黃 成 孫景波 徐振瀚

（1.中國(guó)航發(fā)上海商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限責(zé)任公司，上海201306；2.阿米檢測(cè)技術(shù)有限公司，蘇州215000；3.江西昌河航空工業(yè)有限公司，景德鎮(zhèn)333000）

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的型號(hào)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)是反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)劣的主要指標(biāo)，其測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到對(duì)研制結(jié)果的評(píng)價(jià)和進(jìn)一步的設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。隨著航空測(cè)試技術(shù)的快速發(fā)展，系統(tǒng)化、集成化，傳感器密集布點(diǎn)運(yùn)用日趨成為主要的試驗(yàn)測(cè)試模式。航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)是一門綜合學(xué)科，涉及溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、流量、應(yīng)變、振動(dòng)、角度、位移等多個(gè)專業(yè)。綜合傳感器模擬參數(shù)校準(zhǔn)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中又稱之為末端計(jì)量，評(píng)價(jià)航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要的性能數(shù)據(jù)最終全部由數(shù)采系統(tǒng)和傳感器轉(zhuǎn)換成電壓、電流、電阻、頻率、相位五種基本電學(xué)常量進(jìn)行換算和分析。因此，綜合模擬電參數(shù)計(jì)量測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)最終結(jié)果。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)性能試驗(yàn)的概念圖Fig.1 Concept of aero-engine model performance test

時(shí)效性要求高、參數(shù)類別雜、校準(zhǔn)數(shù)量龐大、突發(fā)性強(qiáng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)綜合模擬參數(shù)校準(zhǔn)需求的典型特點(diǎn)。傳統(tǒng)校準(zhǔn)保障模式以專業(yè)劃分人力和設(shè)備資源配置，單參數(shù)校準(zhǔn)手段為主，低校準(zhǔn)效率不僅無法保證現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)高周轉(zhuǎn)時(shí)效性的要求，同時(shí)面臨綜合參數(shù)校準(zhǔn)需求時(shí)，存在著多專業(yè)人力和設(shè)備資源沖突的問題。表1 為某個(gè)常規(guī)中小型型號(hào)試驗(yàn)所需要的校準(zhǔn)資源和時(shí)間成本，對(duì)于設(shè)備、人力以及科研時(shí)間都是極大的損耗。當(dāng)務(wù)之急，無論從校準(zhǔn)方案或是校準(zhǔn)裝置都必須有所突破，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、多路高效、低成本、綜合性參數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)平臺(tái)是本文思考的重點(diǎn)。

表1 某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)進(jìn)度要求和資源需求Tab.1 Calibration schedule requirements and resource requirements for a certain type of engine development and test site

2 PXI總線技術(shù)的應(yīng)用思考

PXI 是PCI總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，是一種用于測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)領(lǐng)域的基于PC 的模塊化儀器平臺(tái)。PXI 不僅繼承PCI總線堅(jiān)固、模塊化、可靠性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、傳輸效率高等特征，并且具備極強(qiáng)的擴(kuò)展性，如圖2所示，非常適合綜合參數(shù)的自動(dòng)化工業(yè)測(cè)試。PXI總線技術(shù)是1997年由美國(guó)NI公司推出的一種開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線，經(jīng)過30 多年的發(fā)展，已形成集協(xié)議、硬件與語(yǔ)言為一體的完善的工業(yè)體系，使仿真技術(shù)滲透到儀器各個(gè)領(lǐng)域。除去做全產(chǎn)品領(lǐng)域的NI 和JYTEK 之外，許多子領(lǐng)域的PXI總線產(chǎn)品也發(fā)展迅猛，如精通于標(biāo)準(zhǔn)傳感器信號(hào)仿真的Pickering， 精通半導(dǎo)體領(lǐng)域的Chroma，擅長(zhǎng)RF 領(lǐng)域的Keysight 等。

圖2 PXI總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)Fig.2 Advantages of PXI bus technology

