(上海航空測控技術(shù)研究所 故障診斷與健康管理技術(shù)航空科技重點實驗室,上海 201601)
隨著航空技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展,人們對飛機的性能提出更高要求,而發(fā)動機作為飛機的核心裝置,在整個飛機系統(tǒng)中扮演重要角色。發(fā)動機工作時,各部件承受著非常高的機械應(yīng)力和熱應(yīng)力,為保證發(fā)動機安全、可靠、穩(wěn)定地工作,必須對航空發(fā)動機參數(shù)、燃油系統(tǒng)參數(shù)、滑油系統(tǒng)參數(shù)等進行精確測量、顯示、控制[1]。傳統(tǒng)的機械式儀表已經(jīng)逐漸被數(shù)字顯示儀表所替代,嵌入式系統(tǒng)越來越多地應(yīng)用到航空儀表之中。因此,迫切需要研究一套具有高通用性、高可靠性及安全性的發(fā)動機參數(shù)采集系統(tǒng)[2]。近年來,數(shù)字信號處理器(DSP)由于其速度塊、精度高、穩(wěn)定性好被越來越多地應(yīng)用于航空電子設(shè)備中。本文采用FPGA與DSP為核心的系統(tǒng)方案,設(shè)計出發(fā)動機參數(shù)采集系統(tǒng),并成功應(yīng)用于某型號直升機,獲得批量生產(chǎn)。
發(fā)動機參數(shù)采集系統(tǒng)(以下簡稱“發(fā)參采集器”)主要由7塊板卡組成:二次電源板、電源板、AD板1、AD板2、DIO板、主控板和底板。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 整體結(jié)構(gòu)框圖
由圖1可以看出信號流向。其中20路模擬信號和7路頻率信號經(jīng)過信號調(diào)理,由發(fā)參采集器進行數(shù)據(jù)采集。發(fā)參采集器通過光隔離實現(xiàn)18路離散量輸入和12路離散量輸出。發(fā)參采集器通過ARNIC429接口與EECU左、EECU右實現(xiàn)全雙工通訊,與告警控制盒、三軸大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)計算機(以下簡稱大氣計算機)實現(xiàn)單工接收通訊。發(fā)參采集器通過RS-422接口,與綜合控制顯示計算機實現(xiàn)全雙工通訊,發(fā)送信息到多功能顯示器2和4、以及飛行參數(shù)采集器,單工接收燃油計算機信息。另外,還有一路備用發(fā)送接口。將需要存儲的信息保存至EEPROM中,通過自檢接口與上位機通訊,實現(xiàn)系統(tǒng)自檢和校正等維護功能,自檢口采用RS232接口。
主要板卡功能介紹:二次電源板主要提供電源的尖峰浪涌抑制,當(dāng)外部供電電源的電壓低于18 V時,二次供電啟動。除為本系統(tǒng)供電外,還能輸出2路21 VDC±1 V電源。二次電源板電源輸入為兩路,第一路為正常的供電,第二路為應(yīng)急供電;電源板為整個系統(tǒng)提供電源,將機載電源轉(zhuǎn)為±15 VDC,為傳感器和模擬板供電,轉(zhuǎn)為5 V DC,為主控板、DIO板及AD1板和AD2板供電;兩塊AD板PCB設(shè)計相同,通過底板分配處理不同的信號,AD板將模擬信號和頻率信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號,供采主控板采集,其中,頻率信號轉(zhuǎn)化為0~3.3 V的標(biāo)準(zhǔn)方波,供主控板采集,DI信號隔離后供采集板采集;主控板主要實現(xiàn)ARINC429總線接收和發(fā)送數(shù)據(jù),RS422總線接收和發(fā)送數(shù)據(jù),采集模擬量和離散量輸入數(shù)據(jù)、頻率數(shù)據(jù),并控制離散量的輸出,上位機自檢等。主要功能器件:FPGA采用EP4CE115F23I7,該器件在其它產(chǎn)品型號應(yīng)用較為廣泛。DSP選用TI公司的TMS320VC5416,該芯片在其它課題中已成功應(yīng)用。ARINC 429的接口芯片采用HOLT公司的HI-3593PQI,該芯片為工業(yè)級芯片,溫度范圍:-40~+85 ℃。52腳PQFP封裝,節(jié)省PCB空間,同時HI-3593PQI自帶自檢功能,使用控制寄存器中的SELF TEST位,就可以實現(xiàn)芯片的自收自發(fā),實現(xiàn)自檢。422總線通訊設(shè)備需求為4發(fā)2收,采用HOLT公司的HI-4850,該芯片每片自帶一路收發(fā),設(shè)計采用單獨接口設(shè)計,每一個接口對應(yīng)一組422接收或發(fā)送;DIO板輸入輸出離散量,DIO板主要功能是對DI、DO信號的隔離,選用高速光耦實現(xiàn);底板為內(nèi)部各個電路板之間以及外部信號至內(nèi)部電路板的信號連接通路。
