基于ARM 的航空發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)記錄儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高洪濤 柳楠 鄧林 周浩銳 費(fèi)越/ 成都航利（集團(tuán)）實(shí)業(yè)有限公司 中國(guó)人民解放軍650 部隊(duì)

0 引言

飛機(jī)飛行過(guò)程中，參數(shù)記錄儀主要完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集以及存儲(chǔ)工作。以磁帶為存儲(chǔ)介質(zhì)的參數(shù)記錄系統(tǒng)，由于采集速度低、不支持?jǐn)?shù)據(jù)以文件形式進(jìn)行存儲(chǔ)等原因，已不能滿(mǎn)足航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)機(jī)載參數(shù)記錄儀的應(yīng)用需求。因此，設(shè)計(jì)制作一款新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載參數(shù)記錄儀具有重要意義。

本文設(shè)計(jì)的某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載參數(shù)記錄儀硬件系統(tǒng)總體方案，按照模塊化設(shè)計(jì)方法，將硬件系統(tǒng)分為數(shù)字調(diào)節(jié)器信號(hào)采集模塊、信號(hào)存儲(chǔ)模塊和USB數(shù)據(jù)卸載接口模塊。參數(shù)記錄儀的信號(hào)采集模塊針對(duì)調(diào)節(jié)器電源的特性設(shè)計(jì)了相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路，通過(guò)對(duì)被采樣模擬信號(hào)的分壓降壓，使之滿(mǎn)足模擬信號(hào)采集要求，通過(guò)配置RS232 數(shù)據(jù)總線(xiàn)，滿(mǎn)足了數(shù)字信號(hào)采集要求，STM32 根據(jù)預(yù)先設(shè)置的程序指令按一定順序和頻率采集模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)；信號(hào)存儲(chǔ)模塊以TF 卡為存儲(chǔ)體，STM32 將采集的信號(hào)按照數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式形成數(shù)據(jù)包，發(fā)往數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，待緩沖區(qū)數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)定量，按標(biāo)準(zhǔn)路徑以文件形式寫(xiě)入TF 卡；USB 數(shù)據(jù)卸載接口模塊通過(guò)USB 線(xiàn)直接將系統(tǒng)與PC 機(jī)連接，用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)結(jié)束后卸載數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)組成原理

圖1 系統(tǒng)組成圖

本文設(shè)計(jì)的參數(shù)記錄儀系統(tǒng)基于“模塊化”設(shè)計(jì)思想進(jìn)行，以控制器模塊為控制核心，控制其他模塊協(xié)同完成對(duì)數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求、接收、存儲(chǔ)和上傳任務(wù)。參數(shù)記錄儀主要由主控制器模塊、電源模塊、備用電源模塊、JTAG 程序下載/調(diào)試模塊、ADC 信號(hào)調(diào)理模塊、RS232 信號(hào)調(diào)理模塊、TF卡存儲(chǔ)模塊、USB 模塊、指示燈模塊組成，如圖1 所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

參數(shù)記錄儀選用ST（意法半導(dǎo)體）公司的STM32F103 系列主控處理芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的讀取和存儲(chǔ)，該類(lèi)芯片采用Cortex-M3 內(nèi)核、ARM V7 架構(gòu)，具有更強(qiáng)勁的性能、更高的代碼密度、可嵌套中斷、低成本和低功耗等優(yōu)點(diǎn)。MCU（微控制器）將接收到的參數(shù)數(shù)據(jù)、自身采集的數(shù)字調(diào)節(jié)器內(nèi)部電源電壓數(shù)據(jù)以及MCU 內(nèi)部參考時(shí)間數(shù)據(jù)匯總、封裝后，通過(guò)SPI 數(shù)據(jù)總線(xiàn)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)介質(zhì)TF 卡中，TF 卡在停機(jī)后可取出，由上位機(jī)進(jìn)行識(shí)別和分析。

2.1 系統(tǒng)電源電路

電源轉(zhuǎn)換電路的主要功能是將+27V 直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為+5V 輸出，再將+5V 電源轉(zhuǎn)換為+3.3V 輸出，供處理器部分使用。

