便携式发动机测试设备的研究

摘要：针对现有发动机状态检测设备体积、重量大，集成度低，导致其灵活性较差的问题，本文提出了一种便携式发动机测试设备的研制方案，给出了详细的硬件和软件设计。该便携式发动机测试设备具有携带、使用方便、智能化、集成度高的特点。

引言

目前检测飞机发动机各状态参数的设备，体积和重量大，集成度很低，导致其灵活性较差，不能很好地满足现代作战对发动机测试的要求，且给地勤人员增加了飞机的维护保障难度，影响了飞机的保障效率^[1,2]。因此，研制一套功能齐全，智能化、集成度高，使用、携带方便的发动机状态原位监测设备尤为迫切。

系统总体设计

发动机状态检测设备总体构成如图1所示，由适配器、信号采集处理模块、硬件测试平台组成。图中，机载传感器敏感被测对象发动机的各种物理量(温度、压力、转速等)，并将其转换成电信号。适配器将输入的电信号通过处理转化为标准电信号送给硬件测试平台，测试平台对输入信号进行相关运算和处理后、通过显示器显示最终的测试结果;并实时保存测试数据，为地勤人员进一步对发动机进行故障分析与诊断。　　

 

　　硬件设计

设计方案

硬件平台设计采用嵌入式平台，它是系统的智能指挥中心，根据检测设备总体设计要求，所设计的硬件平台结构如图2所示，它由最小系统和各种外围扩展电路接口组成。硬件平台在设计中采用分层结构设计，顶层为最小核心系统层，底层为外围扩展模块层。　　

 

最小系统层由处理器(S3C2410)，64M字节NAND Flash，两片64M字节SDRAM，网口芯片CS8900，Multi-ICE调试接口和复位模块组成。底层由LCD模块，SD卡模块和电源模块等组成。

最小系统由嵌入式实时操作系统Windows CE进行系统管理和运行应用程序，采用Flash存储器来存储操作系统代码，由于Flash的读写速度相对较慢，因此不直接用Flash运行操作系统和应用程序，而是选择两片64M SDRAM作为闪存。系统加电时，地址指针首先指到Flash的第一个地址，执行Boot Loader进行系统初始化，将操作系统本身拷贝解压到SDRAM中，让整个操作系统在SDRAM里执行，使系统达到最佳的速度。SD卡保存每次测试的结果，建立数据库，提供大容量的存储空间^[6]。LCD接口为嵌入式处理机提供自由、强大的用户输入输出接口。为满足状态检测与故障诊断系统软件开发的需要，设计了必要的扩展按钮、工作状态指示灯和键盘接口等。电源管理模块提供5V，3.3V和1.8V三种电源。时钟模块由12MHz的系统时钟和32.768kHz的实时时钟组成。Multi-ICE接口用于S3C2410的在线调试。

发动机信号采集处理模块设计

该模块完成传感器输出信号的采集和数据处理工作，其结构如图3所示。嵌入式平台通过数据总线读取该模块的数据，计算出实时的测量值，同时利用软件绘制出发动机各个参数的试车曲线，记录并保存测试数据。　　

 

FPGA设计与配置

现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)器件选用基于SRAM的内部结构的FPGA芯片XC2S100E^[3]。设计过程中将XC2S100E工作于主动串行模式。FPGA的程序存放在外部PROM XC18V01中，这些程序可以通过加电自动加载到FPGA中或通过命令加载。在主动串行模式下，系统加电时产生一个驱动XC18V01的时钟信号，通过这个时钟脉冲，XC18V01中的数据通过XC2S100E送到FPGA。FPGA与配置芯片的连接关系如图4所示。　　

 

转速测量模块的设计

采用嵌入式单片机和FPGA相结合对转速测量模块进行设计，通过对转速信号的采集、运算和分析实现对发动机运行状态的在线监测。某型发动机四路转速信号经机载传感器转化为四路频率信号，该频率信号经74LV04反向驱动后，送入FPGA的I/O口采集计数，然后嵌入式单片机通过数据总线读取FPGA的计数值，并通过软件计算出最终的转速值，电路如图5所示，FPGA实现时间门限的开通、关闭及计数，然后将计数值送入嵌入式软件平台，实时计算出发动机的转速值。20MHz晶振时钟电路，为FPGA提供外部标准时钟信号。LED1~4为状态指示灯。根据指标要求，频率的分辨率等于1Hz，因此程序中把对频率的计数门限时间设为1秒，门限时间的设置以外部的参考晶振为基准，通过计数器实现。　　

 

温度与压力测量模块的设计

温度传感器将温度信号转化为相应的电信号，经专用适配器将其转化为0到+5V的模拟量。16路模拟信号，经多路开关后，送入调整电路，再经AD转换器，转换为数字量，最后利用FPGA采集处理后通过数据总线来读取FPGA运算值，并通过软件做较简单的计算得出最终的测量结果，测量的结果可以保存在SD卡存储器中。

测量电路组成如图6所示。由