机的指令，完成各项仿真及测量功能。图11 以航空发动机试验现场最主要的数采系统、传感器以及综合试验器校准需求为例，描述校准功能的设计思路。

图11 数采系统校准设计范例Fig.11 Calibration design example of digital acquisition system

4 综合校准平台软件功能的设计研究

软件是设计的重要组成部分，采用软件工程的管理理念，以标准化、通用化的设计手段，使综合测试仪软件架构做到灵活性、自适应性和开放性，模块的可扩充和可更新，能在较长时期内适应行业的发展变化，能与其它系统连接使用或便于二次开发，能够接收和处理不同形式的数据交换格式，具有一定的继承性、复用性和可扩展性；软件采用模块化结构，并且各个模块之间相对独立、低耦合，每个模块可单独进行设计、制造、调试、修改和存储，便于由不同的设计人员进行独立开发；软件设计时须对用户进行访问控制，以增强系统的保密性和安全性。所以软件不仅需要自动化控制和采集能力，同时需具备强大的数据管理和记录编译功能，如图12所示。软件开发最关键的要求有四点：

图12 软件功能设计逻辑图Fig.12 Logic diagram of software function design

（1）软件平台兼容如labview、C＃等各种高级语言的编制，协议适应性强。

（2）系统自带数据库，可灵活运用搜索条件查询历史校准记录。

（3）系统具备自动数据处理和记录编制功能，系统需采用动态的记录形成设计，使用者可随意要求将界面信息、导入的数据或系统自采集数据导入预设模版，可灵活设置行、列、格。当使用者记录版本的变更时不会导致设计返工。

（4）对每个校准功能模块，系统需具备自动化校准程序，校准程序须满足用户使用的便捷性和自主性要求，数据采集过程及数据处理须满足计量技术规范或用户要求。

5 结束语

综上研究，基于PXI总线校准技术的运用具备自动化、多路高效、便携性、功能模块化、低成本等一系列优点，是科研试验过程中值得推广的快捷保障校准模式，具体表现在以下四个方面：

（1）基于PXI总线技术模拟的校准平台可满足温度、压力、电压、电流、电阻、应变、频率、振动、流量、转速等多类传感器综合模拟参数的校准需求，功能强大。模块化的结构特点，可根据研制试验现场参数校准类别灵活定制平台的校准范围，可应对试验现场各类突发的综合参数校准需求。

（2）便携性、功能集成化是该校准平台设计的典型特点，在面对试验现场紧急的综合参数校准需求时，一套平台和一组人力可迅速赶赴现场，无需多个专业协调调度大量的人力和设备。极大降低科研资金的损耗，提高了科研保障效率。

（3）基于PXI总线的校准平台源于自动化编程设计，同时具备多路信号仿真和测量能力，比传统设备手动校准模式效率提高数倍，极大提高了科研保障的时效性，同时大幅度降低因输出不足产生的高额计量成本。

（4）PXI 多路标准信号仿真模块化能力具备集成进入试验现场测试通道成为标定单元的条件。结合无线通信技术的运用，我们有机会实现只需要一个命令，在数十分钟内就可完成一次型号试验所有的测试通道的检查、标定和验证，在线校准技术必定是未来航空发动机集成测试模式保障的趋势。