某型發(fā)動機參數(shù)顯示系統(tǒng)的測試與故障診斷系統(tǒng)設計

陳海牛

摘要：針對直升機配裝的某型發(fā)動機參數(shù)無法進行單獨檢測、修理難度大、修理質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，設計了一套基于ARINC429、RS422/232等總線架構的自動測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)以工控計算機為核心，將模擬信號、電源信號傳輸至產(chǎn)品接口，實現(xiàn)該型發(fā)動機參數(shù)顯示器的發(fā)動機工作狀態(tài)參數(shù)采集與顯示功能、發(fā)動機歷程參數(shù)讀寫功能中自動測試和手動測試功能。

關鍵詞：發(fā)動機參數(shù)顯示器；測試；故障診斷；通信協(xié)議

Keywords：engine parameter display system；testing；fault diagnosis；communication protocol

0 引言

發(fā)動機參數(shù)顯示系統(tǒng)是飛機/直升機重要的航空電子設備，其主要任務是實時監(jiān)控并記錄左右發(fā)動機、主減速器的工作狀態(tài)，包括左右發(fā)自由渦輪轉速、左右發(fā)燃氣渦輪轉速、左右發(fā)轉速占空比、旋翼轉讀、左右發(fā)滑油溫度、主減滑油溫度、左右發(fā)滑油壓力、主減滑油壓力、左右發(fā)液壓壓力、左右發(fā)燃油壓力、左右發(fā)排氣溫度、直流電壓等參數(shù)，并對系統(tǒng)故障信息給予報警，保證飛行安全[1]。

目前，各型直升機均配裝了發(fā)動機參數(shù)顯示系統(tǒng)，包含多種不同型號、不同原理的發(fā)動機參數(shù)顯示系統(tǒng)[2]。發(fā)動機參數(shù)顯示系統(tǒng)生產(chǎn)廠家需針對各型直升機/飛機需求搭建發(fā)動機參數(shù)顯示系統(tǒng)，以滿足用戶需求[3]；直升機修理工廠需在總體整機裝配調(diào)試前離位檢查相關裝機產(chǎn)品的性能指標、參數(shù)，并對故障產(chǎn)品進行修理，根據(jù)需求對故障率較高、易發(fā)生故障的發(fā)動機參數(shù)顯示系統(tǒng)配置檢測設備。用戶使用過程中發(fā)現(xiàn)，某型發(fā)動機參數(shù)顯示系統(tǒng)故障率較高，系統(tǒng)內(nèi)包含發(fā)動機參數(shù)顯示器、發(fā)動機參數(shù)采集器，故障產(chǎn)品無法快速確認，不易定位故障原因及部位[4，5]。因此，研制一套該型發(fā)動機參數(shù)顯示系統(tǒng)測試與故障診斷系統(tǒng)極為必要，可以快速檢測故障原因，定位故障部位，實現(xiàn)高效縮短故障檢測和排除周期的目的[6]。

本文所設計的發(fā)動機參數(shù)顯示系統(tǒng)測試與故障診斷系統(tǒng)是以自動測試為基礎，借助計算機實現(xiàn)基本控制，對被測試的產(chǎn)品展開自動化的測量與故障診斷、數(shù)據(jù)處理以及存儲和傳輸?shù)龋詈笸ㄟ^計算機將系統(tǒng)的測試結果輸出或顯示出來[7，8]。該測試系統(tǒng)集計算機技術、信息技術、通信技術、微電子技術以及數(shù)據(jù)庫管理技術于一體，可以為該型發(fā)動機參數(shù)采集系統(tǒng)的測試與故障診斷提供一定的幫助[9]。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 總體結構設計

綜合測試臺由工控機、電氣接口、離散量顯示模塊、直流線性電源、滑油溫度仿真模塊、離散量輸出模塊、AC電源產(chǎn)生模塊、直流電壓產(chǎn)生模塊、校正電阻控制模塊、頻率信號發(fā)生模塊構成，總體結構如圖1所示。

主控系統(tǒng)采用工控機作為硬件平臺，配備通用ARINC429通信卡、RS485/ RS422/ RS232串口卡作為整個系統(tǒng)的核心資源，通過軟件配置及輸出控制來實現(xiàn)被測產(chǎn)品的檢測需求。供電系統(tǒng)由總電源箱和程控交流電源箱構成，總電源箱內(nèi)置DC28V電源模塊完成被測產(chǎn)品供電，程控交流電源箱提供115V電壓加溫功能。