電源轉(zhuǎn)換電路輸出+5V 電源時(shí)，輸出電壓為（+5±0.1）V，最大輸出電流為1A；輸出+3.3V 電源時(shí)，輸出電壓為（+3.3±0.1）V，最大輸出電流為1A。同時(shí)，電源轉(zhuǎn)換電路的輸出應(yīng)具有過(guò)壓、過(guò)流、輸出開(kāi)路、短路保護(hù)。電源轉(zhuǎn)換電路主要由DC/DC 轉(zhuǎn)換電路、輸出保護(hù)電路、輸入保護(hù)電路、浪涌保護(hù)電路、濾波電路等子電路組成，電源轉(zhuǎn)換電路原理框圖如圖2 所示。

2.2 信號(hào)調(diào)理模塊

信號(hào)調(diào)理電路的主要作用是將數(shù)字調(diào)節(jié)器的+27V 直流數(shù)字電源電壓降壓至+3.3V 以?xún)?nèi)，以供主控制器STM32的ADC 轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行采樣。信號(hào)調(diào)理電路在本設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)原理圖如圖3 所示。

如圖3 所示，為避免因直接用主控制器ADC 轉(zhuǎn)換通道對(duì)+27V 數(shù)字調(diào)節(jié)器電源進(jìn)行采樣而造成主控制器引腳由于輸入電壓過(guò)高以至損壞，設(shè)計(jì)了數(shù)字調(diào)節(jié)器的+27V直流數(shù)字電源監(jiān)測(cè)電路，其作用是先將數(shù)字調(diào)節(jié)器電源電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，降至+3.3V 以?xún)?nèi)，然后將轉(zhuǎn)換后的電壓輸往主控制器的ADC 轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行采樣。B7 和B8 嵌位二極管的設(shè)計(jì)方式可將電壓嚴(yán)格限制在3.3V 以?xún)?nèi)。

2.3 USB 接口模塊

參數(shù)記錄儀選用USB 作為參數(shù)記錄儀與PC 機(jī)的通信方式。參數(shù)記錄儀通過(guò)USB，可將TF 卡中記錄的數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)數(shù)據(jù)上傳至PC 機(jī)。在連接USB 時(shí)，參數(shù)記錄儀可通過(guò)USB 進(jìn)行供電，這樣整個(gè)參數(shù)采集儀可仿真成U盤(pán)使用。本設(shè)計(jì)的USB 接口電路應(yīng)用原理圖如圖4 所示。

2.4 TF 卡存儲(chǔ)模塊

圖2 電源轉(zhuǎn)換電路原理

參數(shù)記錄儀選用TF 卡作為參數(shù)記錄儀的外部存儲(chǔ)介質(zhì)。TF 卡是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，大小如一張郵票的TF 卡的重量只有2g，卻擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動(dòng)靈活性以及很好的安全性等特點(diǎn)，可滿(mǎn)足本項(xiàng)目參數(shù)記錄儀的設(shè)計(jì)要求。TF 卡是迷你版的SD 卡，與SD 卡一樣只能使用+3.3V 的I/O 端口電平，所以主控制器一定要能夠支持+3.3V 的I/O 端口輸出。本設(shè)計(jì)的主控制器芯片STM32F103RCT6 采用的是+3.3V 電源，故其I/O 端口具備+3.3V的I/O 端口輸出條件?？捎弥骺刂破鞯腎/O 端口直接讀寫(xiě)TF 卡。TF 卡一般支持兩種操作模式——TF 卡模式及SPI 模式，本項(xiàng)目采用SPI 模式來(lái)讀/寫(xiě)TF 卡。TF 卡要進(jìn)入SPI 模式，就是在TF 卡收到復(fù)位命令（CMD0）時(shí)，若CS 為有效電平（低電平），則SPI 模式被啟用。TF 卡存儲(chǔ)接口電路應(yīng)用原理圖如圖5所示。

