一種基于嵌入式平臺的原位測試設(shè)備研制

盧建華,吳曉男,陳萬勇,王新華

(1.海軍航空工程學(xué)院 自動控制系,山東 煙臺 264001;2.92635部隊,山東 青島 266041;3.92742部隊,遼寧 山海關(guān) 066203)

飛機發(fā)動機在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速和高負荷等極為苛刻的條件下工作，為了保證飛機的飛行安全和作戰(zhàn)、訓(xùn)練任務(wù)的完成，必須保證發(fā)動機及其系統(tǒng)的工作可靠性，所以在飛行出動前、日常維護、定檢等工作中必須對發(fā)動機的各狀態(tài)參數(shù)進行檢測。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[1-2]。目前檢測發(fā)動機狀態(tài)的設(shè)備，一般體積、重量大，集成度低，導(dǎo)致機動性和靈活性較差，不能很好地滿足現(xiàn)代作戰(zhàn)對發(fā)動機測試的要求，且給地勤人員增加了飛機的維護保障難度，影響了飛機的保障效率。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)動機狀態(tài)原位監(jiān)測設(shè)備尤為迫切。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

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、燃氣溫度等；壓力包括發(fā)動機副油道壓力、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)動機狀態(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，機載傳感器測量被測對象發(fā)動機的各種物理量 (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)化為標準電信號送給嵌入式測試平臺，測試平臺對輸入信號進行相關(guān)運算和處理后、通過液晶屏顯示最終的測試結(jié)果，并實時保存測試數(shù)據(jù)，為地勤人員進一步對發(fā)動機進行故障分析與診斷。

圖1 發(fā)動機測試系統(tǒng)的總體構(gòu)成

2 硬件設(shè)計

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)計要求，所設(shè)計的嵌入式平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由最小系統(tǒng)和各種外圍擴展電路接口組成。嵌入式平臺采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計，頂層為最小核心系統(tǒng)層，底層為外圍擴展模塊層。

圖2 硬件平臺結(jié)構(gòu)框圖

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)由嵌入式實時操作系統(tǒng)Windows CE進行系統(tǒng)管理和運行應(yīng)用程序，采用Flash存儲器來存儲操作系統(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，地址指針首先指到Flash的第一個地址，執(zhí)行Boot Loader進行系統(tǒng)初始化，將操作系統(tǒng)本身拷貝解壓到SDRAM中，讓整個操作系統(tǒng)在SDRAM里執(zhí)行，使系統(tǒng)達到最佳的速度。SD卡保存每次測試的結(jié)果,建立數(shù)據(jù)庫，提供大容量的存儲空間[4]。LCD接口為嵌入式處理器提供自由、強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)計了必要的擴展按鈕、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。時鐘模塊由12 MHz的系統(tǒng)時鐘和32.768 kHz的實時時鐘組成。Multi-ICE接口用于S3C2410的在線調(diào)試。

2.2 發(fā)動機信號采集處理模塊設(shè)計

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)，計算出實時的測量值，同時利用軟件繪制出發(fā)動機各個參數(shù)的試車曲線,記錄并保存測試數(shù)據(jù)。

2.2.1 FPGA設(shè)計與配置

圖3 信號采集處理模塊組成

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)計過程中將XC2S100E工作于主動串行模式。FPGA的程序存放在外部PROM XC18V01中，這些程序可以通過加電自動加載到FPGA中或通過命令加載。在主動串行模式下，系統(tǒng)加電時產(chǎn)生一個驅(qū)動XC18V01的時鐘信號，通過這個時鐘脈沖，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

采用嵌入式單片機和FPGA相結(jié)合對轉(zhuǎn)速測量模塊進行設(shè)計，通過對轉(zhuǎn)速信號的采集、運算和分析實現(xiàn)對發(fā)動機運行狀態(tài)的在線監(jiān)測。某型發(fā)動機四路轉(zhuǎn)速信號經(jīng)機載傳感器轉(zhuǎn)化為四路頻率信號，該頻率信號經(jīng)74LV04反向驅(qū)動后，送入FPGA的I/O口采集計數(shù)，然后嵌入式單片機通過數(shù)據(jù)總線讀取FPGA的計數(shù)值，并通過軟件計算出最終的轉(zhuǎn)速值。所設(shè)計的電路如圖4所示。圖中，F(xiàn)PGA實現(xiàn)時間門限的開通、關(guān)閉及計數(shù)，然后將計數(shù)值送入嵌入式軟件平臺，實時計算出發(fā)動機的轉(zhuǎn)速值。20 MHz晶振時鐘電路為FPGA提供外部標準時鐘信號。LED1～LED4為狀態(tài)指示燈。根據(jù)指標要求，頻率的分辨率等于1 Hz，因此程序中把對頻率的計數(shù)門限時間設(shè)為1 s，門限時間的設(shè)置以外部的參考晶振為基準，通過計數(shù)器實現(xiàn)。

