基于激光的航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子部件參數(shù)非接觸傳輸系統(tǒng)

賴小皇，于　兵，馬曉東

（1.江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室，南京航空航天大學能源與動力學院，南京210016；2.中國燃氣渦輪研究院，四川綿陽621000）

基于激光的航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子部件參數(shù)非接觸傳輸系統(tǒng)

賴小皇1，2，于兵1*，馬曉東1

（1.江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室，南京航空航天大學能源與動力學院，南京210016；2.中國燃氣渦輪研究院，四川綿陽621000）

為滿足航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子參數(shù)的高速實時采集需求，設(shè)計了一種基于無線激光的航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子部件參數(shù)的非接觸傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)子端采集模塊將發(fā)動機轉(zhuǎn)子參數(shù)，如溫度、壓力信號等，編碼后組成標準以太網(wǎng)幀并通過激光發(fā)射出去，在接收端通過光電轉(zhuǎn)換接收數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行解串，再通過以太網(wǎng)口上傳給上位機接收程序?qū)Σ杉降膮?shù)進行解析。本設(shè)計激光通信速率可達到100 Mbit/s，為航空發(fā)動機非接觸參數(shù)傳輸提供了一種可靠的方法。

激光；遙測；轉(zhuǎn)子部件；參數(shù)傳輸

采用傳統(tǒng)的導(dǎo)電滑環(huán)系統(tǒng)傳輸航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子部件參數(shù)由于存在定子和轉(zhuǎn)子之間的高速摩擦，不僅降低其壽命，而且會帶來較大的發(fā)熱量和噪聲，從而導(dǎo)致測量信號漂移，使參數(shù)測量出現(xiàn)誤差［1-2］。另外，由于振動導(dǎo)致電刷與滑環(huán)之間接觸可靠性降低，同樣也會造成測量誤差，且使用成本很高，不能滿足轉(zhuǎn)子性能試驗的參數(shù)采集要求。國外大型航空發(fā)動機公司，如，英國RotaData公司基于無線電的TeleMetry數(shù)據(jù)遙測系統(tǒng)，傳輸速率達到62 Mbit/s［3-5］。而國內(nèi)同類產(chǎn)品僅能實現(xiàn)100 kbit/s以下的數(shù)據(jù)傳輸速率，且只適用于1萬轉(zhuǎn)以下的轉(zhuǎn)速。由于激光器件具有單色性好，響應(yīng)速度快等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸。且在國內(nèi)，已有人進行了光纖旋轉(zhuǎn)接頭即光纖集流器的研究［6-9］，最高傳輸速率達200 Gbit/s［10］。但仍舊存在接頭易磨損、發(fā)熱等缺陷，因此，本設(shè)計采用將轉(zhuǎn)子端采集到的參數(shù)直接通過激光進行非接觸數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計了一套非接觸傳輸系統(tǒng)，彌補了光纖集流器的缺陷。對本設(shè)計系統(tǒng)進行了數(shù)據(jù)丟包率試驗及非接觸傳輸距離試驗測試，滿足發(fā)動機數(shù)據(jù)傳輸要求。

1　系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)分為發(fā)射端、接收端以及上位機數(shù)據(jù)處理3大部分。發(fā)射端包括：參數(shù)采集電路，交換機電路，基于現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）的串行電路、發(fā)射激光器及其驅(qū)動電路、發(fā)射光纖等。接收端包括位于靜子端的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接模塊與地面站數(shù)據(jù)接收電路。上位機程序主要用于對采集到的數(shù)據(jù)進行解析存儲。系統(tǒng)中的非接觸光電數(shù)據(jù)傳輸通道，即無線激光通信收發(fā)模塊屬于高速電路，數(shù)據(jù)傳輸速率為 100 Mbit/s，無線遙測距離為15 mm左右。

由于航空發(fā)動機參數(shù)種類眾多，需要采集的通道數(shù)量大，因此，需要安裝不同的數(shù)據(jù)采集模塊，為解決多個數(shù)據(jù)模塊同時進行參數(shù)傳輸?shù)膯栴}，采用以太網(wǎng)標準接口進行通信，在發(fā)射端加入交換機電路，將多個采集模塊采集到的參數(shù)通過交換機后傳輸給FPGA編碼后通過光模塊將載有遙測參數(shù)信息的激光束發(fā)射出去。接收端的信號轉(zhuǎn)接模塊通過固定在靜子部件上接收發(fā)射端發(fā)射出來的激光并通過電平匹配后由光纖連接傳輸至地面接收模塊，最后，地面接收模塊通過以太網(wǎng)將采集到的發(fā)動機溫度、壓力等參數(shù)信號傳輸給上位機進行數(shù)據(jù)解析工作。在結(jié)構(gòu)上，安裝時應(yīng)保證發(fā)射激光器、發(fā)射光纖、發(fā)動機轉(zhuǎn)子、接收光電探測器的軸線重合，以保證數(shù)據(jù)的正常接收。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

