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發(fā)動(dòng)機(jī)的各狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測。這種檢測具有測量參量多、量程范圍廣、系統(tǒng)復(fù)雜、通道眾多、現(xiàn)場環(huán)境惡劣等特點(diǎn)[1-2]。目前檢測發(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，不能很好地滿足現(xiàn)代作戰(zhàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)測試的要求，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)測設(shè)備尤為迫切。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1.1 檢測參數(shù)
    測試參數(shù)種類包括溫度、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)檢測設(shè)備總體構(gòu)成如圖1所示，由適配器、信號采集處理模塊、嵌入式測試平臺組成。圖中，機(jī)載傳感器測量被測對象發(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。適配器將輸入的電信號通過處理轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電信號送給嵌入式測試平臺，測試平臺對輸入信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算和處理后、通過液晶屏顯示最終的測試結(jié)果，并實(shí)時(shí)保存測試數(shù)據(jù)，為地勤人員進(jìn)一步對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行故障分析與診斷。

2 硬件設(shè)計(jì)
2.1嵌入式平臺開發(fā)
    嵌入式平臺是系統(tǒng)的智能指揮中心，根據(jù)檢測設(shè)備總體設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)的嵌入式平臺結(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)器來存儲(chǔ)操作系統(tǒng)代碼。由于Flash的讀寫速度相對較慢，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卡保存每次測試的結(jié)果,建立數(shù)據(jù)庫，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)大的用戶輸入輸出接口。為滿足狀態(tài)檢測與故障診斷系統(tǒng)軟件開發(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的在線調(diào)試。
2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)信號采集處理模塊設(shè)計(jì)
    該模塊完成傳感器輸出信號的采集和數(shù)據(jù)處理工作，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。嵌入式平臺通過數(shù)據(jù)總線讀取該模塊的數(shù)據(jù)，計(jì)算出實(shí)時(shí)的測量值，同時(shí)利用軟件繪制出發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)參數(shù)的試車曲線,記錄并保存測試數(shù)據(jù)。

2.2.1 FPGA設(shè)計(jì)與配置
    現(xiàn)場可編程門陣列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，這些程序可以通過加電自動(dòng)加載到FPGA中或通過命令加載。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，通過這個(gè)時(shí)鐘脈沖，XC18V01中的數(shù)據(jù)通過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)速測量模塊的設(shè)計(jì)
    采用嵌入式單片機(jī)和FPGA相結(jié)合對轉(zhuǎn)速測量模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過對轉(zhuǎn)速信號的采集、運(yùn)算和分析實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測。某型發(fā)動(dòng)機(jī)四路轉(zhuǎn)速信號經(jīng)機(jī)載傳感器轉(zhuǎn)化為四路頻率信號，該頻率信號經(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)通過數(shù)據(jù)總線讀取FPGA的計(jì)數(shù)值，并通過軟件計(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)間門限的開通、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，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。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，因此程序中把對頻率的計(jì)數(shù)門限時(shí)間設(shè)為1 s，門限時(shí)間的設(shè)置以外部的參考晶振為基準(zhǔn)，通過計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。
2.2.3 溫度與壓力測量模塊的設(shè)計(jì)
    溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，經(jīng)專用適配器將其轉(zhuǎn)化為0~＋5 V的模擬量。16路模擬信號經(jīng)多路開關(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采集處理后通過數(shù)據(jù)總線來讀取FPGA運(yùn)算值，并通過軟件做較簡單的計(jì)算得出最終的測量結(jié)果，測量的結(jié)果可以保存在SD卡存儲(chǔ)器中。
    測量電路組成如圖5所示。由通道選擇電路、信號調(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路多路開關(guān)MAX396完成對多路模擬信號的輸入選擇,其地址位A0A1A2A3決定輸入信號對應(yīng)的輸出通道號，EN使能端控制是否處于工作狀態(tài)。A0A1A2A3和EN均可通過FPGA編程來實(shí)現(xiàn)；(2)信號調(diào)整電路：以美國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，將輸入信號經(jīng)過低通濾波器處理，可有效地消除輸入信號中的高頻噪聲信號[6]。
3 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括Windows CE的移植、驅(qū)動(dòng)程序開發(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)提供的集成開發(fā)環(huán)境PB(Platform Builder),開發(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)程序的開發(fā)。
　平臺定制過程如下[8]： (1)選擇操作系統(tǒng)的基本配置，并且為特定的平臺選擇相應(yīng)的微處理器和平臺支持包BSP。本平臺選用三星公司的ARM9 S3C2410作為核心處理器,在PB的BSP列表中,選擇SAMSUNG SMDK2410:ARMV4I作為開發(fā)板支持包。(2)制定平臺。首先完成開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，適當(dāng)?shù)夭脺p、添加組件，對某些配置文件進(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，直到滿足要求后，才完成平臺的創(chuàng)建。完成以上工作后,導(dǎo)出相應(yīng)的SDK(Software Development Kit)軟件開發(fā)工具包，運(yùn)行后加到EVC中，可在特定的硬件平臺上進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)。SDK包含程序庫、頭文件、示例程序源代碼和庫函數(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)，按下測試系統(tǒng)的電源鍵，屏幕上將會(huì)顯示W(wǎng)indows CE開啟畫面，說明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通過串行口為用戶提供控制臺接口,從以太網(wǎng)下載Windows CE的鏡像文件到RAM中,然后再燒寫到Flash中。
3.2 驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)
    驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒉僮飨到y(tǒng)和設(shè)備連接起來，使操作系統(tǒng)能夠識別設(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，不需要開發(fā)。
    SD卡驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)包括插卡的自動(dòng)檢測:SD初始化和卡的讀寫操作。本設(shè)計(jì)采用PB來開發(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)簡單動(dòng)態(tài)鏈接庫，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，同時(shí)編寫該驅(qū)動(dòng)程序的注冊表部分即可。
3.3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
    應(yīng)用程序用于監(jiān)測航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車工作狀態(tài)并輔助機(jī)務(wù)人員維修排故。它可以實(shí)時(shí)地對發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程中溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等多路模擬量和頻率量，以及多路開關(guān)量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、報(bào)警，并對主要試車性能參數(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。

