基于PC104的航空发动机试车参数检测系统研究

　　0 引言

　　航空发动机是飞机的核心部件，是飞机的动力源。航空发动机维护质量直接影响飞机使用情况，甚至影响到飞机的飞行安全。航空发动机在寿命期内，为了保证飞行安全，按规定必须要定期对飞机发动机进行试车，检查发动机各项性能的好坏。飞机座舱内有显示试车参数的指针式仪表，但观察不方便、精度不高、人为误差较大，且机务人员反映，当发动机试车时，需要记录大量的参数，尤其发动机故障试车时，还需对试车数据进行分析，使试车时间长，数据记录、分析处理很不方便。这些缺点与现代高科技战争要求已非常不适应，不能满足外场的维护要求。本试车参数检测系统基于PC104总线技术，能够实时检测、显示、存储和打印发动机试车过程中的主要技术参数，从而使机务人员能够准确地分析、判断和排除发动机故障，提高发动机使用可靠性。同时可大大缩短维修时间，节约人力、物力，使发动机的维修更加科学、更有针对性。

　　1 设计的立足点

　　1．1 保证可靠性

　　系统研制中始终注重其可靠性和安全性。对外购器材，向供应方提出所供产品必须满足GJB标准的可靠性要求，供应方提供完整的产品合格证书、使用维护说明等文档材料，并签定承包合同，以确保外购器材的可靠性。软硬件设计严格按照设计规范和可靠性大纲进行，采用电磁隔离传感器，传感器的信号输入与输出端和电源都是隔离的，没有任何电路加入到飞机上的仪表中，原有的仪表可以正常工作。当系统和飞机连接好后，即使试车仪没有工作或没有正常工作，飞机上原有的仪表都能正常工作。

　　1．2 保证可操作性

　　系统研制中采用以人为本的设计思想，充分考虑到机务人员的使用要求，智能化程度高、人机界面好、操作简单、使用方便，具有良好的可操作性。

　　1．3 保证互换性

　　系统设计中充分考虑到元器件的互换性，尽量选用标准的、通用性好的元器件，对于军品尽量选用航空产品，保证设备具有良好的互换性，便于机务人员维修。

　　1．4 保证精度

　　保证精度是系统研制过程中始终坚持的设计思想，研制中主要采取了以下方法：一是选用高精度传感器，使采集到的信号精度能够达到测试要求：二是采用软件滤波方法，滤除干扰数据，保证采集数据的准确性；三是硬件设计保证精度，采集数据时不影响机上传感器和仪表的正常工作，保证采集到的数据真实准确。

　　2 特点及功能

　　航空发动机试车参数检测系统是在借鉴国外地面检测设备基础上研制的设备。它采用PC104总线工业计算机和EL屏显示器，使检测系统具有体积小、重量轻、便于移动、操作简单、自动化程度高、可靠性好、显示信息丰富、人机界面好等特点，能够全面检测座舱显示的发动机性能参数，且准确性高于座舱指针仪表。

　　系统功能包括：1）实时检测、显示发动机的高低压转子转速、发动机振动速度、滑油压力、滑油温度、主、副油道燃油压力和排气温度：2）实时绘制试车曲线；3）保存试车参数数据；4）试车结束后，可以查看试车过程中各参数的数据和试车曲线；5）试车仪与计算机数据通讯，试车过程中各参数的数据传送到计算机上，机务人员可以在计算机查看各参数的数据，以便分析和排除故障。

　　3 结构组成和工作原理

　　试车参数检测系统的设计思想是在不影响飞机仪表正常工作和保证发动机工作安全、可靠的前提下，利用飞机原有的传感器加以实现。检测系统的工作不影响维护人员的正常操作，使用时按地面检测发动机程序试车。此系统包括各传感器、控制器、数据采集卡、检测电路、键盘、供电电源和显示屏等部分。检测原理见图1所示。

　　

　　试车时，发动机输出的高、低压转子转速模拟信号、振动速度模拟信号、滑油压力模拟信号、滑油温度模拟信号和排气温度模拟信号从飞机的连接插头处引出，经过检测电路把各参数的模拟信号隔离转换为直流电压信号。主、副油道燃油压力变送器与燃油主、副输油圈上的测量接头相连，压力变送器感受油压变化，输出与主、副油道燃油压力成正比的直流电压信号。这些直流电压信号通过数据采集卡转换为数字量送入到控制器中，在控制器内通过程序计算得到各参数的数值。控制器通过程序控制把检测到的数据存储到数据存储器，并在EL显示屏上显示各参数的试车数据和试车曲线等。

　　控制器是核心部分，主要功能是根据用户程序从数据采集卡中读取与各参数相对应的数据，经过计算得到各参数的实际值并存储到数据存储器上；控制EL平板显示屏显示人机交互的界面、各参数的试车数据、试车曲线等。它采用盛博科技有限公司生产的PC104总线的嵌入式工业计算机，型号为SysCentreModule／SDXpn。其主要技术数据为：1）嵌入式486处理器，工作频率50MHz；2）16M字节的RAM；3）1M显存；4）标准DMA，中断定时控制器；5）带扩展的工业标准 BIOS；6）VGA支持单色LCD，EL显示屏，以及模拟CkT；7）支持DOC电子盘；8）电源要求：+5V ±5％，0．8A；10）工作环境温度：-40～+80℃。

