基于航空發動機監視裝置的多總線數據傳輸實現

摘 要：現代航空發動機的安全性和運行效率在很大程度上依賴于其關鍵部件的監控與數據采集，發動機監視裝置（Engine Monitoring Unit，EMU）通過多種通信總線與各種傳感器、發動機控制器和地面維護設備通信，以實現發動機運行狀態的監控與維護?，F主要研究EMU中不同通信總線，包括ARINC429、RS422/RS485、以太網等通信標準的數據傳輸實現。深入分析各類總線的硬件實現、數據傳輸機制以及速率調節方法，結合當前航空發動機監控技術的發展，進一步探討未來數據傳輸技術的優化與發展趨勢。

關鍵詞：發動機監視裝置；ARINC429；RS422/RS485；以太網；ARINC615A；總線數據傳輸

中圖分類號：V243.1" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）07-0024-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.07.006

0" " 引言

航空發動機作為現代航空器的心臟，其運行狀態直接影響飛行的安全與效率。為了確保發動機的正常運行，并能夠及時預警潛在的故障，航空工業中一般通過專用設備發動機監視裝置來實現故障預測診斷工作。EMU的主要功能是通過采集各種傳感器監測發動機的轉速、振動、葉尖間隙、滑油金屬屑等重要參數，并將這些數據傳輸到相關的控制系統或地面維護設備進行分析和處理。為了實現數據傳輸功能，EMU須依賴多種通信總線技術，包括ARINC429、RS422/RS485、以太網等[1]，這些總線各具特點，適用于不同的應用場景和數據傳輸需求。ARINC429總線常用于與其他機載航空電子設備進行通信，其傳輸速率較低，但具備很強的抗干擾能力和可靠性[2]。RS422/RS485總線這兩種標準都支持長距離差分信號傳輸，適合在噪聲環境中傳輸高精度數據，RS485具有多節點通信能力，支持多個設備共享同一總線。以太網作為高速通信總線，支持高帶寬的數據傳輸，適用于傳輸大量數據或高速實時數據流。

在EMU中，通信總線是用于數據傳輸的核心介質，根據不同的功能需求，EMU設計中采用了多種總線標準。本文依托某典型發動機監視裝置詳細研究EMU中各類總線的應用與數據傳輸實現，逐一分析ARINC429、RS422/RS485和以太網通信總線的特點、實現方法及其在發動機健康管理系統中的作用，并探討不同總線在EMU中的集成方案和數據傳輸優化策略。

1" " 典型架構與設計

EMU通常由多個子單元構成，包括數據采集單元、數據處理單元及數據存儲單元。其架構設計的關鍵在于實時性，數據傳輸和處理的實時性是EMU設計的核心要求，尤其是在高振動、高噪聲等復雜環境下，通信系統必須保證數據的準確性和及時性。

以典型發動機監視裝置為例，不同的總線在EMU系統中各自承擔不同的任務，ARINC429總線主要用于和飛機通信，傳輸低速關鍵數據，如發動機運行狀態、振動告警信號、振動量級等；RS422總線用于部分傳感器與EMU的通信，負責將葉尖間隙信號、滑油金屬屑信號等實時參數傳輸至EMU處理，同時可作為維護總線打印產品測試信息；RS485總線用于EMU與發動機電子控制器（Electronic Engine Controller，EEC）通信，將采集到的振動、轉速等信號傳遞給EEC；而以太網則更多用于與地面維護設備（Ground Support Equipment，GSE）通信或高速數據的傳輸，如發動機的詳細診斷信息、數據下載、軟件升級等。典型EMU產品數據傳輸架構如圖1所示。

2" " 發動機監視裝置數據傳輸實現

某典型發動機監視裝置由于信號量大、數據傳輸總線類型多、處理復雜等特點，選擇Zynq UltraScale+作為發動機監視裝置的核心處理器，其強大的ARM Cortex-A53處理器的高性能和實時處理能力以及集成的FPGA為EMU提供了靈活性和并行處理能力[3]，這種集成設計簡化了系統復雜性和成本，并能滿足未來需求的擴展。在此架構下，根據發動機監視裝置的多種總線需求，可分為兩種技術路線實現數據傳輸，一種技術路線是使用PS端（Processing System，即處理器系統）自帶的總線控制器，可以直接實現EMU對外的以太網接口通信。但PS端自帶的總線控制器資源有限，無法滿足一些高帶寬和特定協議的總線需求，為突破這些限制，另一種技術路線是通過PL端（Programmable Logic）可編程邏輯來實現RS422/RS485和ARINC429通信協議，并設計足夠的發送和接收緩沖區（FIFO），便于EMU與外部設備進行通信。這種技術方案充分利用了Zynq的可編程特性，實現了更靈活的通信方案，PL實現了底層的RS422/RS485和ARINC429的傳輸協議數據傳輸與處理，通過PS端的軟件，控制PL端的通信任務調度，并管理數據的發送與接收，形成高效的協同工作。

