某型发动机参数显示系统的测试与故障诊断系统设计

陈海牛

摘要：针对直升机配装的某型发动机参数无法进行单独检测、修理难度大、修理质量不稳定等问题，设计了一套基于ARINC429、RS422/232等總线架构的自动测试系统。该系统以工控计算机为核心，将模拟信号、电源信号传输至产品接口，实现该型发动机参数显示器的发动机工作状态参数采集与显示功能、发动机历程参数读写功能中自动测试和手动测试功能。

关键词：发动机参数显示器；测试；故障诊断；通信协议

Keywords：engine parameter display system；testing；fault diagnosis；communication protocol

0 引言

发动机参数显示系统是飞机/直升机重要的航空电子设备，其主要任务是实时监控并记录左右发动机、主减速器的工作状态，包括左右发自由涡轮转速、左右发燃气涡轮转速、左右发转速占空比、旋翼转读、左右发滑油温度、主减滑油温度、左右发滑油压力、主减滑油压力、左右发液压压力、左右发燃油压力、左右发排气温度、直流电压等参数，并对系统故障信息给予报警，保证飞行安全[1]。

目前，各型直升机均配装了发动机参数显示系统，包含多种不同型号、不同原理的发动机参数显示系统[2]。发动机参数显示系统生产厂家需针对各型直升机/飞机需求搭建发动机参数显示系统，以满足用户需求[3]；直升机修理工厂需在总体整机装配调试前离位检查相关装机产品的性能指标、参数，并对故障产品进行修理，根据需求对故障率较高、易发生故障的发动机参数显示系统配置检测设备。用户使用过程中发现，某型发动机参数显示系统故障率较高，系统内包含发动机参数显示器、发动机参数采集器，故障产品无法快速确认，不易定位故障原因及部位[4，5]。因此，研制一套该型发动机参数显示系统测试与故障诊断系统极为必要，可以快速检测故障原因，定位故障部位，实现高效缩短故障检测和排除周期的目的[6]。

本文所设计的发动机参数显示系统测试与故障诊断系统是以自动测试为基础，借助计算机实现基本控制，对被测试的产品展开自动化的测量与故障诊断、数据处理以及存储和传输等，最后通过计算机将系统的测试结果输出或显示出来[7，8]。该测试系统集计算机技术、信息技术、通信技术、微电子技术以及数据库管理技术于一体，可以为该型发动机参数采集系统的测试与故障诊断提供一定的帮助[9]。

1 系统总体设计

1.1 总体结构设计

综合测试台由工控机、电气接口、离散量显示模块、直流线性电源、滑油温度仿真模块、离散量输出模块、AC电源产生模块、直流电压产生模块、校正电阻控制模块、频率信号发生模块构成，总体结构如图1所示。

主控系统采用工控机作为硬件平台，配备通用ARINC429通信卡、RS485/ RS422/ RS232串口卡作为整个系统的核心资源，通过软件配置及输出控制来实现被测产品的检测需求。供电系统由总电源箱和程控交流电源箱构成，总电源箱内置DC28V电源模块完成被测产品供电，程控交流电源箱提供115V电压加温功能。

1.2 系统检测内容及要求

通过对该型发动机参数显示系统的调研，确定测试与故障诊断系统应输出电源、模拟信号范围及精度。

完成某型发动机参数显示系统使用性能检测，包括但不限于以下内容：输入模拟量；输入离散量信号测量；输出离散量信号；总线接口；输出传感器激励电源；发动机历程参数记录等。图2为测试系统原理框图。

1）电源输出

发动机参数显示系统的总供电电源要求为+28V、±0.4V电源输出，负载能力不小于280W，纹波不大于5%，电压准确度不大于5%。

2）频率量输出

模拟产生左发自由涡轮转速Nf、右发自由涡轮转速Nf、左发燃气涡轮转速Ng、右发燃气涡轮转速Ng、左发△Ng（占空比）、右发△Ng（占空比）、旋翼转读Nr共7路频率信号，每路频率信号针对固定频率值可调，信号精度为±0.1Hz。

3）滑油温度仿真

模拟产生左发滑油温度Tm、右发滑油温度Tm、主减滑油温度Mt共3路滑油温度仿真电阻，每路信号针对固定阻值可设置，阻值精度为±0.1Ω。

4）模拟量输出

模拟产生直流电压信号并输出至相应接口，具体要求为：左右发滑油压力Pm，精度±0.01V；主减滑油压力Mp，精度±0.01V；左右液压压力Hp，精度±0.01V；左右发燃油压力Pf，精度±0.01V；左右发排气温度T45，要求精度±0.001V；直流电压VDC，精度±0.01V；直流电流IDC，精度±0.001V。共计11路信号。