2　關(guān)鍵模塊設(shè)計

考慮到參數(shù)采集模塊，如溫度、壓力等，技術(shù)較為成熟，本設(shè)計著重介紹位于轉(zhuǎn)子端的激光發(fā)射模塊、靜子端的信號轉(zhuǎn)接模塊與地面數(shù)據(jù)接收模塊。

2.1發(fā)射模塊

該模塊需要完成將發(fā)動機參數(shù)采集模塊采集到的20路溫度信號、10路壓力信號進行編碼后通過激光發(fā)射出去的工作，由于采集參數(shù)通道量大，選用具有低功耗、高性能、多功能等優(yōu)點KS8995作為核心交換芯片，該芯片完成二層交換機芯片功能，即交換機接收到一個以太網(wǎng)幀后通過查找MAC轉(zhuǎn)發(fā)表（L2FDB），根據(jù)該幀的目的MAC，通過MII接口將數(shù)據(jù)傳輸至FPGA。同時考慮到現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（Field-Programmable Gate Array）能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的邏輯變換和時序產(chǎn)生，故選用FPGA來實現(xiàn)并行數(shù)據(jù)到串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，設(shè)計中選用EP4CE6芯片，設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。工作時KS8995完成將采集卡采集到的20路溫度信號和10路壓力信號參數(shù)經(jīng)過物理層傳輸后轉(zhuǎn)換為MII信號傳輸給FPGA，F(xiàn)PGA再產(chǎn)生時序完成數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)以LVDS差分電平信號發(fā)送給光模塊以激光的形式發(fā)送出去。KS8995與FPGA設(shè)計電路圖如圖3所示。

圖2　發(fā)射模塊結(jié)構(gòu)部框圖

圖3KS8995與FPGA硬件電路設(shè)計

KS8995與FPGA通過MII接口連接接口功能如表1所示。

表1MII接口功能

從采集板出來的PHY信號與KS8995之間的PHY信號互聯(lián)需加入變壓器進行耦合。網(wǎng)絡(luò)變壓器電路圖如圖4所示。其主要作用為：信號傳輸、阻抗匹配、波形修復(fù)、信號雜波抑制和高電壓隔離等。

圖4　采集板與KS8995的PHY互聯(lián)

網(wǎng)絡(luò)變壓器的中間抽頭可根據(jù)要求接電源或接地。這個主要是由使用的PHY芯片UTP口驅(qū)動類型決定的。這種驅(qū)動類型有兩種，電壓驅(qū)動和電流驅(qū)動。電壓驅(qū)動的就要接電源；電流驅(qū)動的就直接接個電容到地即可。所以對于不同的芯片，中心抽頭的接法，與PHY是有密切關(guān)系的，具體還要參看芯片的Datasheet和參考設(shè)計。接電源時要接不同的電壓，根據(jù)所使用的PHY芯片資料里規(guī)定的UTP端口電平?jīng)Q定的。本設(shè)計中，KS8995的中心接頭接2.5 V電源，而從采集模塊過來的變壓器接3.3 V電源。

KS8995是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換模塊的核心。它集成了5個MAC單元和5個快速以太網(wǎng)收發(fā)器，MAC單元和快速以太網(wǎng)收發(fā)器完全兼容于802.3u標準；每個端口都有0～100 M的可編程速率；速率高達1.4 G的高性能內(nèi)存交換帶寬。其可工作于3種模式，本設(shè)計主要用于4端口交換模式。KS8995可通過配置PS0、PS1（113、114引腳）從而控制其處于自動工作模式或者是SPI模式。PS［1：0］配置表如表2所示。

表2PS［1:0］配置表

在這里，預(yù)留了SPI的接口，本設(shè)計KS8995工作于自動模式，而通過預(yù)留的SPI接口也可使其工作于 SPI模式，在 SPI模式下，需要在讀取到KS8995的Family ID=0×95后，置位開始轉(zhuǎn)換開關(guān)開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