　　数据采集卡完成各参数模拟量信号的采集，采用由北京中泰研创计算科技有限公司生产的PC104总线的多功能数据采集卡PM511P，具有16路 A／D转换通道、4路D／A通道、24路可编程开关量输入输出、3路计数通道，并且能够在-40～+80℃的环境条件下进行工作。此外该采集卡还完成键盘信号的采集。

　　供电电源用来把机场的27V的直流电转换为系统内部电路需要的+5V、±12V，+24V直流电，采用两块 DC-DC变换器，把27V直流电转换为PC104以及其它用电元件所需要的+12V、-12V、+24V和+5V的直流电源。它的转换精度高并且能在 -40～55℃的环境下稳定工作。

　　EL显示屏用于显示人机交互时的提示字符和检测到的各参数的数据以及试车曲线等，采用的型号是EL640．480-AGI-ET。它的主要技术参数为：1）分辨率：640×480；2）尺寸：8．1英寸；3）供电电源：12V；4）工作温度：-40～+85℃。

　　DOC电子盘用来保存试车过程中检测得到的各参数数据，另外还用来存储控制器的操作系统文件、仪器的控制程序文件等。DOC电子盘的容量为128M。键盘采用的是简单的开关式键盘，键盘信号通过数据采集卡送入到PC104总线的工业计算机中。

　　面板上的键盘用于人机交互，向控制器输入命令和数据。它有6个键，选用简单的开关式键盘，键盘信号通过数据采集卡进入到控制器中，接口简单、方便适用。

　　4 检测电路设计

　　检测电路的功用是把能够反映各参数大小的电流、电压、频率信号转换为数据采集卡能够拾取的0～5V的直流电压信号。

　　4．1 转速检测电路设计

　　发动机转速检测原理如图2所示。隔离电压传感器把转速传感器的输出信号进行隔离，输出与转速传感器的输出频率信号的电压成正比的-5v～+5V电压信号，经滤波电路对输出的信号进行滤波，滤掉高频干扰信号，再经整形电路把输出的信号转换为标准的5V方波信号并保持频率不变。通过单片机测量5V方波信号的频率并经过计算得到发动机的转速，向D／A转换器输出与转速成正比的数字量。D／A转换器把与转速成正比的数字量转换为与转速成正比的0～5V直流电压，然后送入到数据采集卡中。在数据采集卡中经过A／D转换后变为数字量，然后送入到控制器内。在控制器内经过计算就可以得到转速的实际值。

　　

　　4．2 振动速度检测电路设计

　　在图3中上面虚框表示的是发动机上原有的振动速度检测装置的工作原理。图中电子组合用来感受发动机两个振动速度传感器输出的微弱交流电压信号，然后把它转换为直流电压信号，再送入到振动指示器中进行指示。

　　

　　在图3中下面虚框表示的就是发动机振动速度检测电路。把送入到振动指示器的与振动速度一一对应的直流电压信号引出到振动速度检测电路中，隔离电压传感器把与振动速度一一对应的直流电压信号进行隔离，输出成正比的直流电压信号，然后经过滤波器滤掉高频干扰信号，最后送入到数据采集卡中。在数据卡中经过A／D转换，转换为数字量，然后送入控制器中。在控制器内经过计算就可以得到振动速度的实际值。

　　4．3 滑油压力检测电路设计

　　在图4中左侧虚框内表示一个滑油压力传感器，右侧虚框内表示一个滑油压力表，它们组成飞机上原有的滑油压力检测装置。滑油压力决定滑油压力传感器内的活动衔铁的位移，活动衔铁的位移决定两线圈的感抗，两线圈感抗的变化又改变了滑油压力表的流比计的两线框的电流变化，且两线框的电流比i1／i2与滑油压力是一一对应的。滑油压力表是一个电流比值表。它的指针偏转角度与电流比i1／i2一一对应，即一定的滑油压力对应一定的滑油压力指示值。

　　

　　如果通过检测两线框的电流比来确定滑油压力的大小，必将破坏飞机上原有的滑油压力表，这显然是不允许的。通过理论分析发现滑油压力传感器与滑油压力表的两根连线的电流比I1／I2与滑油压力表流比计的两线框的电流比i1／i2一一对应，所以通过测量滑油压力传感器与滑油压力表的两根连线的电流比I1／I2来确定滑油压力的大小。

　　在图4中中间虚框表示的就是滑油压力检测电路。隔离电流传感器将滑油压力传感器与滑油压力表的两根连线的电流信号转换为直流电压信号，然后再通过比例放大电路把隔离电流传感器输出的电压信号调整为控制器能够识别的0～5V的直流电压信号送入到数据采集卡中。在数据采集卡中经过D／A转换成数字量后送入到控制器中，在控制器中经过计算就可以得到滑油压力的实际值。

　　滑油压力传感器与滑油压力表相连的两根导线上的脉动直流电的电流I1、I2与其对应的隔离电流传感器的输出电压关系是u1=0．1×l1，u2=0．1×l2。I1、I2的范围为0～50mA，隔离电流传感器的输出电压为0～5V。I1／I2与滑油压力的关系见表1。

　　

　　5 结论

　　航空发动机试车参数检测系统是外场维护发动机的重要设备，已交付使用。从反馈的信息来看，本系统具有体积小、重量轻、便于移动、自动化程度高、操作方便和便于外场使用的特点。此系统的应用避免了在故障排除过程中反复拆装换件、反复试车，节省时间、人力和物力，减少发动机磨损，提高发动机的使用寿命，极大地提高了维护工作效率，节约维护成本，将为用户带来很大的经济效益。