2.5 殼體設(shè)計(jì)

機(jī)箱由上蓋板和框體組成。機(jī)箱的外形尺寸為（120±0.1）mm（長(zhǎng)）×（80±0.1）mm（寬）×（40±0.1）mm （高），機(jī)箱內(nèi)安裝1 個(gè)模塊，包含MB 連接電路、電源轉(zhuǎn)換電路和CPU 處理電路，MB 連接電路和其他兩個(gè)功能電路間通過(guò)柔板連接。機(jī)箱的接插件全部安裝在框體上，安裝方式為后安裝，以便整機(jī)的維修。機(jī)箱通過(guò)四個(gè)螺釘固定在飛機(jī)上。機(jī)箱的外表面噴涂三防漆，以提高機(jī)箱三防能力。機(jī)箱上安裝三個(gè)航插，分別用作程序調(diào)試、USB 數(shù)據(jù)卸載和RS232 通信使用。機(jī)箱結(jié)構(gòu)形式如圖6、圖7 所示。

圖3 +27V電源監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)原理圖

圖4 USB接口應(yīng)用原理圖

圖5 TF卡存儲(chǔ)接口電路應(yīng)用原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

以航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字調(diào)節(jié)器數(shù)據(jù)通信協(xié)議為研究對(duì)象，通過(guò)硬件通信線(xiàn)向數(shù)字調(diào)節(jié)器發(fā)送請(qǐng)求，獲得數(shù)字調(diào)節(jié)器應(yīng)答后將數(shù)字調(diào)節(jié)器發(fā)出的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀信息全部記錄在存儲(chǔ)介質(zhì)中。

機(jī)載參數(shù)記錄儀嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)的功能有通信協(xié)議指令發(fā)送、RS232 串口數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和USB 主機(jī)通信四個(gè)部分。RS232 串口數(shù)據(jù)采集將航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字調(diào)節(jié)器發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送到TF 卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊將在TF 卡上構(gòu)建FAT32 文件系統(tǒng)，將接收到的RS232 串口數(shù)據(jù)包按照FAT32 文件格式保存到TF 卡中；USB 主機(jī)通信模塊主要完成USB 主機(jī)協(xié)議棧的構(gòu)建、USB 類(lèi)驅(qū)動(dòng)構(gòu)建，在試車(chē)或飛行結(jié)束后可直接通過(guò)大容量存儲(chǔ)設(shè)備卸載文件。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如 下。

1）系統(tǒng)上電復(fù)位完成以下初始化過(guò)程：串口初始化、FAT32 文件系統(tǒng)初始化、USB 主機(jī)系統(tǒng)初始化，以及各類(lèi)外圍器件的初始化和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，系統(tǒng)完成各類(lèi)初始化程序后默認(rèn)進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。

2）RS232 串口可以及時(shí)、有效地接收數(shù)字調(diào)節(jié)器的數(shù)據(jù)，采用FAT32 文件系統(tǒng)管理接收到的數(shù)據(jù)，并且按照TXT 格式保存文件。

3）TF 卡驅(qū)動(dòng)程序。

4）USB 主機(jī)功能，能夠按文件方式對(duì)U 盤(pán)直接讀寫(xiě)。

3.1 模塊化程序設(shè)計(jì)

由于涉及STM32 微處理器的較多外設(shè)，為方便后期程序的維護(hù)或功能裁剪，按照“功能歸類(lèi)、分類(lèi)設(shè)計(jì)”的原則，將系統(tǒng)分為以下模塊。

圖6 機(jī)箱外形

1）LED 模塊；

2）定時(shí)器模塊；

3）系統(tǒng)時(shí)鐘配置模塊：用于配置系統(tǒng)的總線(xiàn)時(shí)鐘、ADC時(shí)鐘等所有時(shí)鐘；

4）中斷優(yōu)先級(jí)配置模塊，用于配置系統(tǒng)的中斷分組：2 位搶占式優(yōu)先級(jí)，2 位響應(yīng)式優(yōu)先級(jí)；