發(fā)動機參數(shù)采集系統(tǒng)主要功能:采集和處理發(fā)動機工作狀態(tài)、燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、旋翼轉(zhuǎn)速和電源系統(tǒng)等信息并提供給綜合任務(wù)系統(tǒng),為飛行員提供準(zhǔn)確的發(fā)動機、燃油、液壓、電源等各項參數(shù)指示。記錄發(fā)動機工作歷程及其它必要的信息。為EECU提供必要的參數(shù),并輸出發(fā)動機告警信號。
FPGA作為發(fā)動機參數(shù)采集系統(tǒng)的核心之一,與電源系統(tǒng)、RS422接收、發(fā)送電路、ARINC429接收、發(fā)送電路、DSP硬件系統(tǒng)以及外部接口模塊緊密相連。主要功能包括:FPGA硬件電路(晶振電路、復(fù)位電路、程序配置電路等)以及Verilog HDL實現(xiàn)的與DSP系統(tǒng)的HPI通信、2路RS422數(shù)據(jù)的接收、4路RS422數(shù)據(jù)的發(fā)送、4路ARINC429數(shù)據(jù)的接收、2路ARINC429數(shù)據(jù)的發(fā)送、12路離散量輸入信號的采集、7路頻率量的采集、4片AD模擬量數(shù)據(jù)采集接口的實現(xiàn)、8路離散量輸出地控制以及監(jiān)控DSP系統(tǒng),其功能框圖如圖2所示。
圖2 FPGA系統(tǒng)功能框圖
主要功能模塊實現(xiàn)方式如下:
1)AD控制模塊:AD控制模塊每隔20 ms采集一次16路的模擬量值,并將采集到的16路16bits信號存放在RAM中,后端模塊在wrdone_sig為高時進行數(shù)據(jù)讀取操作。AD_Left以及AD_Right分別實現(xiàn)2塊AD板模擬量的采集。
2)422接收模塊:FMSR_RX及IDCP_RX分別實現(xiàn)燃油測量計算機和綜合顯示控制計算機RS422數(shù)據(jù)的接收。燃油測量計算機的通訊周期80 ms,通訊速率為9600bit/s,偶校驗;綜合顯示控制計算機通訊周期80 ms,通訊速率為38400bit/s,奇校驗。
3)429接收模塊:EECU1_RX、EECU2_RX、ADC_RX和GJ_RX分別實現(xiàn)EECU1、EECU2、告警控制盒以及大氣數(shù)據(jù)計算機ARINC429數(shù)據(jù)的接收,SPI的采樣頻率SCLK設(shè)置為1 MHz。
4)離散量采集模塊:DIN實現(xiàn)離散量的采集。
5)頻率量采集模塊:duty實現(xiàn)頻率量采集,其中包括5通道頻率量以及2通道的占空比采集。
6)輸入數(shù)據(jù)整合模塊:In_sum實現(xiàn)輸入信號:離散量、頻率量、RS422信號數(shù)據(jù)、ARINC429信號數(shù)據(jù)以及迷你量數(shù)據(jù)的特定格式的整合在一個RAM中,當(dāng)In_sum_Done_Sig為高時,后端的HPI模塊可以將此刻整合的數(shù)據(jù)發(fā)送給DSP。
7)HPI通訊模塊:HPI8實現(xiàn)FPGA與DSP的HPI通訊,F(xiàn)PGA將輸入數(shù)據(jù)整合模塊中的數(shù)據(jù)寫入DSP的雙口RAM后,通過int_in告知DSP進行數(shù)據(jù)處理,DSP處理完成,將處理完成的數(shù)據(jù)按照固定格式存放在雙口RAM中,通過int_out中斷告知FPGA進行數(shù)據(jù)的讀取。
8)輸出數(shù)據(jù)整合模塊:OUT_sum實現(xiàn)FPGA讀取DSP處理后數(shù)據(jù),并按照協(xié)議格式將對外發(fā)送的數(shù)據(jù)存放在各自的RAM中以供后端模塊讀?。辉撃K還實現(xiàn)離散量的輸出控制。