1.2 系統(tǒng)檢測內(nèi)容及要求

通過對該型發(fā)動機參數(shù)顯示系統(tǒng)的調(diào)研，確定測試與故障診斷系統(tǒng)應輸出電源、模擬信號范圍及精度。

完成某型發(fā)動機參數(shù)顯示系統(tǒng)使用性能檢測，包括但不限于以下內(nèi)容：輸入模擬量；輸入離散量信號測量；輸出離散量信號；總線接口；輸出傳感器激勵電源；發(fā)動機歷程參數(shù)記錄等。圖2為測試系統(tǒng)原理框圖。

1）電源輸出

發(fā)動機參數(shù)顯示系統(tǒng)的總供電電源要求為+28V、±0.4V電源輸出，負載能力不小于280W，紋波不大于5%，電壓準確度不大于5%。

2）頻率量輸出

模擬產(chǎn)生左發(fā)自由渦輪轉速Nf、右發(fā)自由渦輪轉速Nf、左發(fā)燃氣渦輪轉速Ng、右發(fā)燃氣渦輪轉速Ng、左發(fā)△Ng（占空比）、右發(fā)△Ng（占空比）、旋翼轉讀Nr共7路頻率信號，每路頻率信號針對固定頻率值可調(diào)，信號精度為±0.1Hz。

3）滑油溫度仿真

模擬產(chǎn)生左發(fā)滑油溫度Tm、右發(fā)滑油溫度Tm、主減滑油溫度Mt共3路滑油溫度仿真電阻，每路信號針對固定阻值可設置，阻值精度為±0.1Ω。

4）模擬量輸出

模擬產(chǎn)生直流電壓信號并輸出至相應接口，具體要求為：左右發(fā)滑油壓力Pm，精度±0.01V；主減滑油壓力Mp，精度±0.01V；左右液壓壓力Hp，精度±0.01V；左右發(fā)燃油壓力Pf，精度±0.01V；左右發(fā)排氣溫度T45，要求精度±0.001V；直流電壓VDC，精度±0.01V；直流電流IDC，精度±0.001V。共計11路信號。

5）交流電壓輸出

產(chǎn)生交流電壓VAC仿真電壓和交流電流IAC仿真信號，交流電壓VAC和交流電流IAC仿真電壓信號針對固定值可設置，同時具備手動線性調(diào)節(jié)功能，手動調(diào)節(jié)范圍VAC為95～125V，最大和最小值誤差±2V；IAC為0～6V，最大和最小值誤差為±1V。

6）離散量輸出

采用扳扭開關形式實現(xiàn)地/懸空信號的輸出，具體為：空地信息、安裝放砂濾的信息、左發(fā)放氣活門、右發(fā)放氣活門、左發(fā)油門桿脫離中心位置信息、右發(fā)油門桿脫離中心位置信息、左發(fā)OEI30″狀態(tài)被選擇、右發(fā)OEI30″狀態(tài)被選擇、左發(fā)OEI2″狀態(tài)被選擇、右發(fā)OEI2″狀態(tài)被選擇、歷程參數(shù)讀取。共計11路離散量輸出信號。

7）離散量顯示

采用信號指示燈形式實現(xiàn)離散量顯示功能，該離散量信號均為產(chǎn)品內(nèi)部DC+28V的地或懸空信號，當輸入為地信號時燈亮，當輸入為懸空信號時燈滅。具體為：左發(fā)最大連續(xù)功率、左發(fā)最大起飛功率、左發(fā)最大中等應急功率、右發(fā)最大連續(xù)功率、右發(fā)最大起飛功率、右發(fā)最大中等應急功率、左右發(fā)扭矩和超差、左右發(fā)扭矩差超差。共計8路離散量信號。

8）發(fā)動機歷程參數(shù)讀寫功能

系統(tǒng)應具備對發(fā)動機參數(shù)顯示系統(tǒng)內(nèi)發(fā)動機歷程參數(shù)的讀寫功能，讀取發(fā)動機Ng循環(huán)數(shù)、發(fā)動機批號、空地信息、直升機批號等信息，并及時反饋是否與發(fā)動機當前狀態(tài)相符。在更換發(fā)動機或機體后可重新寫入發(fā)動歷程參數(shù)數(shù)據(jù)，確保及時更新。

2 系統(tǒng)硬件設計

測試系統(tǒng)硬件由直流線性電源、頻率信號發(fā)生模塊、滑油溫度仿真模塊、離散量輸出模塊、離散量輸入模塊、AC電源產(chǎn)品模塊、直流電壓產(chǎn)生模塊、校正電阻控制模塊、工控機、ARINC429通信、RS422/232通信等組成。