    信號設(shè)置與標(biāo)定模塊：實(shí)現(xiàn)對所要采集的發(fā)動(dòng)機(jī)信號相關(guān)信息的設(shè)置，并對信號進(jìn)行標(biāo)定以修正測量通道的誤差。發(fā)動(dòng)機(jī)信號的實(shí)時(shí)采集處理與顯示模塊：完成發(fā)動(dòng)機(jī)各路信號的實(shí)時(shí)采集，并對采集的信號進(jìn)行相關(guān)的處理和運(yùn)算，同時(shí)實(shí)時(shí)地繪制出信號的時(shí)間曲線以便于觀測信號的動(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模塊：實(shí)現(xiàn)試車過程中相關(guān)維修信息的數(shù)字化填寫，并上傳到發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫。
    采用“嵌入式平臺＋發(fā)動(dòng)機(jī)信號采集模塊”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)原位檢測設(shè)備的設(shè)計(jì)，以某型飛機(jī)為應(yīng)用對象，經(jīng)過長時(shí)間使用表明，該監(jiān)測系統(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。通過發(fā)動(dòng)機(jī)信號采集模塊中信號適配器的調(diào)整和測試資源的修正可以滿足其他各型飛機(jī)的檢測需求，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1] 盧建華.飛機(jī)電源與電氣控制[M].北京：海潮出版社,2008.
[2] 吳曉男，徐慶九，曲東才,等.飛機(jī)儀表[M]. 煙臺:海軍航空工程學(xué)院出版社，2005:106-132.
[3] 熊純.虛擬儀器技術(shù)及在航空發(fā)動(dòng)機(jī)測試中的應(yīng)用[J].長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2004,4(2):31-33.
[4] 陳衛(wèi)東.嵌入式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與交換[D].北京:北京郵電大學(xué),2005.
[5] 徐志軍，徐光暉.CPLD/FPGA的開發(fā)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2002.
[6] 王金明,張雄偉.FIR濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與硬件實(shí)現(xiàn)[J]. 電視技術(shù),2003(3):19-21.
[7] 齊云.基于Windows CE的嵌入式軍用PDA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 西安:西安電子科技大學(xué),2006.
[8] 慕春棣.嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004.