2.2.3 溫度與壓力測量模塊的設(shè)計

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運算值，并通過軟件做較簡單的計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編程來實現(xiàn)；(2)信號調(diào)整電路：以美國ADI公司的運算放大器AD8605為核心進行設(shè)計；(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]。

圖4 FPGA與配置芯片電路和頻率測量電路

3 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

測試系統(tǒng)軟件設(shè)計包括Windows CE的移植、驅(qū)動程序開發(fā)和應(yīng)用程序設(shè)計[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，可以被裁減和重新配置，具有很強的擴展性。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)境中進行應(yīng)用軟件和驅(qū)動程序的開發(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，適當?shù)夭脺p、添加組件，對某些配置文件進行修改；然后封裝所需要的功能模塊，編譯生成OS鏡像文件。設(shè)計中，設(shè)備要為自己定制目標設(shè)備，則需開發(fā)Boot Loader和驅(qū)動程序；最后把鏡像文件下載到目標設(shè)備，進行調(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，運行后加到EVC中，可在特定的硬件平臺上進行應(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，同時還包括編程指導(dǎo)和 API參與設(shè)備驅(qū)動工具包(DDK)。(3)通過 JTAG仿真器將Windows CE映象文件下載到Flash存儲器中，然后脫機，按下測試系統(tǒng)的電源鍵，屏幕上將會顯示W(wǎng)indows CE開啟畫面，說明Windows CE已經(jīng)成功運行。

以后若要添加Windows CE下運行的應(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源碼的實現(xiàn)思想，根據(jù)實際硬件平臺將Boot Loader代碼分為NBoot(Nand Flash Boot Loader)和 EBoot(Ethernet Boot Loader)兩部分實現(xiàn)。

NBoot啟動代碼是最先執(zhí)行的部分，主要為后面啟動Windows CE內(nèi)核鏡像和下載Windows CE內(nèi)核鏡像準備基本的硬件環(huán)境。

EBoot負責各個設(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)動和加載內(nèi)核鏡像的相關(guān)準備工作。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)動程序開發(fā)

驅(qū)動程序?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)動軟件可驅(qū)動內(nèi)部和外圍的硬件設(shè)備，或者為它們提供接口。本設(shè)計主要開發(fā)了SD卡驅(qū)動程序，而其他驅(qū)動程序都可在BSP模板里找到，不需要開發(fā)。

SD卡驅(qū)動設(shè)計包括插卡的自動檢測:SD初始化和卡的讀寫操作。本設(shè)計采用PB來開發(fā)SD卡流接口驅(qū)動程序。首先在PB中創(chuàng)建SD驅(qū)動程序工程，然后在該工程中搭建一個簡單動態(tài)鏈接庫，最后將流接口驅(qū)動程序入口函數(shù)添加到動態(tài)鏈接庫，同時編寫該驅(qū)動程序的注冊表部分即可。

3.3 應(yīng)用程序設(shè)計

應(yīng)用程序用于監(jiān)測航空發(fā)動機試車工作狀態(tài)并輔助機務(wù)人員維修排故。它可以實時地對發(fā)動機試車過程中溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等多路模擬量和頻率量，以及多路開關(guān)量進行數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、報警，并對主要試車性能參數(shù)進行分析，指導(dǎo)機務(wù)人員的維修排故。程序功能如圖6所示。

圖6 應(yīng)用程序功能圖

信號設(shè)置與標定模塊：實現(xiàn)對所要采集的發(fā)動機信號相關(guān)信息的設(shè)置，并對信號進行標定以修正測量通道的誤差。發(fā)動機信號的實時采集處理與顯示模塊：完成發(fā)動機各路信號的實時采集，并對采集的信號進行相關(guān)的處理和運算，同時實時地繪制出信號的時間曲線以便于觀測信號的動態(tài)變化，從而監(jiān)視發(fā)動機在不同時刻的工作狀態(tài)。維修信息的上傳與填寫模塊：實現(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)動機監(jiān)控數(shù)據(jù)庫。

采用“嵌入式平臺＋發(fā)動機信號采集模塊”的設(shè)計思路，綜合運用嵌入式技術(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)動機參數(shù)原位檢測設(shè)備的設(shè)計，以某型飛機為應(yīng)用對象，經(jīng)過長時間使用表明，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保障難度，提高了飛機的保障效率。通過發(fā)動機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的檢測需求，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

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