2.1 直流線性電源設計

直流電源為發(fā)動機參數(shù)顯示系統(tǒng)供電電源，要求+28V、±0.4V電源輸出，負載能力不小于280W，紋波不大于5%，電壓準確度不大于5%，通過增加控制模塊，實現(xiàn)電壓和電流的回采、電源的輸出控制和程控電壓拉偏。選用滬儀科技定制的開關電源模塊，功耗初步額定為300W，電壓DC26V-32V，紋波不大于5%，電壓準確度不大于5%

2.2 頻率信號發(fā)生模塊

頻率信號發(fā)生模塊選用凱銳CHR46301。該模塊是基于PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集計數(shù)器功能模塊，具有8路32位可編程計數(shù)器，計數(shù)器類型為遞減計數(shù)，模塊工作方式為脈沖計數(shù)，為32路TTL數(shù)字輸入輸出，輸入/輸出方向可軟件編程設置；帶有可編程數(shù)字濾波器，濾波頻率為0～10MHz；支持上升沿、下降沿或者上升下降沿。圖3為頻率信號發(fā)生模塊示意框圖。

2.3 滑油溫度仿真模塊

滑油溫度仿真模塊設計制作阻抗板，線路中預設固定電阻加高精度的可調(diào)電位器，通過繼電器切換實現(xiàn)仿真電阻值的切換。

1）滑油溫度仿真模塊功能框圖設計

滑油溫度仿真模塊通過MCU接收RS232指令，經(jīng)軟件解析指令，控制MCU對應16路IO口輸出，從而實現(xiàn)控制繼電器觸點動作，接通對應電阻檔位。用戶也可通過RS232發(fā)送查詢指令，通過MCU讀取對應IO口的狀態(tài)來實現(xiàn)對電阻中狀態(tài)值的讀取。

2）電阻匹配部分設計

測試臺需要3路滑油溫度仿真電阻，每1路需要5種電阻配置，因此每組提供5個雙刀單擲的繼電器進行電阻檔位的切換，將對應電阻值串在繼電器2個開關中。CH1～CH4采用1個固定電阻和1個高精度電位器串聯(lián)的方式實現(xiàn)對應電阻值的匹配。CH5通過接線端子接至適配箱前面板對應油溫的電位計，通過旋轉電位計實現(xiàn)油溫電阻值的手動調(diào)節(jié)。

3）微控制單元（MCU）設計

微控制單元選用ST的MCU STM32F103CBT6，該芯片為工業(yè)級MCU，工作溫度為-40℃～+85℃，滿足使用環(huán)境要求。STM32F103CBT6具有37路IO口，同時具有多個UART，可實現(xiàn)與外部1路RS422的通信。

2.4 離散量輸出模塊與離散量顯示模塊

離散量輸出模塊與離散量顯示模塊在方案中選用凱銳CHR44302。CHR44302是一款基于PCI總線的DIO功能模塊，支持24路隔離數(shù)字量輸入、24路隔離固態(tài)繼電器輸出。輸入電壓范圍為±60V，高電平門檻值為18V，低電平門檻值為1V。固態(tài)繼電器輸出最大負載電壓達250VDC，電流達250mA。

2.5 AC電源產(chǎn)生模塊

AC電源產(chǎn)生模塊選用朝陽電源4NIC-JT2BP91.7，該電源為定制AC電源，具有過流過壓過熱和短路保護，220V電壓輸入端具有濾波功能。

支持交流電壓AC仿真電壓仿真；固定值可設置，同時具備手動線性調(diào)節(jié)功能和程控調(diào)節(jié)；手動調(diào)節(jié)范圍VAC為95～125V，最大和最小值誤差為±2V，輸出功率0.75A；通過引出計量孔監(jiān)測點來監(jiān)測電壓值，程控調(diào)節(jié)在100V/400Hz、107V/400Hz、115V/400Hz、120V/400Hz之間快速切換，可通過微調(diào)旋鈕對電壓進行校準（當發(fā)現(xiàn)實際固定輸出電壓與需求有偏差時，能進行微調(diào)以達到需求電壓）；程控與手控通過開關切換。

支持交流電流AC仿真信號（0.96V / 400Hz、2.4V/400Hz、4.8V/400Hz、5.76V/400Hz）；固定值可設置，同時具備手動線性調(diào)節(jié)功能和程控調(diào)節(jié)；手動調(diào)節(jié)范圍IAC為0.1～6V，最大和最小值誤差為±1V，輸出電流0.75A；具備過壓過流保護功能，通過引出計量孔監(jiān)測點來監(jiān)測電壓值，程控調(diào)節(jié)在0.96V/400Hz、2.4V/400Hz、4.8V/400Hz、5.76V/400Hz之間快速切換，可通過微調(diào)旋鈕對電壓進行校準（能支持精度的微調(diào)，當發(fā)現(xiàn)實際固定輸出電壓與需求有偏差時，能進行微調(diào)以達到需求電壓）；程控與手控通過開關切換。

