发动机进气道监测系统设计和实现

张亚维，史强强，张 乐

(1.西安航空职业技术学院 航空维修工程学院，陕西 西安 710089；2.西安远方航空技术发展有限公司，陕西 西安 710089)

在新机的飞行试验过程中，换装后的发动机与原机的进气道之间是否匹配，需要通过测量和记录进气道入口和出口的多种相关参数信号，评价进气道畸变对发动机工作稳定性的影响来判断。近年来，在试验试飞领域，为了充分验证国产发动机的性能，进气道与发动机相容性的试飞测试科目越来越受到发动机研制厂家与试飞工程师们的重点关注[1-4]。

传统的系统方案往往采用专用传感器信号调节设备加通用化采集设备进行分立系统搭建。采用多台设备进行各类型信号采集，例如动态压力调节器、总温变换器、通用化采集器等。此种方案在集成设计成熟之前得到了大量的飞行试验应用，并为各类试验测试科目提供了大量的测试数据[5-7]，主要缺点是无法进行在线数据的二次开发。随着设备向高度集成化发展以及设备小型化、低功耗等设计要求逐渐被众多研究学者关注，分立化测试设备会使数据采集系统设计复杂，并带来多通道参数时间同步性较差、设备种类多、电源供电系统繁杂且功率消耗大、占用机上安装空间较大等一系列问题[8-10]。因此，近几年多数学者将关注重点放在高集成化系统的研制上，通过一台系统多功能接口实现各类信号采集，并在系统中嵌入软件算法，实现数据的在线算法开发，对降低数据传输实时性、减小数据传输带宽有积极的作用[11-13]。

针对发动机进气道监测中众多的传感器参数，通过多功能板卡系统级设计，使综合监测系统可以对各种压力传感器信号、总温传感器信号进行同步高精度采集，通过分时复用的并行传输总线实现了多级联板卡数据的交互。采用同步插入的串行数据流实现遥测数据实时监测传输，采用关联算法解算实现在线诊断功能并以RS422接口实现数据监测与座舱预警显示，采用以太网高速接口实现数据的100%记录与上位机通信。经过多架次飞行试验获取了大量有效的测试数据[14-15]。

1 进气道监测系统工作原理

机载发动机与进气道相容性测试过程中，前端测量信号主要包括多路稳压/总压压力信号、总/静压差信号、动态压力信号、进口总温信号等。监测系统需要对所有的传感器输出信号完成调理、采集、编码，并将授时系统的时基信号解调后，对所有数据包进行时间戳标记。数据处理系统具备二次算法开发功能，可在线对数据进行计算处理，便于远程监测。

进气道监测系统输出数据形式分为3种类型：① PCM串行码流形式，用于机载记录系统进行100%记录存储，完成事后处理、分析；② RS422串行输出形式，实现用户编程参数挑选，以串行总线输出至遥测系统和座舱预警显示系统，供实时监测与告警；③ 以太网总线形式，实现与上位机交互管理。进气道监测系统框图如图1所示。

图1 进气道监测系统框图

监测系统测试传感器共分为32路稳态压力、32路压差压力、12路总温和8路动态压力(转换后为8路动态、8路总压)，合计实现92路测试数据的综合处理。数据处理系统按照不同采样率对其功能板卡进行总线数据交互，时间戳标记所有数据的采样时刻。主控单元支持FFT(快速傅里叶变换)和浮点数运算，可将海量数据进行缓存后完成实时解算，实时告警算法将关键参数输出至地面监控和座舱预警显示系统。进气道监测系统工作原理框图如图2所示。

图2 进气道监测系统工作原理框图

由图2可知，设计中共采用4类测量传感器和9块功能板卡组合成一台进气道监测系统，实现信号受感、采集、控制、计算、接口、预警等功能。采集板卡通过多级联并行底板总线实现高速数据、电源传输交互。

进气道监测系统上位机软件通过以太网总线与硬件系统互联，对系统进行板卡信息显示(板卡类型、板卡地址、板卡序列号)、配置校验功能(PCM格式设置、RS422格式配置、参数挑选、配置加载)、实时信息显示(码值、物理量)。通过机载遥测设备将数据传输至地面监控大厅，地面监控软件实时显示当前的飞行试验数据状态、曲线、数据解算等信息。

设计的在线监测系统适合于信号种类多、实时性要求高、在线算法嵌入的应用场景，满足各类型专用监测系统设计需要。采用高性能FPGA核心控制单元，可提高数据在线运算能力，对数据实时监测、降低有限的遥测数据链路带宽具有重大意义。

2 系统方案设计

根据整体系统设计可知，将进气道监测系统按照功能主要分为3个部分：机上传感器受感、数据处理系统、终端显控设备，终端显控设备中遥测记录、地面监测设备为现有设备。

2.1 传感器选取

根据进气道测量中被测信号的类型，可将传感器分4类：① 稳态压力传感器，测量总压、稳压缓变信号，输出线性大电压信号；② 压差传感器，测量进气道中压差信号，转换为大电压信号输出；③ 动态压力传感器，采用惠斯通全桥设计，由数据处理系统提供恒压源激励，测量总压信号及其携带的脉动压力信号；④ 总温信号测量传感器，采用铂电阻原理，使用三线制恒流源激励方式能够较好地消除引线误差。