為完成MAC與PHY之間的通信，讓KS8995工作在MAC模式下，可以通過設(shè)置引腳91，86，87使KS8995工作在不同的模式。引腳配置表如表3所示。

表3　Pin#（91，86，87）配置表

本設(shè)計中，將引腳配置為（110），使其工作在PHY Mode MII。

考慮到在采用專用的SERDES芯片的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，由于PLL技術(shù)實現(xiàn)了收發(fā)雙發(fā)時鐘的相位和頻率同步，其數(shù)據(jù)傳輸屬于同步傳輸。然而，在采用FPGA設(shè)計SERDES時，不能實現(xiàn)收發(fā)雙發(fā)的時鐘同步，因此需要采用異步傳輸技術(shù)，在幀數(shù)據(jù)之間同步起始位，將并行信號轉(zhuǎn)化為串行信號輸出。

在數(shù)字信號傳送到信道之前，還需要對數(shù)字信號進行擾碼，即，在比特級上進行隨機化處理，減少抖動和碼間干擾，方便接收端的時鐘提取。最常用的方法是在待傳信號上疊加一個最長線性移位寄存器序列（m序列），使得信號的統(tǒng)計特性適合于在相應(yīng)的信道中傳輸。本設(shè)計由于采用激光通信，傳輸特性優(yōu)良，因此采用簡單的NRZ碼加上擾碼實現(xiàn)。FPGA編碼流程圖如圖5所示。

圖5FPGA編碼流程圖

FPGA完成并串轉(zhuǎn)后通過高速LVDS接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給光模塊完成對數(shù)據(jù)的發(fā)送工作。光模塊選用1×9，155 Mbit/s，1 310 nm的由3.3 V供電的模塊，其發(fā)射功率-22 dBm～+1 dBm。電路連接如圖6所示。該模塊接口要求是LVPECL電平，而FPGA為LVDS電平，兩種電平比較如表4所示。

圖6　光模塊電路圖

表4LVPECL與LVDS電平接口規(guī)范

由于直流耦合適用于當共模電壓不造成問題，且為了避免電容造成的阻抗不連續(xù)的情況，而交流耦合則可用于消除共模電壓，假定一個直流平衡的信號模式，完成不同邏輯電平的匹配，為完成與FPGA的LVDS輸出電平之間的匹配，加入交流電平匹配網(wǎng)絡(luò)，最終設(shè)計中采用的電平匹配網(wǎng)絡(luò)如圖7所示。

圖7　電平匹配電路圖

2.2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接模塊

考慮到接收端從靜子到上位機相距較遠，故加入信號轉(zhuǎn)接模塊，通過簡單的電平匹配并信號增強后將數(shù)據(jù)傳輸至地面站轉(zhuǎn)發(fā)給上位機。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接模塊實現(xiàn)框圖如圖8所示。

圖8　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接模塊

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接模塊的光電轉(zhuǎn)換模塊采用與發(fā)射端相同的模塊，轉(zhuǎn)接模塊通過3.3V電源供電將接收到的激光轉(zhuǎn)發(fā)出去，具體實現(xiàn)電路如圖9所示。

圖9　電平匹配電路圖

2.3接收模塊

接收模塊完成對轉(zhuǎn)接端發(fā)射激光的接收工作。其實現(xiàn)框圖如圖10所示。

圖10　接收模塊實現(xiàn)框圖

考慮到元器件的統(tǒng)一性，接收端采用同發(fā)射端相同的元器件完成對激光的接收工作。其中光模塊的接收靈敏度≤-31 dBm。當接收端接收到激光信號以后，通過LVPECL差分電平傳輸給FPGA的LVDS高速電平接口，其電平轉(zhuǎn)換電路如圖11所示。FPGA在接收到LVDS電平信號后需要完成數(shù)據(jù)解串工作。

圖11　接收端光模塊電平轉(zhuǎn)換電路

數(shù)據(jù)解串流程圖如圖12所示。解串完的數(shù)據(jù)通過MII接口傳輸給KS8995后通過變壓器與RJ45網(wǎng)絡(luò)接口相連，最終通過以太網(wǎng)將采集到發(fā)動機參數(shù)傳輸給上位機接收程序。

