飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速和高負(fù)荷等極為苛刻的條件下工作，為了保證飛機(jī)的飛行安全和作戰(zhàn)、訓(xùn)練任務(wù)的完成，必須保證發(fā)動(dòng)機(jī)及其系統(tǒng)的工作可靠性，所以在飛行出動(dòng)前、日常維護(hù)、定檢等工作中必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的各狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。這種檢測(cè)具有測(cè)量參量多、量程范圍廣、系統(tǒng)復(fù)雜、通道眾多、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣等特點(diǎn)[1-2]。目前檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的設(shè)備，一般體積、重量大，集成度低，導(dǎo)致機(jī)動(dòng)性和靈活性較差，不能很好地滿(mǎn)足現(xiàn)代作戰(zhàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試的要求，且給地勤人員增加了飛機(jī)的維護(hù)保障難度，影響了飛機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)原位監(jiān)測(cè)設(shè)備尤為迫切。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1.1 檢測(cè)參數(shù)
    測(cè)試參數(shù)種類(lèi)包括溫度、壓力和轉(zhuǎn)速。其中，溫度包括大氣溫度、各截面總溫、燃?xì)鉁囟鹊?；壓力包括發(fā)動(dòng)機(jī)副油道壓力、空氣壓力等；轉(zhuǎn)速包括高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速[3]。
1.2 總體方案
    發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備總體構(gòu)成如圖1所示，由適配器、信號(hào)采集處理模塊、嵌入式測(cè)試平臺(tái)組成。圖中，機(jī)載傳感器測(cè)量被測(cè)對(duì)象發(fā)動(dòng)機(jī)的各種物理量(溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等)，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。適配器將輸入的電信號(hào)通過(guò)處理轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)送給嵌入式測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試平臺(tái)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算和處理后、通過(guò)液晶屏顯示最終的測(cè)試結(jié)果，并實(shí)時(shí)保存測(cè)試數(shù)據(jù)，為地勤人員進(jìn)一步對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行故障分析與診斷。

2 硬件設(shè)計(jì)
2.1嵌入式平臺(tái)開(kāi)發(fā)
    嵌入式平臺(tái)是系統(tǒng)的智能指揮中心，根據(jù)檢測(cè)設(shè)備總體設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)的嵌入式平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由最小系統(tǒng)和各種外圍擴(kuò)展電路接口組成。嵌入式平臺(tái)采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，頂層為最小核心系統(tǒng)層，底層為外圍擴(kuò)展模塊層。

    最小系統(tǒng)層由處理器(S3C2410)、64 MB Nand Flash、兩片64 MB SDRAM、網(wǎng)口芯片CS8900、Multi-ICE調(diào)試接口和復(fù)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(tǒng)由嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Windows CE進(jìn)行系統(tǒng)管理和運(yùn)行應(yīng)用程序，采用Flash存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)操作系統(tǒng)代碼。由于Flash的讀寫(xiě)速度相對(duì)較慢，因此不直接用Flash運(yùn)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序,而是選擇兩片64 MB SDRAM作為閃存。系統(tǒng)加電時(shí)，地址指針首先指到Flash的第一個(gè)地址，執(zhí)行Boot Loader進(jìn)行系統(tǒng)初始化，將操作系統(tǒng)本身拷貝解壓到SDRAM中，讓整個(gè)操作系統(tǒng)在SDRAM里執(zhí)行，使系統(tǒng)達(dá)到最佳的速度。SD卡保存每次測(cè)試的結(jié)果,建立數(shù)據(jù)庫(kù)，提供大容量的存儲(chǔ)空間[4]。LCD接口為嵌入式處理器提供自由、強(qiáng)大的用戶(hù)輸入輸出接口。為滿(mǎn)足狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的需要，設(shè)計(jì)了必要的擴(kuò)展按鈕、工作狀態(tài)指示燈和4×1鍵盤(pán)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(shí)鐘模塊由12 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘和32.768 kHz的實(shí)時(shí)時(shí)鐘組成。Multi-ICE接口用于S3C2410的在線(xiàn)調(diào)試。
2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)采集處理模塊設(shè)計(jì)
    該模塊完成傳感器輸出信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)處理工作，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。嵌入式平臺(tái)通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)讀取該模塊的數(shù)據(jù)，計(jì)算出實(shí)時(shí)的測(cè)量值，同時(shí)利用軟件繪制出發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)參數(shù)的試車(chē)曲線(xiàn),記錄并保存測(cè)試數(shù)據(jù)。

2.2.1 FPGA設(shè)計(jì)與配置
    現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)器件選用基于SRAM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的FPGA芯片XC2S100E[5]。設(shè)計(jì)過(guò)程中將XC2S100E工作于主動(dòng)串行模式。FPGA的程序存放在外部PROM XC18V01中，這些程序可以通過(guò)加電自動(dòng)加載到FPGA中或通過(guò)命令加載。在主動(dòng)串行模式下，系統(tǒng)加電時(shí)產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)XC18V01的時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)這個(gè)時(shí)鐘脈沖，XC18V01中的數(shù)據(jù)通過(guò)XC2S100E送到FPGA。FPGA與配置芯片的連接關(guān)系如圖4所示。