2.2 数据处理系统设计

数据处理系统采用多板卡级联设计，包括中央控制板、压力采集板、温度采集板、电源板、激励输出板共5类板卡。

采集板卡由7个功能模块组成：传感器激励模块、接口电路模块、滤波电路模块、数据转换电路模块、子板处理器模块、电压转换模块和高速底板总线模块。其中，总温传感器为温度采集板卡外接传感器类型，需要恒流源激励；动态压力传感器测量压力气流中的波动量，需要压力采集板提供恒压源激励。

图3 功能采集板卡组成框图

采集板卡按照中央控制板设置的采样率实时对采集数据进行同一时刻锁存，底板总线通过地址匹配、轮训、校验方式依次循环读取所有锁存的数据，保证数据采集的时效性、关联性。

中央控制板为整个系统的核心部分，实现整体系统的逻辑控制、功能调度、数据整合、软件配置管理；由8个模块组成：高速底板总线、以太网、PCM编码、数据实时处理、RS422编码、时间解析单元、电压转换、处理器内核及其外围模块；外部挂载DDR3提高大容量数据缓存要求，Flash存储器为中央处理器存储程序代码与系统管理文件，高精度温补晶振为处理器内核提供时钟源。中央控制板组成框图如图4所示。

图4 中央控制板组成框图

监测系统设计中主要的核心技术有以下3种。

(1)多板卡级联并行总线设计。

作为多个子板卡组成的数据监测系统，各板卡间如何实现统一、协调工作，是系统实现数据实时采集处理的核心。中央控制板是监测系统的控制核心板卡，是整个数据交互的管理中心，通过并行总线实现与各个子板卡的通信。

总线通信协议通过优化PCI总线功能，精简控制信号，提升总线通信效率。优化后的总线通信协议内容主要为板类型与串号扫描、采集板写地址、采集板数据读取、采集板寄存器写操作。

底板互联总线包含16位地址线、16位数据线(收发复用)、4位功能选择线和2位控制线，最多可实现对16块功能板卡的数据访问，最多可以访问每个板卡上的65536个寄存器，总线数据在40 MHz频率下工作，并行数据带宽可达640 Mbit/s。

主从总线设计架构中，发起方和响应方进行交互任务需要实现以下3种总线访问的支持：

① 处理器直接访问底板总线，用于状态管理和板卡功能配置。

② 根据时间片的全自动底板总线访问，实现自动化数据采集、数据实时提取。

③ 总线地址循环匹配，同一时刻对当前地址板卡进行透明访问。

(2)差异化采样率下同步采样设计。

机载数据测试中关键指标需要实现所有采集通道数据在时间轴上的相关性，这对于后期数据关联分析处理意义重大，同步精度往往要求在1 μs以内。设计采用3个关键点来实现高精度同步采集功能：

① 总线中统一的同步采集脉冲时钟。

② 总线中统一的同步时钟信号。

③ 统一的IRIG-B时标单元和时间实时控制(RTC)模块。

实际应用中不同的采集通道会存在差异化的采样频率，例如稳态压力、总温等慢变信号采样率为32 Hz，压差压力采样率为256 Hz，而动态压力快变信号采样率为2 kHz。为确保所有数据具备时间轴上的一致同步性，结合PCM同步采样的特性，使用晶振40 MHz时钟产生同步PCM位时钟，再由该位时钟产生同步采集时钟脉冲，该时钟须与PCM帧格式中最高采样率的频率一致。

采集板卡检测总线同步采集时钟，根据同步时钟产生ADC转换开启脉冲信号，该信号与同步采集时钟会有1个总线时钟周期的延迟(25 ns)，故使所有采集板卡上的A/D转换通道具备高精度同步性。特别需要注意的是，选型时A/D转换器件需具备多通道同步锁存功能，这样才能保证高精度同步采集。

(3)实时在线数据解算处理设计。

随着试飞科目增多，数据总量呈指数增长，事后数据处理工作繁重，且受制于遥测带宽限制，仅部分核心数据可实现监测，存在一定的监控盲区。将数据实时处理移至机上设备成为设备智能化的发展趋势，可有效减少繁重的事后数据处理工作，利于减小遥测数据带宽。通过数据融合处理将海量数据转换为关键参数遥测至地面监测，可降低试验风险，提高工作效率。

数据流的提取是由AXI-DMA模块将PCM原始数据转换成高速的AXI-STREAM码流，通过HP接口进入处理器，从而使软件处理器获得100%的数据。双核ARM处理器中，CPU1根据计算需求提取数据形成缓冲数组，并按要求进行预处理，在经过滤、加窗处理等操作后，将原始数据送入CPU0进行软件解算或者硬件FFT协处理器进行硬件解算。算法计算数据流获取传输如图5所示。