9)422發(fā)送模塊:IDCP_TX、MFD1_TX、MFD2_TX及FADR_TX分別實現(xiàn)綜合顯示控制計算機、多功能顯示器A、多功能顯示器B和飛行參數(shù)采集器的RS422數(shù)據(jù)的發(fā)送。IDCP_TX通訊周期80 ms,通訊速率38400bit/s,奇校驗;MFD1_TX通訊周期80 ms,通訊速率38400bit/s,偶校驗;MFD2_TX通訊周期300 ms,通訊速率9600bit/s,偶校驗;FADR_TX通訊周期80 ms,通訊速率38400bit/s,偶校驗。為保證每個包發(fā)出去數(shù)據(jù)的奇偶校驗位都能夠匹配,在發(fā)送之前會有一個包數(shù)據(jù)的緩存。
10)429發(fā)送模塊:EECU1_RX、EECU2_RX分別實現(xiàn)EECU1和EECU2 ARINC429數(shù)據(jù)的發(fā)送,SPI的采樣頻率SCLK設(shè)置為1 MHz。
考慮產(chǎn)品系列化,在采集板FPGA的選型上選擇接口種類豐富,IO口多的型號EP4CE115F23I7[3],該芯片內(nèi)含504kbits存儲空間。用戶IO343個,支持LVDS總線通訊,能夠滿足采集的各項要求。采用quartusII進行軟件開發(fā),必要時使用modelsim進行仿真[4]。外圍電路由50 MHz有源晶振電路和配置電阻構(gòu)成,按照Altera公司提供的參考原理圖進行搭建FPGA系統(tǒng)電路。
DSP硬件系統(tǒng)包括與FPGA的HPI接口,EEPROM自舉電路,EEPROM數(shù)據(jù)存儲電路、RS232串口實現(xiàn)及DSP最小系統(tǒng),DSP硬件系統(tǒng)功能如圖3虛線框內(nèi)所示。
圖3 DSP硬件系統(tǒng)功能框圖
DSP硬件系統(tǒng)作為發(fā)動機參數(shù)采集系統(tǒng)的核心之一,DSP主要實現(xiàn)如下功能:
1)保證DSP能夠正常運作;
2)存儲和讀取發(fā)動機參數(shù)所需要的數(shù)據(jù),如發(fā)動機工作時間、飛行信息等;
3)與編譯平臺(PC機)相連來下載DSP配置文件到EEPROM中[5];
4)與FPGA完成HPI通訊。
DSP芯片采用TMS320VC5416PGE160[6,7],工作溫度:-40℃~100℃;具有接口豐富,數(shù)據(jù)處理能力大等優(yōu)點,數(shù)據(jù)配置以及數(shù)據(jù)的存儲都是用AT25512N的EEPROM,容量為512Kbits。DSP_JTAG插件為DSP配置程序下載接口,與PC相連完成配置文件下載以及程序在線的調(diào)試。復(fù)位電路在上電時采用RC復(fù)位,調(diào)試過程中出現(xiàn)FPGA與DSP握手不成功,通過FPGA對DSP進行復(fù)位得以解決。
FPGA實現(xiàn)功能如下:
1)AD信號采集:20路模擬信號由信號調(diào)理板調(diào)理轉(zhuǎn)換后,通過兩個A/D采樣芯片掃描采集。每個循環(huán)要包括這20路模擬量的通道切換、采樣保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)的讀取,在A/D通道的控制上,要包括通道的切換和A/D轉(zhuǎn)換控制。通過SPI接口將AD轉(zhuǎn)換后的信號進行整理,并存入RAM緩存;
2)HPI通訊:通過HPI接口將經(jīng)過整理以后的AD信號,從緩存RAM中取出,將數(shù)據(jù)發(fā)送給DSP,待DSP處理完成后,將處理結(jié)果取回;
3)離散量檢測:離散信號每個循環(huán)周期20 ms采集一次,按字讀取,離散量輸入通道設(shè)計有檢測控制端,當(dāng)處于上電自檢測時,軟件控制在通道的入口處加入規(guī)定值來判斷通道的工作正常與否。并做開關(guān)量防抖動處理。處理完成后寫入離散量RAM緩存;
4)頻率量檢測:在采樣信號作用下,采集一個信號周期頻率的高低電平數(shù)值,存放在RAM中,每隔20 ms讀取信號高電平和低電平的計數(shù)值打包發(fā)送給DSP處理;通道故障判別可以根據(jù)信號最大允許的變化范圍以及所獲取的信號可信度等條件來進行,也可以以此來判別某一頻率量采集通道工作狀態(tài)正常與否的方法,滿足自檢測方面的要求(所有的頻率量不都為零時,判斷每一路頻率量與最大允許值關(guān)系,超出最大范圍,報頻率量自檢測故障)