5）交流电压输出

产生交流电压VAC仿真电压和交流电流IAC仿真信号，交流电压VAC和交流电流IAC仿真电压信号针对固定值可设置，同时具备手动线性调节功能，手动调节范围VAC为95～125V，最大和最小值误差±2V；IAC为0～6V，最大和最小值误差为±1V。

6）离散量输出

采用扳扭开关形式实现地/悬空信号的输出，具体为：空地信息、安装放砂滤的信息、左发放气活门、右发放气活门、左发油门杆脱离中心位置信息、右发油门杆脱离中心位置信息、左发OEI30″状态被选择、右发OEI30″状态被选择、左发OEI2″状态被选择、右发OEI2″状态被选择、历程参数读取。共计11路离散量输出信号。

7）离散量显示

采用信号指示灯形式实现离散量显示功能，该离散量信号均为产品内部DC+28V的地或悬空信号，当输入为地信号时灯亮，当输入为悬空信号时灯灭。具体为：左发最大连续功率、左发最大起飞功率、左发最大中等应急功率、右发最大连续功率、右发最大起飞功率、右发最大中等应急功率、左右发扭矩和超差、左右发扭矩差超差。共计8路离散量信号。

8）发动机历程参数读写功能

系統应具备对发动机参数显示系统内发动机历程参数的读写功能，读取发动机Ng循环数、发动机批号、空地信息、直升机批号等信息，并及时反馈是否与发动机当前状态相符。在更换发动机或机体后可重新写入发动历程参数数据，确保及时更新。

2 系统硬件设计

测试系统硬件由直流线性电源、频率信号发生模块、滑油温度仿真模块、离散量输出模块、离散量输入模块、AC电源产品模块、直流电压产生模块、校正电阻控制模块、工控机、ARINC429通信、RS422/232通信等组成。

2.1 直流线性电源设计

直流电源为发动机参数显示系统供电电源，要求+28V、±0.4V电源输出，负载能力不小于280W，纹波不大于5%，电压准确度不大于5%，通过增加控制模块，实现电压和电流的回采、电源的输出控制和程控电压拉偏。选用沪仪科技定制的开关电源模块，功耗初步额定为300W，电压DC26V-32V，纹波不大于5%，电压准确度不大于5%

2.2 频率信号发生模块

频率信号发生模块选用凯锐CHR46301。该模块是基于PCI总线的多功能数据采集计数器功能模块，具有8路32位可编程计数器，计数器类型为递减计数，模块工作方式为脉冲计数，为32路TTL数字输入输出，输入/输出方向可软件编程设置；带有可编程数字滤波器，滤波频率为0～10MHz；支持上升沿、下降沿或者上升下降沿。图3为频率信号发生模块示意框图。

2.3 滑油温度仿真模块

滑油温度仿真模块设计制作阻抗板，线路中预设固定电阻加高精度的可调电位器，通过继电器切换实现仿真电阻值的切换。

1）滑油温度仿真模块功能框图设计

滑油温度仿真模块通过MCU接收RS232指令，经软件解析指令，控制MCU对应16路IO口输出，从而实现控制继电器触点动作，接通对应电阻档位。用户也可通过RS232发送查询指令，通过MCU读取对应IO口的状态来实现对电阻中状态值的读取。

2）电阻匹配部分设计

测试台需要3路滑油温度仿真电阻，每1路需要5种电阻配置，因此每组提供5个双刀单掷的继电器进行电阻档位的切换，将对应电阻值串在继电器2个开关中。CH1～CH4采用1个固定电阻和1个高精度电位器串联的方式实现对应电阻值的匹配。CH5通过接线端子接至适配箱前面板对应油温的电位计，通过旋转电位计实现油温电阻值的手动调节。

3）微控制单元（MCU）设计

微控制单元选用ST的MCU STM32F103CBT6，该芯片为工业级MCU，工作温度为-40℃～+85℃，满足使用环境要求。STM32F103CBT6具有37路IO口，同时具有多个UART，可实现与外部1路RS422的通信。