前文提到，現(xiàn)場(chǎng)綜合模擬參數(shù)的校準(zhǔn)最終轉(zhuǎn)換為五大電學(xué)常量進(jìn)行運(yùn)算和分析，與虛擬儀器的特點(diǎn)極其類似，可充分利用PXI 技術(shù)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)計(jì)量裝置和技術(shù)的不足。

2.1 優(yōu)秀的帶寬和低延遲性能

帶寬和延遲是影響數(shù)據(jù)傳輸同步和保真的重要指標(biāo)，如圖3所示，大多數(shù)儀器所青睞的GPIB 總線是六十年代末期問世的技術(shù)，它的帶寬僅1M 左右，在大數(shù)據(jù)處理時(shí)易發(fā)生數(shù)據(jù)丟包和失真的風(fēng)險(xiǎn)。最新的USB4，即雷電串行總線，它以PCIe3.0x4 的速度與PCIe 設(shè)備連接，可以達(dá)到3.9GB/s 的速度。PXIe Gen3x8 的機(jī)箱問世后，它的理論帶寬可以達(dá)到7.8GB/s，為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)大數(shù)據(jù)采集與校準(zhǔn)，提供高性能的測(cè)量系統(tǒng)。

圖3 常用測(cè)量總線的帶寬和延遲Fig.3 Commonly measured bus bandwidth and latency

2.2 便利高效的程序編譯平臺(tái)

PXI總線技術(shù)統(tǒng)一了高速率的通訊協(xié)議，避免了多類計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議（GPIB、RS232、RJ484 等）不一致，造成無法統(tǒng)一形成自動(dòng)化校準(zhǔn)平臺(tái)的尷尬。NI 公司經(jīng)過多年的發(fā)展，已形成完善的基于Labview 軟件平臺(tái)的編程服務(wù)體系，幾乎每一類板卡都能夠下載到現(xiàn)成的軟件封裝包。意味著工程師只要具備基本的測(cè)控邏輯架構(gòu)思路，就能夠快速地完成一套自動(dòng)化測(cè)試程序，而無需軟件開發(fā)人員基本的代碼編譯技能。

2.3 多功能模塊便攜化的技術(shù)特征

PXI總線插槽理論上可以無限制的擴(kuò)展，模塊化的組裝設(shè)計(jì)使用戶根據(jù)校準(zhǔn)需求實(shí)現(xiàn)隨意定制各類綜合參數(shù)的校準(zhǔn)平臺(tái)。隨著技術(shù)的發(fā)展，無論P(yáng)XI 工控平臺(tái)或是PXI 虛擬板卡都設(shè)計(jì)得非常輕便，一張?zhí)摂M板卡甚至不足300g，參數(shù)類型靈活及便攜化的特征非常適用于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)綜合參數(shù)的校準(zhǔn)，如圖4所示。

圖4 PCI、PCIe 插槽（至上而下PCIe x4、x16、x1、x16、PCI）Fig.4 PCI，PCIe slots（top to bottom PCIe X4，X16，X1，X16，PCI）

2.4 多路高效的測(cè)試能力

多路通道的仿真測(cè)試能力是PXI總線技術(shù)的典型特點(diǎn)。優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)儀器無法達(dá)到的數(shù)倍乃至數(shù)十倍仿真測(cè)試速度的提升。再結(jié)合平臺(tái)本身的自動(dòng)化測(cè)試程序，理論上可實(shí)現(xiàn)極少的人員，通過1 套校準(zhǔn)平臺(tái)，解決許多科研現(xiàn)場(chǎng)綜合模擬參數(shù)校準(zhǔn)的效率瓶頸。