5)429通訊:通過對429外部通訊SPI口的控制,將429芯片中數(shù)據(jù)接收緩存中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到通訊模塊內(nèi)部RAM接收緩存中。同時,將內(nèi)部RAM發(fā)送緩存中的數(shù)據(jù)通過429外部通訊SPI口發(fā)送給429芯片對外發(fā)送。通過2路ARINC429輸入接口接收左右發(fā)動機電調(diào)EECU數(shù)據(jù),信息由10頁ARINC信息組成,每頁含5個字。每20ms向EPU發(fā)送一頁,整個信息200 ms刷新一次。
6)422通訊:實現(xiàn)串口發(fā)送與串口接收功能模塊,將串口接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到RAM接收緩存中,將RAM發(fā)送緩存中的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送模塊對外發(fā)送;
7)離散量控制模塊:根據(jù)離散量控制條件,實現(xiàn)離散量的控制。
DSP軟件部分主要包括自檢、HPI通訊模塊、RS232通訊模塊、數(shù)據(jù)處理模塊,歷程參數(shù)記錄模塊。
DSP實現(xiàn)功能如下:
1)自檢:自檢主要分為上電自檢、周期自檢和維護自檢三種。DSP在三種自檢狀態(tài)下進行的自檢項目是一樣。當(dāng)系統(tǒng)接收到自檢信號或自檢控制命令的時候,DSP進行自檢工作,自檢結(jié)果通過HPI發(fā)送給信號采集功能模塊;
2)HPI通訊:通過HPI接口將信號采集模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)存入預(yù)先設(shè)定的HPI地址空間。信號采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)包括:模擬量、離散量、頻率量等;
3)232通訊:實現(xiàn)串口發(fā)送與串口接收功能模塊。系統(tǒng)通過RS232接口與地檢設(shè)備相連,將地檢口接收到的指令與校準(zhǔn)系數(shù)進行解析及分發(fā),并將采集器存儲的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送模塊傳輸給地檢計算機進行分析;
4)數(shù)據(jù)處理:將指定的HPI地址空間數(shù)據(jù)提取出來,按照相應(yīng)的計算方法進行處理,并將處理后的結(jié)果按固定格式通過HPI發(fā)送回FPGA。需要處理的數(shù)據(jù)包括:模擬量、頻率量、離散量以及EECU數(shù)據(jù);
5)歷程參數(shù)記錄:通過HPI接口,將FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)進行處理,并記錄和儲存發(fā)動機歷程參數(shù),包括:發(fā)動機工作實時間、直升機批號、渦輪循環(huán)數(shù)、飛行時間、起落次數(shù)等。記錄能力為200組,記錄空間自動管理,200組數(shù)據(jù)記錄滿后自動從最老一組數(shù)據(jù)擦除并重新記錄。也可由地面測試設(shè)備讀出或擦除。
DSP軟件采用C語言和匯編混合編程。主要設(shè)計思想:DSP上電與FPGA握手成功后進行自檢,自檢完成后,將FPGA傳過來的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理,處理完成后,將處理結(jié)果存在外部RAM中,經(jīng)由DSP的HPI接口供FPGA調(diào)用輸出。當(dāng)有外部中斷觸發(fā)時,響應(yīng)外部中斷。DSP軟件模塊流程如圖4所示。
圖4 DSP模塊流程圖
發(fā)動機參數(shù)采集系統(tǒng)已成功完成與外部交聯(lián)設(shè)備聯(lián)試,并通過高溫工作、高溫貯存、低溫工作、低溫貯存、溫度沖擊、功能振動、沖擊試驗、電源特性試驗及電磁兼容性試驗,產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)滿足協(xié)議要求,并已在某型直升機上試飛成功。
本文采用FPGA與DSP對發(fā)動機參數(shù)采集系統(tǒng)進行了研究,并進行相關(guān)試驗,試驗結(jié)果表明采用FPGA與DSP對發(fā)動機參數(shù)可精確采集,控制。以該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的發(fā)動機參數(shù)采集系統(tǒng)成功應(yīng)用于某型號直升機,已成功定型,并獲得批量生產(chǎn)。