2.2.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)
    采用嵌入式單片機(jī)和FPGA相結(jié)合對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集、運(yùn)算和分析實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。某型發(fā)動(dòng)機(jī)四路轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)機(jī)載傳感器轉(zhuǎn)化為四路頻率信號(hào)，該頻率信號(hào)經(jīng)74LV04反向驅(qū)動(dòng)后，送入FPGA的I/O口采集計(jì)數(shù)，然后嵌入式單片機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)讀取FPGA的計(jì)數(shù)值，并通過(guò)軟件計(jì)算出最終的轉(zhuǎn)速值。所設(shè)計(jì)的電路如圖4所示。圖中，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)時(shí)間門(mén)限的開(kāi)通、關(guān)閉及計(jì)數(shù)，然后將計(jì)數(shù)值送入嵌入式軟件平臺(tái)，實(shí)時(shí)計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速值。20 MHz晶振時(shí)鐘電路為FPGA提供外部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)。LED1～LED4為狀態(tài)指示燈。根據(jù)指標(biāo)要求，頻率的分辨率等于1 Hz，因此程序中把對(duì)頻率的計(jì)數(shù)門(mén)限時(shí)間設(shè)為1 s，門(mén)限時(shí)間的設(shè)置以外部的參考晶振為基準(zhǔn)，通過(guò)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。
2.2.3 溫度與壓力測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)
    溫度傳感器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)專(zhuān)用適配器將其轉(zhuǎn)化為0~＋5 V的模擬量。16路模擬信號(hào)經(jīng)多路開(kāi)關(guān)后送入調(diào)整電路，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，最后利用FPGA采集處理后通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)來(lái)讀取FPGA運(yùn)算值，并通過(guò)軟件做較簡(jiǎn)單的計(jì)算得出最終的測(cè)量結(jié)果，測(cè)量的結(jié)果可以保存在SD卡存儲(chǔ)器中。
    測(cè)量電路組成如圖5所示。由通道選擇電路、信號(hào)調(diào)整電路和A/D轉(zhuǎn)換電路三部分組成。A/D轉(zhuǎn)換后將采集到的數(shù)據(jù)量輸入到FPGA里。
    (1)通道選擇電路：采用1片16路多路開(kāi)關(guān)MAX396完成對(duì)多路模擬信號(hào)的輸入選擇,其地址位A0A1A2A3決定輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)的輸出通道號(hào)，EN使能端控制是否處于工作狀態(tài)。A0A1A2A3和EN均可通過(guò)FPGA編程來(lái)實(shí)現(xiàn)；(2)信號(hào)調(diào)整電路：以美國(guó)ADI公司的運(yùn)算放大器AD8605為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)；(3)A/D轉(zhuǎn)換電路:選用4通道、12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件MAX1282, 采樣頻率為400 kHz。
    為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度，設(shè)計(jì)中采用數(shù)字濾波方法，將輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器處理，可有效地消除輸入信號(hào)中的高頻噪聲信號(hào)[6]。
3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括Windows CE的移植、驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[7]。
3.1 Windows CE系統(tǒng)移植
    Windows CE操作系統(tǒng)從體系結(jié)構(gòu)上具有分層結(jié)構(gòu)和微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可以被裁減和重新配置，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。使用該系統(tǒng)提供的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境PB(Platform Builder),開(kāi)發(fā)人員可根據(jù)它的提示完成操作系統(tǒng)鏡像的定制、編譯與調(diào)試工作，并可在此環(huán)境中進(jìn)行應(yīng)用軟件和驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。
　平臺(tái)定制過(guò)程如下[8]： (1)選擇操作系統(tǒng)的基本配置，并且為特定的平臺(tái)選擇相應(yīng)的微處理器和平臺(tái)支持包BSP。本平臺(tái)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(kāi)發(fā)板支持包。(2)制定平臺(tái)。首先完成開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，適當(dāng)?shù)夭脺p、添加組件，對(duì)某些配置文件進(jìn)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(shè)計(jì)中，設(shè)備要為自己定制目標(biāo)設(shè)備，則需開(kāi)發(fā)Boot Loader和驅(qū)動(dòng)程序；最后把鏡像文件下載到目標(biāo)設(shè)備，進(jìn)行調(diào)試，直到滿(mǎn)足要求后，才完成平臺(tái)的創(chuàng)建。完成以上工作后,導(dǎo)出相應(yīng)的SDK(Software Development Kit)軟件開(kāi)發(fā)工具包，運(yùn)行后加到EVC中，可在特定的硬件平臺(tái)上進(jìn)行應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。SDK包含程序庫(kù)、頭文件、示例程序源代碼和庫(kù)函數(shù)使用文檔，同時(shí)還包括編程指導(dǎo)和API參與設(shè)備驅(qū)動(dòng)工具包(DDK)。(3)通過(guò)JTAG仿真器將Windows CE映象文件下載到Flash存儲(chǔ)器中，然后脫機(jī)，按下測(cè)試系統(tǒng)的電源鍵，屏幕上將會(huì)顯示W(wǎng)indows CE開(kāi)啟畫(huà)面，說(shuō)明Windows CE已經(jīng)成功運(yùn)行。
    以后若要添加Windows CE下運(yùn)行的應(yīng)用軟件，則可以通過(guò)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(shè)備中也已經(jīng)集成了ActiveSync同步軟件。
    本系統(tǒng)采用一般Boot Loader源碼的實(shí)現(xiàn)思想，根據(jù)實(shí)際硬件平臺(tái)將Boot Loader代碼分為NBoot(Nand Flash Boot Loader)和EBoot(Ethernet Boot Loader)兩部分實(shí)現(xiàn)。
    NBoot啟動(dòng)代碼是最先執(zhí)行的部分，主要為后面啟動(dòng)Windows CE內(nèi)核鏡像和下載Windows CE內(nèi)核鏡像準(zhǔn)備基本的硬件環(huán)境。
    EBoot負(fù)責(zé)各個(gè)設(shè)備的初始化、內(nèi)存地址映射、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)和加載內(nèi)核鏡像的相關(guān)準(zhǔn)備工作。EBoot通過(guò)串行口為用戶(hù)提供控制臺(tái)接口,從以太網(wǎng)下載Windows CE的鏡像文件到RAM中,然后再燒寫(xiě)到Flash中。
3.2 驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)
    驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒉僮飨到y(tǒng)和設(shè)備連接起來(lái)，使操作系統(tǒng)能夠識(shí)別設(shè)備并為應(yīng)用程序提供設(shè)備服務(wù)。Windows CE提供的驅(qū)動(dòng)軟件可驅(qū)動(dòng)內(nèi)部和外圍的硬件設(shè)備，或者為它們提供接口。本設(shè)計(jì)主要開(kāi)發(fā)了SD卡驅(qū)動(dòng)程序，而其他驅(qū)動(dòng)程序都可在BSP模板里找到，不需要開(kāi)發(fā)。
    SD卡驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)包括插卡的自動(dòng)檢測(cè):SD初始化和卡的讀寫(xiě)操作。本設(shè)計(jì)采用PB來(lái)開(kāi)發(fā)SD卡流接口驅(qū)動(dòng)程序。首先在PB中創(chuàng)建SD驅(qū)動(dòng)程序工程，然后在該工程中搭建一個(gè)簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，最后將流接口驅(qū)動(dòng)程序入口函數(shù)添加到動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，同時(shí)編寫(xiě)該驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)表部分即可。
3.3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
    應(yīng)用程序用于監(jiān)測(cè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)工作狀態(tài)并輔助機(jī)務(wù)人員維修排故。它可以實(shí)時(shí)地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)過(guò)程中溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等多路模擬量和頻率量，以及多路開(kāi)關(guān)量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、報(bào)警，并對(duì)主要試車(chē)性能參數(shù)進(jìn)行分析，指導(dǎo)機(jī)務(wù)人員的維修排故。程序功能如圖6所示。

