鄧 俊， 周越文， 文 瑩， 陳茂才

(1.空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，陜西 西安 710038；2.空軍空降兵學(xué)院，廣西 桂林 541002；3.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七〇四研究所，上海 200031)

基于AS-i總線的發(fā)動(dòng)機(jī)告警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧 俊1， 周越文1， 文 瑩2， 陳茂才3

(1.空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，陜西 西安 710038；2.空軍空降兵學(xué)院，廣西 桂林 541002；3.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七〇四研究所，上海 200031)

在發(fā)動(dòng)機(jī)告警系統(tǒng)中，由于控制器和底層傳感器/執(zhí)行器之間的連接形式復(fù)雜多樣，導(dǎo)致了確定故障位置困難、系統(tǒng)安裝和維護(hù)難、成本高。針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于AS-i總線的發(fā)動(dòng)機(jī)告警系統(tǒng)。系統(tǒng)由電源模塊、AS-i主站和AS-i從站組成，采用AS-i總線將各個(gè)模塊和底層傳感器/執(zhí)行器連接起來(lái)，并由兩根AS-i電纜完成系統(tǒng)供電和數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)軟件對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)通信可靠、安裝和維護(hù)簡(jiǎn)單、成本低，有利于實(shí)現(xiàn)底層設(shè)備連接的標(biāo)準(zhǔn)化。

AS-i總線； 傳感器； 執(zhí)行器； 發(fā)動(dòng)機(jī)告警

0 引 言

發(fā)動(dòng)機(jī)告警系統(tǒng)主要用于監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的燃油和滑油油量、溫度、壓力、排氣溫度、轉(zhuǎn)子速度等參數(shù)，并采集處理傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)警示燈等執(zhí)行部件實(shí)施告警。系統(tǒng)中存在大量具有開(kāi)關(guān)量特征的傳感器，如溫度傳感器、壓力傳感器、油量傳感器等，以及各種執(zhí)行器，如告警燈、蜂鳴器等[1]。如何設(shè)計(jì)合理的發(fā)動(dòng)機(jī)告警系統(tǒng)框架，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并及時(shí)準(zhǔn)確地告警，從而使飛行員能及時(shí)采取相應(yīng)措施，對(duì)提高飛行安全具有重要作用，這也是發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)重點(diǎn)研究的問(wèn)題。

目前，飛機(jī)上廣泛采用的EICAS，代替了傳統(tǒng)的機(jī)械電氣儀表，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、顯示和告警[2,3]。而USB在發(fā)動(dòng)機(jī)的告警系統(tǒng)中的應(yīng)用[4]，進(jìn)一步方便了底層傳感器數(shù)據(jù)的傳輸。然而，現(xiàn)有的告警系統(tǒng)存在指示參數(shù)冗余度高，無(wú)法確定故障傳感器位置的問(wèn)題。此外，控制器與傳感器/執(zhí)行器之間采用并行連接，導(dǎo)致了系統(tǒng)線路復(fù)雜、連接電纜多、安裝和維護(hù)難、成本高。而AS-i(actuator sensor interface)總線的出現(xiàn)，為克服以上問(wèn)題提供了一種簡(jiǎn)單、低成本的解決方案。由于具有簡(jiǎn)單、安全、可靠的優(yōu)點(diǎn)，AS-i總線已在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5～7]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于AS-i總線的發(fā)動(dòng)機(jī)告警系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)和分析了執(zhí)行器/傳感器和控制器的連接電路；對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)告警系統(tǒng)的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了AS-i總線應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)告警系統(tǒng)的可行性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)告警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于AS-i總線的發(fā)動(dòng)機(jī)告警系統(tǒng)由從站、主站、電源模塊和AS-i標(biāo)準(zhǔn)電纜組成。從站包括流量傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、告警燈等各種執(zhí)行器/傳感器節(jié)點(diǎn)和AS-i從機(jī)。主站包括控制器和AS-i主機(jī)，是發(fā)動(dòng)機(jī)告警系統(tǒng)的核心部分。數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)的控制器，產(chǎn)生控制信號(hào)，并由AS-i主機(jī)處理，發(fā)送給從站。電源模塊給系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)供電。AS-i標(biāo)準(zhǔn)電纜將系統(tǒng)各個(gè)部分連接起來(lái)，是電源和數(shù)據(jù)的傳輸介質(zhì)。發(fā)動(dòng)機(jī)告警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)告警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Overall structure block diagram of engine alerting system

1.2 電源模塊硬件設(shè)計(jì)

電源模塊包括直流電源、對(duì)稱電路和解耦電路。其中，對(duì)稱電路由大小相等的電容器C1，C2和電阻器R3，R4構(gòu)成。解耦電路由大小相等的兩只電阻器R1，R2和兩只電感器L1，L2組成。對(duì)稱電路和解耦電路實(shí)現(xiàn)AS-i總線嚴(yán)格對(duì)地對(duì)稱，保證數(shù)據(jù)和電源解耦，從而為AS-i總線提供穩(wěn)定的直流電源。電源模塊電路如圖2所示。系統(tǒng)連接電纜滿足AS-i標(biāo)準(zhǔn)[8]。