近年來，部分研究機(jī)構(gòu)在利用PXI總線技術(shù)開發(fā)校準(zhǔn)方案上也做出了一些嘗試。如設(shè)計(jì)PXI 仿真校準(zhǔn)平臺(tái)用于振動(dòng)參數(shù)、沖擊參數(shù)和環(huán)境參數(shù)的校準(zhǔn)。自主研發(fā)了基于PXI總線技術(shù)的工控平臺(tái)，用于高效完成型號(hào)計(jì)量電參數(shù)的測(cè)試，取得了不錯(cuò)的效果，如圖5所示。為型號(hào)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)綜合模擬參數(shù)自動(dòng)化校準(zhǔn)仿真平臺(tái)的研究與應(yīng)用提供了一定的借鑒意義。

圖5 部分研究機(jī)構(gòu)開發(fā)的基于PXI總線技術(shù)的校準(zhǔn)平臺(tái)Fig.5 Shows the PXIbus-based calibration platform developed by the research institution

3 開發(fā)思路

本系統(tǒng)擬充分利用總線板卡進(jìn)行各類型信號(hào)的多路仿真及采集，結(jié)合自動(dòng)化測(cè)試軟件，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制整個(gè)校準(zhǔn)流程的信號(hào)的仿真和測(cè)試，并自動(dòng)生成校準(zhǔn)記錄。研究一套平臺(tái)實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)大部分綜合模擬參數(shù)的校準(zhǔn)與標(biāo)定，形成自動(dòng)化、便攜、高效的服務(wù)保障能力。

3.1 總體設(shè)計(jì)方案

校準(zhǔn)平臺(tái)主要由硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)兩大部分組成，其中硬件平臺(tái)是構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件平臺(tái)是構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)的核心，如圖6所示。在硬件平臺(tái)中，精密穩(wěn)壓模塊主要進(jìn)一步提升工控機(jī)輸入電壓精度和穩(wěn)定性，以實(shí)現(xiàn)參數(shù)分量高精度調(diào)理的前端輸入校正；信號(hào)調(diào)理器主要是完成對(duì)前端傳感器采集的模擬信號(hào)進(jìn)行放大、隔離、濾波、并使其線性化；校準(zhǔn)板卡主要是完成對(duì)信號(hào)的仿真、采集，完成A/D 轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)處理器主要完成數(shù)據(jù)的高速分析、實(shí)時(shí)儲(chǔ)存及網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。自動(dòng)校準(zhǔn)平臺(tái)采用SC Express 模塊來完成對(duì)綜合模擬信號(hào)的調(diào)理與采集。SC Express 模塊是搭建在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的PXI 平臺(tái)上，專門針對(duì)特定的模擬參數(shù)類型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，集數(shù)據(jù)采集與信號(hào)調(diào)理功能于一體的模塊。不僅縮小了測(cè)試系統(tǒng)體積尺寸，而且使系統(tǒng)更加精確、可靠。

圖6 自動(dòng)校準(zhǔn)平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)思路Fig.6 Overall structure of the automatic calibration platform

在軟件平臺(tái)中，運(yùn)行環(huán)境主要是指系統(tǒng)運(yùn)行的操作系統(tǒng)，應(yīng)采用兼容windows7 以上操作系統(tǒng)；開發(fā)軟件是指軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的編程環(huán)境，PXI總線基本可兼容所有高級(jí)語(yǔ)言編寫程序；驅(qū)動(dòng)程序用于驅(qū)動(dòng)仿真與采集設(shè)備，并提供標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)編程接口；專用軟件是指輔助校準(zhǔn)項(xiàng)目完成的自動(dòng)化控制程序以及數(shù)據(jù)追溯和處理程序，專用軟件的使用往往可使項(xiàng)目開展效率提高數(shù)倍，大大降低作業(yè)時(shí)間和人員工作強(qiáng)度。