2.6 直流電壓產(chǎn)生模塊

直流電壓產(chǎn)生模塊選用凱銳的CHR42302和滬儀科技定制的模擬信號源，其中精度為0.01V的模擬量信號用凱銳CHR42302實現(xiàn)，精度為0.001V的模擬量信號用滬儀科技定制的模擬信號源實現(xiàn)。CHR42302是一款基于PCI總線設計的數(shù)據(jù)采集模塊，該模塊具有32路單端/16路差分模擬量輸出；模塊分辨率為16bit；最大輸出范圍為±10V，可定制輸出范圍為±15V或±30V；可在該基礎上額外定制輸出32V以上；系統(tǒng)精度可達0.03%FSR。

滬儀科技定制的模擬信號源設計為最大可輸出100mV，最多可設計為10路獨立的模擬信號輸出，精度可達1mV，可通過串口控制模擬電壓值的變化。

2.7 校正電阻控制模塊

校正電阻控制模塊選用多圈電位器實現(xiàn)。

2.8 工控機

工控機選用研華AIMB-701工控機主板，可支持IntelCore i7/i5/i3處理器，搭載H61芯片組；具有兩個內(nèi)存插槽，最大支持16GB DDR3 1066/ 1333/1600MHz；支持VGA/DVI-D雙顯和雙GbE LAN；支持RS-232/422/485，帶有自動流控制；支持1個PXIe x16和5個PCI擴展槽；主板上CPU選用Core i7，速率可達3.4GHz；內(nèi)存8GB；硬盤1T SSD。

2.9 ARINC429通信

ARINC429通信選用凱銳CHR32304。CHR32304是根據(jù)ARINC429數(shù)據(jù)總線通信協(xié)議研發(fā)的基于PCI總線的通信模塊，可完成4路發(fā)送4路接收；模塊波特率可設置為10K、12.5K、48K、50K、100K、150K；數(shù)據(jù)隨時可更新，發(fā)字間隔、消息間隔、發(fā)送消息的預訂數(shù)量和發(fā)出數(shù)據(jù)量可設置；可接收添加時標、接收標號過濾和中斷接收；可設置接收使能、發(fā)送和接收的FIFO復位功能；發(fā)送FIFO有511×32BIT，接收FIFO有（1M-1）×32BIT。圖4為429通信示意框圖。

2.10 RS422/232通信

RS422通信與RS232通信共用一塊通信板卡，選用凱銳的CHR34303。CHR34303是一款基于PCI總線的串口通信模塊，該模塊為8路 RS232/422/485智能通信模塊，每路接收FIFO為4Mbyte，發(fā)送FIFO為（8K-1）Byte；模塊波特率可自行編程設定，最高可達2Mbps，傳輸速率快；RS232波特率2400-115.2kbps，RS422/485波特率2400-2Mbps；停止位、校驗位均可編程設置；模塊可編程設定RS232/422/485接口方式；支持8路虛擬串口功能。圖5為422通信與232通信示意框圖。

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件是整個測試系統(tǒng)的核心和靈魂，測試軟件的設計風格應統(tǒng)一，功能單元采用模塊化設計，使軟件單元具有良好的可復用性，被測產(chǎn)品的檢測需全部通過軟件實現(xiàn)，因此軟件開發(fā)是該測試系統(tǒng)研制的重要工作內(nèi)容。針對所需的測試任務，選擇合適的程序設計方法將有利于簡化軟件開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期，同時便于其進一步升級改造和維護[10]。

3.1 軟件開發(fā)及運行環(huán)境

操作系統(tǒng)：Windows系統(tǒng)；編程語言：Python、C++；儀器驅動采用廠商提供的驅動。

3.2 軟件架構

測試設備軟件基于智能測試平臺進行開發(fā)。該平臺是基于Tornado開發(fā)的B/S架構軟件平臺，具備測試項編輯、測試任務管理、調(diào)試頁面管理等基本功能，可針對項目進行定制化的測試任務、調(diào)試頁面開發(fā)。

引入驅動中間件架構，通過驅動中間件實現(xiàn)服務器端獲取的測試需求與硬件資源調(diào)配間的映射。

圖6為軟件測試流程圖。

3.3 軟件組成

平臺具備用戶管理、測試任務管理、調(diào)試頁面管理、歷程參數(shù)讀寫等功能。支持口令登入驗證功能，支持測試過程自動化，并能夠記錄整個測試數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)自動化分析，具備歷程參數(shù)讀取和編輯等功能。