3" " 發動機監視裝置多總線數據傳輸實現

3.1" " EMU中ARINC429的數據傳輸實現

在某典型發動機監視裝置中，ARINC429總線主要用于與飛行控制系統和航空電子系統的通信。通過ARINC429，EMU可以接收飛行狀態信息，并根據發動機的實時狀態調整監控策略。ARINC429的數據幀由32位組成，每個位代表特定的信息類型，如數據字、標簽或源/目的地址，它使用字同步和幀同步技術來確保接收設備能夠正確解析數據[4]，非常適合在高安全性場景下傳輸關鍵數據。由于其速率較低（通常為12.5 kb/s和100 kb/s），該總線常用于傳輸較為簡單的狀態信息，而不適合高速實時數據流傳輸。這種特性決定了ARINC429總線十分適合進行航空發動機健康管理系統中部分關鍵數據的傳輸，確保振動告警、轉速等信息能夠準確無誤地傳輸到飛機監控系統。

ARINC429的數據傳輸基于某典型發動機監視裝置硬件平臺實現，通過FIFO緩存作為數據緩沖區，處理器AXI總線作為PS和PL部分通信的主要橋梁，圖2為基于Zynq處理器的ARINC429的數據傳輸時序流圖。PS部分通過驅動程序完成對PL部分的初始化操作，配置FIFO緩存和ARINC429接口。數據傳輸分為數據發送和數據接收。數據發送路徑：用戶程序請求發送數據，驅動程序將數據通過AXI總線寫入FIFO緩存，PL部分通過硬件讀取數據、完成傳輸協議并通過硬件接口發送；數據接收路徑：ARINC429硬件接口接收到外部設備數據，存儲到接收FIFO緩存并通過AXI通道返回到PS驅動程序。

3.2" " EMU中RS422/RS485總線的數據傳輸實現

在某典型發動機監視裝置中，RS422/RS485總線主要用于與EEC及其他傳感器信號采集裝置通信，選擇RS422/RS485總線的原因主要是其具備強大的抗干擾能力，能夠在惡劣環境中穩定工作，且傳輸速率可調，為不同應用場景提供了靈活的配置選擇。RS422是點對點通信標準，常用于傳感器采集設備或地面維護設備與EMU的直接通信，例如滑油金屬屑信號采集裝置、葉尖間隙信號采集裝置、地面維護設備等；而RS485則支持多節點通信，允許多個EEC子模塊同時與EMU通信，從而實現更復雜的多設備協同工作，同時，RS485的半雙工通信方式確保了數據傳輸的有序性和安全性。

RS422/RS485的數據傳輸基于某典型發動機監視裝置硬件平臺實現，通過FIFO緩存作為數據緩沖區，處理器AXI總線作為PS和PL部分通信的主要橋梁，其工作時序流與3.1節ARINC429總線通信類似。在數據傳輸中，RS422/RS485能夠在9 600、115 200、460 800、921 600 Baud之間調節通信速率。這一設計確保了在不同情況下，系統能夠根據數據量的變化靈活調整通信帶寬，提高數據傳輸效率，這種速率調節機制通過軟件配置實現，能夠根據任務的優先級和數據量動態調整通信參數。

3.3" " EMU中以太網通信與ARINC615A軟件加載實現

以太網通信在某典型發動機監視裝置中的應用，特別是與地面維護設備的通信，提供了高速的數據傳輸通道。通過支持UDP/IP協議棧、TFTP文件傳輸協議等，以太網能夠處理大數據量的實時數據流和文件傳輸任務，其高帶寬特性使其成為發動機狀態監控、數據記錄和維護日志下載的首選總線。地面維護設備通過百兆以太網接口與EMU進行通信，主要用于傳輸維護日志、發動機運行數據以及診斷信息。此接口還承擔著非常重要的功能——發動機監視裝置的軟件升級。軟件升級通過ARINC615A協議實現，該協議是航空領域廣泛使用的軟件加載標準[5]，尤其適用于機載系統的維護和更新，協議提供了標準化的流程和指令集，用于確保軟件加載過程中的安全性和一致性。ARINC615A協議的使用不僅簡化了軟件更新的操作，還確保了飛行安全的關鍵系統在升級過程中的可靠性。