圖2 電源模塊電路圖Fig 2 Circuit diagram of power supply module

1.3 主站硬件設(shè)計(jì)

主站由控制器(ATMEL89C51)和AS-i主機(jī)組成，主站電路如圖3所示。主站和從站專用芯片采用德國(guó)ZMDI公司的A2SI芯片。AS-i總線的信號(hào)經(jīng)專用芯片的接收器處理后，由脈沖解碼電路將sin2信號(hào)轉(zhuǎn)換成曼徹斯特Ⅱ型碼后，再解碼成二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)。同時(shí)，電路將檢測(cè)信號(hào)的合法性。解碼后的正確信號(hào)由“接收數(shù)據(jù)”端發(fā)送至控制器。當(dāng)控制器向從站發(fā)送的控制信號(hào)時(shí)，控制器經(jīng)“發(fā)送數(shù)據(jù)”端發(fā)送信號(hào)進(jìn)入主站專用芯片，再經(jīng)過(guò)編碼調(diào)制后，轉(zhuǎn)換成曼徹斯特Ⅱ型碼，再調(diào)制成交變的sin2信號(hào)后，送至總線上傳輸。

圖3 系統(tǒng)主站電路圖Fig 3 Circuit diagram of system master

1.4 從站硬件設(shè)計(jì)

從站包括AS-i從機(jī)和傳感器/執(zhí)行器。AS-i從機(jī)解碼發(fā)送和編碼接收總線上的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)主站和傳感器/執(zhí)行器的通信。從站電路如圖4所示。專用芯片Uout為傳感器/執(zhí)行器供電。發(fā)光二極管D4,D5反映從站的工作狀態(tài)。DI0～DI3和DO0～DO3與傳感器/執(zhí)行器相連。

圖4 系統(tǒng)從站電路圖Fig 4 Circuit diagram of system slave

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)測(cè)試準(zhǔn)備

為了測(cè)試系統(tǒng)功能，利用工控機(jī)(PC)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)告警系統(tǒng)的上層計(jì)算機(jī)，通過(guò)RS-422將其分別連接主站和總線監(jiān)視器。PC控制主站發(fā)送控制命令，總線監(jiān)視器監(jiān)視AS-i總線上傳輸信號(hào)，測(cè)試原理如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)測(cè)試原理框圖Fig 5 Principle block diagram of system test

2.2 軟件測(cè)試流程

系統(tǒng)軟件測(cè)試流程如圖6。軟件調(diào)試采用VC++6.0編譯環(huán)境實(shí)現(xiàn)。測(cè)試步驟如下：

1)系統(tǒng)上電后，對(duì)主站和從站的專用芯片進(jìn)行初始化。

2)分配從站的地址。

3)向從站發(fā)送讀數(shù)據(jù)指令，讀取第一個(gè)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)。

4)主站接收傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)。

5)識(shí)別測(cè)量數(shù)據(jù)是否超出安全值范圍。若超出，則主站控制器向?qū)?yīng)的告警燈發(fā)送寫(xiě)指令，控制告警燈閃爍；若未超出，進(jìn)行下一步。

6)判斷傳感器是否輪詢完，如果是，返回步驟(3)；否則，巡查下一個(gè)傳感器，返回步驟(4)。

圖6 軟件測(cè)試流程圖Fig 6 Flow chart of software test

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 位差錯(cuò)率和指令響應(yīng)測(cè)試

位差錯(cuò)率指每秒數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤的位數(shù)。為測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈徊铄e(cuò)率，PC控制主站和從站以不同傳輸速率連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)3 h。通過(guò)AS-i總線監(jiān)視器監(jiān)控的數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)對(duì)比，位差錯(cuò)率測(cè)試結(jié)果如表1所示。從結(jié)果可以看出：系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的位差錯(cuò)率很低。

表1 位差錯(cuò)率測(cè)試結(jié)果
Tab 1 Results of bit error rate test

傳輸速率(kb/s)位差錯(cuò)率(10-8)主站發(fā)送數(shù)據(jù)從站發(fā)送數(shù)據(jù)9.60.70.619.23.82.438.45.14.957.612.310.9115.221.112.1

在指令響應(yīng)測(cè)試過(guò)程中，PC控制主站向從站發(fā)送不同類型的控制指令，對(duì)每一指令重復(fù)發(fā)送105次，記錄從站是否成功響應(yīng)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明：從站響應(yīng)指令的成功率高，保證了主站與從站的可靠通信。

表2 指令響應(yīng)測(cè)試結(jié)果
Tab 2 Results of instruction response test

實(shí)驗(yàn)操作響應(yīng)失敗次數(shù)復(fù)位2寫(xiě)參數(shù)1數(shù)據(jù)交換0地址重置2讀ID/IO4讀傳感器數(shù)據(jù)3