工控機(jī)經(jīng)調(diào)理后輸出的12V 直流電壓是板卡仿真或測(cè)試的基礎(chǔ)信號(hào)。輸入電壓的精度、噪聲（如圖7所示）和紋波（如圖8所示）會(huì)干擾外設(shè)模塊，從而影響整體的測(cè)量精度。PXI 硬件標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工控機(jī)電源系統(tǒng)有嚴(yán)格的規(guī)定，但局限于工業(yè)測(cè)試。校準(zhǔn)平臺(tái)作為最上游的溯源標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)信號(hào)準(zhǔn)確性要求往往數(shù)倍于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所以在設(shè)計(jì)上仍然考慮在工控機(jī)電壓輸出端再集成個(gè)電源板卡，最大可能來保證測(cè)試系統(tǒng)能達(dá)到外設(shè)板卡固有的技術(shù)指標(biāo)。

圖7 噪聲Fig.7 Noise

圖8 紋波Fig.8 Ripple

3.2 校準(zhǔn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

校準(zhǔn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有幾個(gè)典型需求，一是重量輕、便攜性強(qiáng)；二是模塊化設(shè)計(jì)，可靈活自定義裝卸功能模塊；三是集校準(zhǔn)操作、數(shù)據(jù)處理、記錄于一體，具備良好的人機(jī)交互界面。

一體式PXIe 機(jī)箱是本文自動(dòng)校準(zhǔn)平臺(tái)的構(gòu)建思路，以PXI總線為基礎(chǔ)，用于植入各類PXIe 采集模塊與PXI 仿真模塊，根據(jù)PXIe 采集模塊和PXI 仿真模塊的性能和功用的不同，實(shí)現(xiàn)不同模塊的測(cè)試校準(zhǔn)功能。用戶可自主根據(jù)功能校準(zhǔn)需求和維保溯源需求靈活拆裝板卡模塊，如圖9所示，具備集校準(zhǔn)操作、數(shù)據(jù)處理、記錄于一體的人機(jī)交互界面，如圖10所示。

圖9 模塊化功能拆裝概念圖Fig.9 Concept diagram of modular function disassembly

圖10 設(shè)有人機(jī)交互界面的顯示概念圖Fig.10 Display concept diagram of human-computer interaction interface

3.3 校準(zhǔn)平臺(tái)校準(zhǔn)功能的開發(fā)思路

自動(dòng)校準(zhǔn)平臺(tái)是基于計(jì)算機(jī)分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建立的仿真和采集系統(tǒng)，硬件和軟件都是基于模塊化的思路構(gòu)建，整個(gè)平臺(tái)由配套設(shè)備、PXI總線仿真模塊、PXI總線測(cè)量模塊組成。其中，PXI總線測(cè)試仿真平臺(tái)是控制計(jì)算機(jī)中運(yùn)行測(cè)控軟件，通過通信接口及測(cè)試電纜，控制板卡、配套設(shè)備及用戶設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的測(cè)試流程，接收測(cè)控計(jì)算機(jī)的指令，完成各項(xiàng)仿真及測(cè)量功能。圖11 以航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)最主要的數(shù)采系統(tǒng)、傳感器以及綜合試驗(yàn)器校準(zhǔn)需求為例，描述校準(zhǔn)功能的設(shè)計(jì)思路。

圖11 數(shù)采系統(tǒng)校準(zhǔn)設(shè)計(jì)范例Fig.11 Calibration design example of digital acquisition system

4 綜合校準(zhǔn)平臺(tái)軟件功能的設(shè)計(jì)研究

軟件是設(shè)計(jì)的重要組成部分，采用軟件工程的管理理念，以標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的設(shè)計(jì)手段，使綜合測(cè)試儀軟件架構(gòu)做到靈活性、自適應(yīng)性和開放性，模塊的可擴(kuò)充和可更新，能在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展變化，能與其它系統(tǒng)連接使用或便于二次開發(fā)，能夠接收和處理不同形式的數(shù)據(jù)交換格式，具有一定的繼承性、復(fù)用性和可擴(kuò)展性；軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，并且各個(gè)模塊之間相對(duì)獨(dú)立、低耦合，每個(gè)模塊可單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試、修改和存儲(chǔ)，便于由不同的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行獨(dú)立開發(fā)；軟件設(shè)計(jì)時(shí)須對(duì)用戶進(jìn)行訪問控制，以增強(qiáng)系統(tǒng)的保密性和安全性。所以軟件不僅需要自動(dòng)化控制和采集能力，同時(shí)需具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理和記錄編譯功能，如圖12所示。軟件開發(fā)最關(guān)鍵的要求有四點(diǎn)：