图5 算法计算数据流获取传输图

用户的算法复杂度不高的问题可直接通过ARM-Linux操作系统软件计算方式解决，在CPU0中完成计算输出，双核处理器分别完成独立任务。CPU0的空闲非常充足，可高效完成算法计算并且具备简单易学的用户二次开发特性。

针对不同的试飞科目，参与计算的参数需及时调整，采用的数据处理算法也不尽相同。在常规的数据处理过程中，系统植入了成熟可靠的算法程序，方便用户二次开发时直接调用。

目前系统中主要嵌入了预滤波算法、幅值超限、加权平均、FFT等成熟算法，为被监测系统的实时状态监控提供便利。用户可通过关联参数分析各通道数据的频率特性关系等，对飞行中进气道状态进行预判，通过累积FFT算法输出低采样预警信号进行实时监测。

通过在线关联性参数解算算法，对多路不同传感器参数完成融合，实时遥测链路输出最终计算结果并直接用于监控，无须二次处理，这样可将本监视系统的数据传输带宽降低80%以上。解算后的数据可以反映进气道飞行状态。

3 实验验证

发动机进气道监测系统分为传感器和数据处理系统两个部分。传感器部分通过选择合适量度的成熟产品进行进气道耙的定制安装。在实验室对整个监测系统接口功能精度等完成标定测试，验证系统是否达到装机要求。

搭建的地面进气道监测系统测试平台如图6所示。

图6 实验室搭建系统测试平台

上位机计算机与系统接口为以太网，通过上位机软件可直接读取监测系统输出的实时数据和配置信息。

进气道监测系统地面实时监测上位机软件界面如图7所示。

图7 地面实时监测上位机软件界面

实验包含以下内容。

(1)稳态、压差压力精度测试。

稳态压力信号为慢变信号，采样率为32 Hz，压差压力采样率为256 Hz，通过气压源为压力传感器提供输入，选取最大气压值35 MPa(稳态压力)、7 MPa(压差压力)输入，对应输出5 V电压值进行测试，测试结果抽选6个通道(数据处理增益为1.8倍)，结果如表1所示。

表1 稳态、压差压力精度测试数据表

结果表明，稳态、压差压力采用标准源测试输出为电压信号，数据处理内部放大1.8倍固定增益，降低A/D转换器LSB，经过监测系统处理后输出后精度均小于0.3%FS，达到了较高的采集精度。

(2)进气总温精度测试。

采用Pt100铂电阻作为温度受感器，恒流源激励方式，通过三线制接线法与数据处理系统温度采集板连接，测量的温度范围为-60～250 ℃。将温度受感器放在可控温度箱中，通过监测系统采集温度信号进行测试，结果如表2所示。

表2 进气总温精度测试数据表

测试数据结果表明，监测系统输出转换后的温度误差均在±2 ℃之内，温度测量结果良好，测量误差小。采用三线制的小幅值恒流源激励方式，可以有效消除线缆传输过程中带来的测量误差。

(3)动态压力采集和桥压输出精度测试。

动态压力信号为快变信号，采样率2048 Hz，通过气压源为传感器提供稳定压力源，选取压力信号7 MPa最大点时信号处理系统转换为直流电压100 mV作为输入，交流脉动量采用有效电压23.57 mV/1 kHz信号源为输入。测试结果仅抽选5个通道(交流增益300倍、直流增益100倍)，如表3所示。

表3 稳态、压差压力精度测试数据表

测试结果表明，动态压力信号为快变信号，且输出包含交直流混合微小信号，经过内部100倍/300倍放大后进行A/D采集，最终采集精度均小于0.2%FS。测试结果良好，测量误差小。

综上所述，所设计的进气道监测系统设计方法合理可行，多级联并行总线数据交互方式稳定可靠，传输机制保证了数据高精度同步采样。

本系统传感器采用成熟产品，数据处理系统在底层开发、器件选型、结构、架构方面均完全自主开发，设计简单,成本低廉，目前已在飞行试验测试领域应用。经过多架次装机试飞证明，该系统能够实时将飞行状态数据通过监测系统进行在线处理、实时监控，具有有效性与实用性。

4 结束语

针对发动机进气道监测系统，使用可扩展的多功能板卡架构实现多类型传感器接口，使用定制化并联总线实现高精度时间同步采集，使用差异化采样率实现不同节拍信号关联采集。中央嵌入式控制系统建立在线数据二次开发平台，开辟高速专用内核完成在线数据解算，有效降低数据传输带宽，实现地面实时监测与机上预警显示功能。采用轮询方式并行总线等技术解决多板卡间数据高速交互的难点，有利于提高系统集成度，实现设备小型化轻量化设计，为各类机载多通道信号监测系统提供有效的解决思路。由于本设计中监测系统无本地数据存储功能，在后端链路存在故障时，存在数据丢失的风险。在下一步应用设计中，将增加存储功能，完善数据算法监控能力，提升系统智能化，并应用于各类传感器监测系统、实时测量等场景。