2.4 离散量输出模块与离散量显示模块

离散量输出模块与离散量显示模块在方案中选用凯锐CHR44302。CHR44302是一款基于PCI总线的DIO功能模块，支持24路隔离数字量输入、24路隔离固态继电器输出。输入电压范围为±60V，高电平门槛值为18V，低电平门槛值为1V。固态继电器输出最大负载电压达250VDC，电流达250mA。

2.5 AC电源产生模块

AC电源产生模块选用朝阳电源4NIC-JT2BP91.7，该电源为定制AC电源，具有过流过压过热和短路保护，220V电压输入端具有滤波功能。

支持交流电压AC仿真电压仿真；固定值可设置，同时具备手动线性调节功能和程控调节；手动调节范围VAC为95～125V，最大和最小值误差为±2V，输出功率0.75A；通过引出计量孔监测点来监测电压值，程控调节在100V/400Hz、107V/400Hz、115V/400Hz、120V/400Hz之间快速切换，可通过微调旋钮对电压进行校准（当发现实际固定输出电压与需求有偏差时，能进行微调以达到需求电压）；程控与手控通过开关切换。

支持交流电流AC仿真信号（0.96V / 400Hz、2.4V/400Hz、4.8V/400Hz、5.76V/400Hz）；固定值可设置，同时具备手动线性调节功能和程控调节；手动调节范围IAC为0.1～6V，最大和最小值误差为±1V，输出电流0.75A；具备过压过流保护功能，通过引出计量孔监测点来监测电压值，程控调节在0.96V/400Hz、2.4V/400Hz、4.8V/400Hz、5.76V/400Hz之间快速切换，可通过微调旋钮对电压进行校准（能支持精度的微调，当发现实际固定输出电压与需求有偏差时，能进行微调以达到需求电压）；程控与手控通过开关切换。

2.6 直流电压产生模块

直流电压产生模块选用凯锐的CHR42302和沪仪科技定制的模拟信号源，其中精度为0.01V的模拟量信号用凯锐CHR42302实现，精度为0.001V的模拟量信号用沪仪科技定制的模拟信号源实现。CHR42302是一款基于PCI总线设计的数据采集模块，该模块具有32路单端/16路差分模拟量输出；模块分辨率为16bit；最大输出范围为±10V，可定制输出范围为±15V或±30V；可在该基础上额外定制输出32V以上；系统精度可达0.03%FSR。

沪仪科技定制的模拟信号源设计为最大可输出100mV，最多可设计为10路独立的模拟信号输出，精度可达1mV，可通过串口控制模拟电压值的变化。

2.7 校正电阻控制模块

校正电阻控制模块选用多圈电位器实现。

2.8 工控机

工控机选用研华AIMB-701工控机主板，可支持IntelCore i7/i5/i3处理器，搭载H61芯片组；具有两个内存插槽，最大支持16GB DDR3 1066/ 1333/1600MHz；支持VGA/DVI-D双显和双GbE LAN；支持RS-232/422/485，带有自动流控制；支持1个PXIe x16和5个PCI扩展槽；主板上CPU选用Core i7，速率可达3.4GHz；内存8GB；硬盘1T SSD。

2.9 ARINC429通信

ARINC429通信选用凯锐CHR32304。CHR32304是根据ARINC429数据总线通信协议研发的基于PCI总线的通信模块，可完成4路发送4路接收；模块波特率可设置为10K、12.5K、48K、50K、100K、150K；数据随时可更新，发字间隔、消息间隔、发送消息的预订数量和发出数据量可设置；可接收添加时标、接收标号过滤和中断接收；可设置接收使能、发送和接收的FIFO复位功能；发送FIFO有511×32BIT，接收FIFO有（1M-1）×32BIT。图4为429通信示意框图。

2.10 RS422/232通信

RS422通信与RS232通信共用一块通信板卡，选用凯锐的CHR34303。CHR34303是一款基于PCI总线的串口通信模块，该模块为8路 RS232/422/485智能通信模块，每路接收FIFO为4Mbyte，发送FIFO为（8K-1）Byte；模块波特率可自行编程设定，最高可达2Mbps，传输速率快；RS232波特率2400-115.2kbps，RS422/485波特率2400-2Mbps；停止位、校验位均可编程设置；模块可编程设定RS232/422/485接口方式；支持8路虚拟串口功能。图5为422通信与232通信示意框图。