5）串口通信模塊：用于向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)信息；

6）A/D 模塊：用于將檢測(cè)電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；

7）指令集模塊：用于與航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字調(diào)節(jié)器建立通信及請(qǐng)求數(shù)據(jù)；

8）TF 模塊：對(duì)捕獲信息進(jìn)行整理及寫(xiě)入。

3.2 模塊化程序?qū)崿F(xiàn)

按照上述功能模塊規(guī)劃，將每個(gè)模塊的程序盡可能獨(dú)立，每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)源程序文件（.c）和一個(gè)頭文件（.h）。盡量不使用全局變量，以減少模塊之間的關(guān)聯(lián)，便于日后維護(hù)修改或功能裁剪。如果確實(shí)要用全局變量，只在main.c 主程序文件中定義，在各相關(guān)模塊中通過(guò)extern 加以聲明并引用。

每個(gè)功能化模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)子文件夾，這些文件夾在主程序文件所在的文件夾下。為此，必須在KEIL 的包含路徑選型（Include Paths）中正確設(shè)置所有功能模塊的子文件夾，以確保編譯器能正確找到這些文件。具體實(shí)現(xiàn)形式表征如下：

圖7 機(jī)箱結(jié)構(gòu)

1）ADC 模塊對(duì)應(yīng)的源程序；

2）DELAY 模塊對(duì)應(yīng)的源程序；

3）LED 模塊對(duì)應(yīng)的源程序；

4）TIMER 模塊對(duì)應(yīng)的源程序；

5）USART 模塊對(duì)應(yīng)的源程序；

6）主函數(shù)模塊對(duì)應(yīng)的源程序；

7）ADC 模塊對(duì)應(yīng)的源程序；

8）主程序控制邏輯源程序；

9）FATS 文件系統(tǒng)源程序；

10）TF 卡模塊源程序；

11）主程序控制邏輯源程序。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

參數(shù)記錄儀實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)78 個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、上載和數(shù)據(jù)顯示功能，采樣頻率最高可達(dá)10Hz，可以連續(xù)記錄100 小時(shí)的參數(shù)數(shù)據(jù)。

PC 機(jī)通過(guò)USB 接口實(shí)時(shí)讀取參數(shù)記錄儀TF 卡內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)串口調(diào)試軟件接收數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的正確性，接收區(qū)每次接收110 字節(jié)數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)查看串口調(diào)試軟件，以其中一幀數(shù)據(jù)包為例：6D 22 00 C4 F1 04 08 00 00 00 00 00 0F 3D FF 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 04 8B 9A 00 00 FA 12 00 00 C9 C8 00 00 08 CD 00 03 0D 40 00 00 00 00 00 00 03 E8 00 00 00 1A 00 00 00 00 00 00 06 17 00 00 06 7C 00 01 7D 24 00 00 00 00 00 03 F7 A0 00 03 F7 A0 00 04 8A 64 00 00 65 F9 00 00 00 23 00 00 05 48 00 00 6A 1E 3B 6F BC 00 AE 06 32，捕獲模擬信號(hào)及離散信號(hào)的解析表如表1 所示。

綜上，參數(shù)記錄儀實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)字調(diào)節(jié)器的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，并正確無(wú)誤地對(duì)數(shù)字調(diào)節(jié)器回執(zhí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了存儲(chǔ)。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)的參數(shù)記錄儀實(shí)時(shí)從數(shù)字調(diào)節(jié)器通信端口讀取參數(shù)數(shù)據(jù)，其記錄信息的方式比現(xiàn)有的其他記錄方式更加完整。直接讀取不經(jīng)轉(zhuǎn)換的發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器參數(shù)數(shù)據(jù)，可避免因轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)過(guò)多而導(dǎo)致參數(shù)信息丟失情況，全記錄的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。因此，該參數(shù)記錄儀具有完整、準(zhǔn)確、全面等方面的先進(jìn)性，有助于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的健康狀態(tài)監(jiān)控和故障分析。航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)記錄儀的研制具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

表1 信號(hào)解析表