在EMU的設計中，ARINC615A協議用于通過地面維護設備對EMU進行軟件或固件的升級，確保系統能夠加載最新的軟件版本并在每次維護后保持最佳狀態。通過ARINC615A協議進行軟件升級的過程中，安全性是一個非常重要的考慮因素，由于EMU控制著發動機的關鍵運行參數，任何升級過程中的錯誤都可能導致嚴重的后果。EMU軟件加載的工作流程可以簡單描述為以下幾個步驟：

1）連接建立：地面維護設備通過以太網接口與EMU建立連接，在升級開始前，地面維護設備和EMU之間需要進行身份驗證，以確保只有經過授權的維護人員和設備才能進行軟件更新。此外，數據傳輸過程中通過加密技術保護軟件包的完整性和機密性，防止外部攻擊或篡改。

2）軟件包驗證：在正式開始加載前，維護設備會通過ARINC615A協議中的驗證機制，確保待加載的軟件包是正確的版本且其校驗和（checksum）正確。這一步驟可防止由于文件損壞或版本不兼容而導致的系統故障。

3）數據傳輸：一旦軟件包驗證通過，ARINC615A協議負責控制軟件包的數據傳輸。由于以太網具有較高的傳輸速率，軟件包可以快速傳輸到EMU。

4）校驗與確認：傳輸完成后，系統會對接收到的軟件包進行完整性校驗（CRC校驗），確保數據在傳輸過程中未損壞。校驗成功后，EMU向地面維護設備發送確認信息，指示升級成功。為保證軟件升級的安全性，EMU還設計了容錯與回滾機制，如果在升級過程中發生錯誤，ARINC615A協議還支持回滾，允許系統恢復到先前的版本，確保系統能夠繼續正常運行。這樣，即使在軟件升級失敗的情況下，系統也不會完全失效，從而保障了飛行的安全性。

5）系統重啟：一旦新軟件包成功加載并經過校驗，EMU系統將自動重啟，加載新的軟件版本并開始工作。

4" " ARINC429總線與RS422/RS4585總線驗證情況

不同于以太網直接使用處理器芯片控制器配合軟件實現ARINC615A功能，RS422/RS485及ARINC429是通過自研PL邏輯與PS端軟件配合，為了驗證自研PL邏輯功能及穩定性，須單獨開展通信總線測試工作。具體測試方法如下：在測試設備端通過串口調試工具加載數據源文件，設備定時向EMU發送文件，內容為2 kB數據，9 600 Baud波特率定時周期為5 s，其他通信速率定時周期為1 s，測試時間2 h。表1為RS422/RS485及ARINC429通信總線測試結果。

根據表1測試結果，基于某典型發動機監視裝置平臺的RS422/RS485及ARINC429總線通信穩定，無數據丟包現象。目前該平臺已隨發動機開展了大量試車試驗，通信總線可靠。

5" " 結論與展望

本文詳細分析了ARINC429、RS422/RS485和以太網等總線的應用及其在EMU中的數據傳輸實現方法，特別是通過ARINC615A協議進行的以太網軟件升級工作，為軟件加載和更新提供了標準化、可靠的機制，并結合以太網的高速傳輸能力，實現了快速、安全的軟件升級。

隨著EMU技術的發展，更多的智能診斷與通信技術將被引入EMU系統。未來，EMU系統可能會通過結合智能診斷系統，自動檢測軟件的健康狀態，提前識別需要更新的軟件模塊，并通過ARINC615A自動下載和安裝軟件補丁。通過這種方式，軟件升級過程將更加智能化、自動化，減少人為操作帶來的不確定性，進一步提升系統的監控能力和升級效率，為航空發動機的運行和維護提供更加堅實的技術保障。

[參考文獻]

[1] 楊建新，彭海軍，錢玉瑩.機載數據總線拓撲結構的數學描述[J].航空計算技術，2017，47（2）：113-116.

[2] 宋丫，李興智，劉逸涵.機載通信ARINC429協議總線心跳故障案例分析[J].山西電子技術，2021（5）：29-31.

[3] 侯小盈，武金睿，馮毅.基于ZYNQ Ultrascale+MPSOC的通用處理模塊關鍵技術研究[J].信息技術與信息化，2023（6）：133-136.

[4] 淮治華，田澤，田鋒，等.ARINC429總線控制器模塊設計與實現[J].計算機技術與發展，2015，25（4）：197-199.

[5] 孫永林.基于ARINC615A協議的通用軟件架構設計與優化[J].計算機與網絡，2021，47（2）：60-64.

收稿日期：2024-12-23

作者簡介：謝宇辰（1992—），男，內蒙古呼和浩特人，碩士，工程師，研究方向：發動機健康管理。