3.2 故障和傳輸錯(cuò)誤檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

為檢測(cè)系統(tǒng)識(shí)別故障的能力，主站識(shí)別從站傳感器的短路、開(kāi)路和故障3種模式。如果主站未收到從站響應(yīng)，并能對(duì)從站重新分配地址，則視為故障檢測(cè)成功。

傳輸錯(cuò)誤檢測(cè)時(shí)，先設(shè)置4種錯(cuò)誤位試驗(yàn)數(shù)據(jù)：起始位錯(cuò)誤、控制位錯(cuò)誤、地址位錯(cuò)誤和校驗(yàn)位錯(cuò)誤。主站測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)的步驟如下：1)發(fā)送合法指令；2)發(fā)送錯(cuò)誤類型指令；3)發(fā)送合法指令。經(jīng)過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)10 000次，測(cè)試結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明：系統(tǒng)對(duì)傳感器的故障和傳輸錯(cuò)誤的識(shí)別率較高，因此，有利于系統(tǒng)的快速排故。

表3 故障和傳輸錯(cuò)誤檢測(cè)結(jié)果
Tab 3 Test results of fault and transmission error

故障/傳輸錯(cuò)誤類型未識(shí)別次數(shù)短路2開(kāi)路1傳感器故障3起始位錯(cuò)誤1控制位錯(cuò)誤0地址位錯(cuò)誤2校驗(yàn)位0

3.3 系統(tǒng)告警準(zhǔn)確度測(cè)試

為了測(cè)試系統(tǒng)告警的準(zhǔn)確性，選用了燃油油量傳感器、燃油壓力傳感器、排氣溫度傳感器、滑油油量傳感器、滑油溫度傳感器、滑油壓力傳感器共計(jì)6種傳感器，以及對(duì)應(yīng)的告警燈，并將其分別與從機(jī)連接，每只傳感器編號(hào)為1～6。傳感器的數(shù)據(jù)傳送至主站，控制器再將數(shù)據(jù)傳輸給PC，當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)安全值時(shí)，控制器發(fā)送控制命令，控制對(duì)應(yīng)的告警燈。每個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)分為正常數(shù)據(jù)和告警數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)500次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表4所示。從測(cè)試結(jié)果看，系統(tǒng)未出現(xiàn)虛警和漏警，準(zhǔn)確度高，每次都能實(shí)現(xiàn)正確的告警。

表4 系統(tǒng)告警測(cè)試結(jié)果
Tab 4 Alerting test results of system

傳感器編號(hào)安全值范圍平均測(cè)量值紅色告警燈狀態(tài)告警正確率(%)11825～20000kg2653kg滅10011825～20000kg1210kg亮10020～6.9MPa4.5MPa滅10020～6.9MPa8.2MPa亮1003280～710℃340℃滅1003280～710℃783℃亮10045～30L20.6L滅10045～30L2.8L亮1005-30～80℃35.4℃滅1005-30～80℃97.5℃亮10060.25～0.78MPa0.36MPa滅10060.25～0.78MPa0.91MPa亮100

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了基于AS-i總線的發(fā)動(dòng)機(jī)告警系統(tǒng)。分析了系統(tǒng)的各組成部分及其功能;介紹了硬件和軟件設(shè)計(jì)的過(guò)程;測(cè)試了系統(tǒng)的性能。AS-i總線簡(jiǎn)化了控制器與傳感器/執(zhí)行器的連接方式，減少了電纜數(shù)量，使系統(tǒng)安裝和維護(hù)更方便，成本更低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了AS-i總線應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)告警系統(tǒng)的可行性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和告警。

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Design of engine alerting system based on AS-i bus

DENG Jun1, ZHOU Yue-wen1, WEN Ying2, CHEN Mao-cai3

(1.College of Aeronautics and Astronautics Engineering,Air Force Engineering University,Xi’an 710038,China；2.Air Force Airborne Academe,Guilin 541002,China;3.704th Institute,China Shipbuilding Industrial Corp,Shanghai 200031,China)

In engine alerting system,for the complex and variation of connection form between controller and bottom sensors/actuators,it is difficult to identify fault positions,installation and maintenance of this system are also difficult and high cost.Aiming at these problems,an engine alerting system based on AS-i bus is designed.The system is constituted of power supply,an AS-i master and several AS-i slaves.Two AS-i cables are applied for power supply and data transmission.By software,the performance of the system is tested.The result of test shows that,communication of this system is reliable and its installation and maintenance is easy,low cost,which is beneficial to connection standardization of bottom device.

AS-i bus; sensor; actuator; engine alerting

10.13873/J.1000—9787(2015)10—0069—03

2015—07—27

TP 241.7; TP 277

: A

: 1000—9787(2015)10—0069—03

鄧 俊(1991-)，男，湖南益陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣怆娞綔y(cè)系統(tǒng)測(cè)試與故障診斷方法研究。