圖12　數(shù)據(jù)解串流程圖

2.4無線激光通信

由于發(fā)射模塊與接收模塊直接通過激光進行通信，而激光由光纖頭引出進行發(fā)射，因此，有必要探討光纖對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽９饫w按光在其中的傳輸模式可分為單模光纖和多模光纖。其中，單模光纖的纖芯直徑為8.3 μm，包層外徑125 μm。多模光纖的直徑為50 μm或者62.5 μm，包層外徑為125 μm。光纖的工作波長有短波850 nm、長波1 310 nm和1 550 nm。光纖損耗一般是隨波長增加而減小，850 nm的損耗一般為2.5 dB/km，1.31 μm的損耗一般為0.35dB/km，1.55 μm的損耗一般為0.20 dB/km，這是光纖的最低損耗，波長1.65 μm以上的損耗趨向加大。

單模光纖（Single Mode Fiber）：中心纖芯很細（芯徑一般為9 μm或10 μm），只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用于遠程通訊，但還存在著材料色散和波導(dǎo)色散，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。而多模光纖（Multi Mode Fiber）：芯較粗（50 μm或62.5 μm），可傳多種模式的光，但其模間色散較大，這就限制了傳輸數(shù)字信號的頻率，而且隨距離的增加會更加嚴重。因此，多模光纖傳輸?shù)木嚯x一般為幾km。

由于多模光纖比單模光纖的芯徑要大，而且多模光纖的入射角范圍可以更廣，因此，選取多模光纖作為發(fā)射端激光的發(fā)射光纖并將其作為轉(zhuǎn)接模塊和地面接收模塊之間的光纖通信［12］。

3　上位機設(shè)計

地面站通過將位于航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子部件上采集得到的溫度和壓力信號解串后通過以太網(wǎng)口上傳至上位機接收程序。上位機程序通過VC++Socket編程實現(xiàn)，Socket編程流程圖如圖13所示。

圖13　Socket編程流程圖

上位機接收程序界面如圖14所示。

圖14　上位機接收程序

圖4中，該系統(tǒng)總共可以采集20路溫度信號和10路壓力信號，系統(tǒng)應(yīng)用程序主要由5部分構(gòu)成，分別為：

（1）數(shù)據(jù)采集：選擇數(shù)據(jù)采集前，需要先對對話框的一些參數(shù)進行設(shè)置，包括對采集通道、采集速率以及下位機IP地址和坐標軸參數(shù)的設(shè)置。設(shè)置完參數(shù)后點擊“鏈接下位機”，在工作狀態(tài)指示燈亮起后即可點擊“開始采集”按鈕進行參數(shù)的采集工作，在數(shù)據(jù)采集過程中，軟件能夠?qū)崟r顯示接收到的溫度和壓力曲線，并將接收到的數(shù)據(jù)保存到計算機的硬盤上。

（2）數(shù)字濾波：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模擬輸入信號通常含有各種噪聲，它們主要來自被測信號源本身、傳感器、調(diào)理電路、外界干擾等。為獲取準確的信號參數(shù)，除在硬件上采用相應(yīng)的濾波電路外，在軟件上采用數(shù)字濾波技術(shù)亦可克服隨機噪聲和偶然噪聲。數(shù)字濾波的靈活性克服了模擬濾波的不足，它采用程序?qū)崿F(xiàn)，不用增加硬件設(shè)施，有效地減少了下位機設(shè)備的體積，可靠性好。在本設(shè)計中，發(fā)現(xiàn)采用限幅濾波法、中位值濾波法、算數(shù)平均法和慣性濾波法可以取得較為滿意的結(jié)果。

（3）數(shù)據(jù)保存：選擇數(shù)據(jù)保存按鈕，可以保存當前采集到的數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)標定：傳感器采集到的電壓值與實際電壓值之間往往存在誤差，需要設(shè)計專門的標定程序，對傳感器采集到的電壓值進行標定并將標定系數(shù)固化到程序中從而得到較為準確的溫度及壓力值。

（5）數(shù)據(jù)回顧：選擇數(shù)據(jù)回顧按鈕，可以對已經(jīng)保存的數(shù)據(jù)重繪曲線并對數(shù)據(jù)進行分析。

4　試驗

試驗實物如圖15所示。

圖15　基于激光的航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子部件參數(shù)非接觸傳輸系統(tǒng)