    信號(hào)設(shè)置與標(biāo)定模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)所要采集的發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)相關(guān)信息的設(shè)置，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定以修正測(cè)量通道的誤差。發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集處理與顯示模塊：完成發(fā)動(dòng)機(jī)各路信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，并對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的處理和運(yùn)算，同時(shí)實(shí)時(shí)地繪制出信號(hào)的時(shí)間曲線(xiàn)以便于觀測(cè)信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化，從而監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)在不同時(shí)刻的工作狀態(tài)。維修信息的上傳與填寫(xiě)模塊：實(shí)現(xiàn)試車(chē)過(guò)程中相關(guān)維修信息的數(shù)字化填寫(xiě)，并上傳到發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。
    采用“嵌入式平臺(tái)＋發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)采集模塊”的設(shè)計(jì)思路，綜合運(yùn)用嵌入式技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與數(shù)字濾波技術(shù)、FPGA技術(shù)和操作系統(tǒng)移植技術(shù)完成了發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)原位檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)，以某型飛機(jī)為應(yīng)用對(duì)象，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用表明，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅功能齊全，工作可靠穩(wěn)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(hù)保障難度，提高了飛機(jī)的保障效率。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)采集模塊中信號(hào)適配器的調(diào)整和測(cè)試資源的修正可以滿(mǎn)足其他各型飛機(jī)的檢測(cè)需求，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。
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