測試軟件基于該平臺進行二次開發(fā)，在平臺上進行測試用例的編輯，并由測試任務、調(diào)試頁面對其進行調(diào)用。測試軟件包組成如表1所示。

1）驅動中間件

驅動中間件控制所有板卡資源，通過接收上層主控設備下發(fā)的指令，進行解析后，按照指令要求控制板卡的收發(fā)，并將接收到的數(shù)據(jù)進行封裝，上傳給主控設備。

驅動中間件將所有板卡的初始化、發(fā)送、接收等API接口進行二次封裝。平臺通過中間件實現(xiàn)對硬件資源的調(diào)配。包含總線有：ARINC429驅動；串口總線驅動；模擬量驅動；離散量驅動。

2）測試用例軟件

測試用例軟件包是所有測試任務與調(diào)試功能中調(diào)用的最小可執(zhí)行單元的集合。每個測試用例實現(xiàn)一條測試需求，且可被不同的測試任務、調(diào)試頁面調(diào)用。

測試用例清單如表2所示，并將根據(jù)實際需求不斷擴充。

3）自檢測功能

自檢測功能測試用例中，平臺經(jīng)由中間件，先通過指定總線向被測產(chǎn)品下發(fā)自檢測命令，然后通過指定總線接收產(chǎn)品自檢返回值。平臺對比返回值與產(chǎn)品通信規(guī)約得出自檢測結果。當中間件接收的產(chǎn)品自檢返回值與通信規(guī)約自檢正確返回值一致時，判定合格。

4）測試任務軟件

測試任務是測試用例的集合，按驗收測試需求排列，具備執(zhí)行測試、循環(huán)測試的功能，可在測試過程中暫停測試，可在測試結束后自行匯總測試結果并提供導出結果。該軟件可在驗收測試流程中使用。

5）調(diào)試頁面軟件

調(diào)試任務軟件是測試用例的集合，按日常調(diào)試需求組成。在開發(fā)調(diào)試頁面的過程中，將測試用例作為事件與調(diào)試頁面面板上的控件進行綁定。最終在B/ S架構中實現(xiàn)可在瀏覽器端使用的、近似仿真軟件可執(zhí)行程序的頁面[10]。該軟件可在日常調(diào)試時使用。

用戶通過調(diào)試頁面上的控件可以執(zhí)行對產(chǎn)品的既定調(diào)試邏輯，產(chǎn)品給出的返回值會在調(diào)試頁面的控件或控制臺展示，形成從調(diào)試頁面UI、測試用例、驅動中間件、硬件資源到被測產(chǎn)品的完整鏈路。

4 系統(tǒng)測試驗證

按工廠某型發(fā)動機參數(shù)顯示系統(tǒng)產(chǎn)品修理工藝文件，實現(xiàn)了發(fā)動機參數(shù)顯示系統(tǒng)的性能測試與故障診斷，可將故障定位到SRU級。SRU之間的基本關聯(lián)有串聯(lián)、分支、合并、反饋等，可根據(jù)產(chǎn)品的組成結構原理，結合測試結果進行分析判斷。

通過檢查各性能參數(shù)，系統(tǒng)判定是否合格，確定產(chǎn)品是否故障，若超出誤差范圍，系統(tǒng)提示不合格并高亮標紅。通過檢測多件發(fā)動機參數(shù)顯示系統(tǒng)，并結合機上通電檢查情況，可確定產(chǎn)品工作狀態(tài)。表3為使用測試與故障診斷系統(tǒng)對6件發(fā)動機參數(shù)顯示系統(tǒng)的測試結果，其中5件為合格，1件為不合格。對不合格產(chǎn)品內(nèi)部硬件進行檢查，確定了故障部位，通過調(diào)整內(nèi)部的電阻值排除了故障。

5 結束語

本文重點闡述了某型發(fā)動機參數(shù)顯示器測試與故障診斷系統(tǒng)的總體架構、系統(tǒng)硬件和軟件的設計方案，經(jīng)詳細設計和研制生產(chǎn)，產(chǎn)品獲得了成功，經(jīng)使用驗證，各項性能均滿足測試需求。該測試系統(tǒng)已在修理工廠投入使用，工作穩(wěn)定、性能良好，通過了鑒定，可保障某型發(fā)動機參數(shù)顯示系統(tǒng)的性能檢測、故障定位，滿足直升機修理需求。后續(xù)可在該系統(tǒng)的基礎上，利用其硬件資源，研制適配器、開發(fā)測試軟件，以滿足更多發(fā)動機參數(shù)顯示系統(tǒng)的測試需求。

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