3 系统软件设计

软件是整个测试系统的核心和灵魂，测试软件的设计风格应统一，功能单元采用模块化设计，使软件单元具有良好的可复用性，被测产品的检测需全部通过软件实现，因此软件开发是该测试系统研制的重要工作内容。针对所需的测试任务，选择合适的程序设计方法将有利于简化软件开发过程，缩短开发周期，同时便于其进一步升级改造和维护[10]。

3.1 软件开发及运行环境

操作系統：Windows系统；编程语言：Python、C++；仪器驱动采用厂商提供的驱动。

3.2 软件架构

测试设备软件基于智能测试平台进行开发。该平台是基于Tornado开发的B/S架构软件平台，具备测试项编辑、测试任务管理、调试页面管理等基本功能，可针对项目进行定制化的测试任务、调试页面开发。

引入驱动中间件架构，通过驱动中间件实现服务器端获取的测试需求与硬件资源调配间的映射。

图6为软件测试流程图。

3.3 软件组成

平台具备用户管理、测试任务管理、调试页面管理、历程参数读写等功能。支持口令登入验证功能，支持测试过程自动化，并能够记录整个测试数据，完成数据自动化分析，具备历程参数读取和编辑等功能。

测试软件基于该平台进行二次开发，在平台上进行测试用例的编辑，并由测试任务、调试页面对其进行调用。测试软件包组成如表1所示。

1）驱动中间件

驱动中间件控制所有板卡资源，通过接收上层主控设备下发的指令，进行解析后，按照指令要求控制板卡的收发，并将接收到的数据进行封装，上传给主控设备。

驱动中间件将所有板卡的初始化、发送、接收等API接口进行二次封装。平台通过中间件实现对硬件资源的调配。包含总线有：ARINC429驱动；串口总线驱动；模拟量驱动；离散量驱动。

2）测试用例软件

测试用例软件包是所有测试任务与调试功能中调用的最小可执行单元的集合。每个测试用例实现一条测试需求，且可被不同的测试任务、调试页面调用。

测试用例清单如表2所示，并将根据实际需求不断扩充。

3）自检测功能

自检测功能测试用例中，平台经由中间件，先通过指定总线向被测产品下发自检测命令，然后通过指定总线接收产品自检返回值。平台对比返回值与产品通信规约得出自检测结果。当中间件接收的产品自检返回值与通信规约自检正确返回值一致时，判定合格。

4）测试任务软件

测试任务是测试用例的集合，按验收测试需求排列，具备执行测试、循环测试的功能，可在测试过程中暂停测试，可在测试结束后自行汇总测试结果并提供导出结果。该软件可在验收测试流程中使用。

5）调试页面软件

调试任务软件是测试用例的集合，按日常调试需求组成。在开发调试页面的过程中，将测试用例作为事件与调试页面面板上的控件进行绑定。最终在B/ S架构中实现可在浏览器端使用的、近似仿真软件可执行程序的页面[10]。该软件可在日常调试时使用。

用户通过调试页面上的控件可以执行对产品的既定调试逻辑，产品给出的返回值会在调试页面的控件或控制台展示，形成从调试页面UI、测试用例、驱动中间件、硬件资源到被测产品的完整链路。

4 系统测试验证

按工厂某型发动机参数显示系统产品修理工艺文件，实现了发动机参数显示系统的性能测试与故障诊断，可将故障定位到SRU级。SRU之间的基本关联有串联、分支、合并、反馈等，可根据产品的组成结构原理，结合测试结果进行分析判断。

通过检查各性能参数，系统判定是否合格，确定产品是否故障，若超出误差范围，系统提示不合格并高亮标红。通过检测多件发动机参数显示系统，并结合机上通电检查情况，可确定产品工作状态。表3为使用测试与故障诊断系统对6件发动机参数显示系统的测试结果，其中5件为合格，1件为不合格。对不合格产品内部硬件进行检查，确定了故障部位，通过调整内部的电阻值排除了故障。

5 结束语

本文重点阐述了某型发动机参数显示器测试与故障诊断系统的总体架构、系统硬件和软件的设计方案，经详细设计和研制生产，产品获得了成功，经使用验证，各项性能均满足测试需求。该测试系统已在修理工厂投入使用，工作稳定、性能良好，通过了鉴定，可保障某型发动机参数显示系统的性能检测、故障定位，满足直升机修理需求。后续可在该系统的基础上，利用其硬件资源，研制适配器、开发测试软件，以满足更多发动机参数显示系统的测试需求。

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