4.1交換機工作試驗

為測試發(fā)射端交換機是否正常工作，將采集模塊接入發(fā)射端交換機的物理層接口，在接收端通過以太網(wǎng)線連接至計算機，通過ping指令，測試交換機是否正常工作，試驗搭建環(huán)境如圖16所示。試驗中，PC機IP地址位192.168.1.99，溫度采集模塊IP地址為192.168.1.100，壓力采集模塊IP地址為192.168.1.101，試驗結(jié)果如圖17所示。

試驗表明，通過以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)多種不同采集模塊之間的互聯(lián)通信具有可行性。

圖16　交換機丟包測試

圖17　交換機丟包試驗結(jié)果

4.2誤碼率試驗

為檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性，以UDP協(xié)議在兩臺計算機之間進行數(shù)據(jù)報傳輸，測試數(shù)據(jù)報的丟失率來間接反映誤碼率。試驗連接示意圖如圖18所示。

圖18　誤碼率試驗連接示意圖

計算機用于測試數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收、比較。光發(fā)射機完成以太網(wǎng)接口與光通信接口轉(zhuǎn)換的功能并以激光的形式發(fā)射出去，光接收機完成光接口與以太網(wǎng)接口的轉(zhuǎn)換并將數(shù)據(jù)上傳至計算機。

采用2種試驗來觀測誤碼率：一是通過改變無線激光之間的通信距離來觀測對誤碼率的影響，二是通過一個恒定的無線激光通信距離，改變數(shù)據(jù)報的長度來觀測其對誤碼率的影響。通過這兩種方式來確定一個適合在航空發(fā)動機上進行無線激光非接觸傳輸?shù)暮侠韰?shù)。

試驗采用簡單的以一臺計算機用UDP協(xié)議向另一臺計算機發(fā)送數(shù)據(jù)報的形式進行。當另一臺計算機接收到數(shù)據(jù)報后對數(shù)據(jù)進行解析判斷，并對接收到的正確數(shù)據(jù)報個數(shù)進行統(tǒng)計，由此得出數(shù)據(jù)報丟失率。試驗中重復(fù)傳輸特定序列。試驗結(jié)果如表5和表6所示。

表6　在非接觸距離為15 mm條件下數(shù)據(jù)報長度對誤碼率的影響試驗結(jié)果

由表5、表6可知，隨非接觸距離與數(shù)據(jù)報長度的增加，數(shù)據(jù)丟失率逐漸增大。

為滿足航空發(fā)動機需要，選取非接觸距離為15 mm，數(shù)據(jù)報長度為256進行參數(shù)設(shè)置。

5　結(jié)論

本文基于FPGA，使用KS8995作為交換機，配合光模塊設(shè)計了一套基于激光的旋轉(zhuǎn)件參數(shù)非接觸傳輸系統(tǒng)。試驗結(jié)果表明：該參數(shù)傳輸系統(tǒng)在非接觸距離15 mm以內(nèi)，數(shù)據(jù)報長度為256以內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸具有穩(wěn)定可靠的工作特性，為航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子參數(shù)傳輸提供了一種可靠的方法。

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賴小皇（1989-），男，漢族，工程碩士，四川自貢人，中國燃氣渦輪研究院，主要研究航空發(fā)動機控制及測試技術(shù)；

于兵（1979-），男，漢族，工學博士，江蘇邗江人，南京航空航天大學能源與動力學院講師，博士，主要研究航空發(fā)動機控制及測試技術(shù)，yb203@nuaa.edu.cn。

Non-Contact Parameters Transmission System for Rotor Parts of Aero Engine Based on Wireless Laser

LAI Xiaohuang1，2，YU Bing1*，MA Xiaodong1
（1.Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power System，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.China Gas Turbine Establishment，Mianyang Sichuan 621000，China）

A high speed non-contact transmission system based on wirelesslaser is designed to meet the requirements of high speed and real time acquisition of the rotor parameters of aero engine.The aero-engine parameters，for example，temperature and pressure etc.，after encoding and forming the standard ethernet frame will be collected to send to the receiving parts on the stator through the laser.At the receiving end，the system will photoelectric convert the data and deserialize it，then by the Ethernet port，the data will be transferred to the upper computer to be analyzed.The laser communication rate of this design can reach 100 Mbit/s，it provides a reliable method for the measurement of the parameters of the aero-engine rotor parts.

laser；telemetering；rotorparts；parameter transmission

TP29

A

1005-9490（2016）05-1224-08

2015-11-04修改日期：2015-12-02

EEACC:832010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.040