圖12 軟件功能設(shè)計(jì)邏輯圖Fig.12 Logic diagram of software function design

（1）軟件平臺(tái)兼容如labview、C＃等各種高級(jí)語(yǔ)言的編制，協(xié)議適應(yīng)性強(qiáng)。

（2）系統(tǒng)自帶數(shù)據(jù)庫(kù)，可靈活運(yùn)用搜索條件查詢歷史校準(zhǔn)記錄。

（3）系統(tǒng)具備自動(dòng)數(shù)據(jù)處理和記錄編制功能，系統(tǒng)需采用動(dòng)態(tài)的記錄形成設(shè)計(jì)，使用者可隨意要求將界面信息、導(dǎo)入的數(shù)據(jù)或系統(tǒng)自采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入預(yù)設(shè)模版，可靈活設(shè)置行、列、格。當(dāng)使用者記錄版本的變更時(shí)不會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)返工。

（4）對(duì)每個(gè)校準(zhǔn)功能模塊，系統(tǒng)需具備自動(dòng)化校準(zhǔn)程序，校準(zhǔn)程序須滿足用戶使用的便捷性和自主性要求，數(shù)據(jù)采集過程及數(shù)據(jù)處理須滿足計(jì)量技術(shù)規(guī)范或用戶要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上研究，基于PXI總線校準(zhǔn)技術(shù)的運(yùn)用具備自動(dòng)化、多路高效、便攜性、功能模塊化、低成本等一系列優(yōu)點(diǎn)，是科研試驗(yàn)過程中值得推廣的快捷保障校準(zhǔn)模式，具體表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

（1）基于PXI總線技術(shù)模擬的校準(zhǔn)平臺(tái)可滿足溫度、壓力、電壓、電流、電阻、應(yīng)變、頻率、振動(dòng)、流量、轉(zhuǎn)速等多類傳感器綜合模擬參數(shù)的校準(zhǔn)需求，功能強(qiáng)大。模塊化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可根據(jù)研制試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)校準(zhǔn)類別靈活定制平臺(tái)的校準(zhǔn)范圍，可應(yīng)對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)各類突發(fā)的綜合參數(shù)校準(zhǔn)需求。

（2）便攜性、功能集成化是該校準(zhǔn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的典型特點(diǎn)，在面對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)緊急的綜合參數(shù)校準(zhǔn)需求時(shí)，一套平臺(tái)和一組人力可迅速趕赴現(xiàn)場(chǎng)，無需多個(gè)專業(yè)協(xié)調(diào)調(diào)度大量的人力和設(shè)備。極大降低科研資金的損耗，提高了科研保障效率。

（3）基于PXI總線的校準(zhǔn)平臺(tái)源于自動(dòng)化編程設(shè)計(jì)，同時(shí)具備多路信號(hào)仿真和測(cè)量能力，比傳統(tǒng)設(shè)備手動(dòng)校準(zhǔn)模式效率提高數(shù)倍，極大提高了科研保障的時(shí)效性，同時(shí)大幅度降低因輸出不足產(chǎn)生的高額計(jì)量成本。

（4）PXI 多路標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)仿真模塊化能力具備集成進(jìn)入試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試通道成為標(biāo)定單元的條件。結(jié)合無線通信技術(shù)的運(yùn)用，我們有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)只需要一個(gè)命令，在數(shù)十分鐘內(nèi)就可完成一次型號(hào)試驗(yàn)所有的測(cè)試通道的檢查、標(biāo)定和驗(yàn)證，在線校準(zhǔn)技術(shù)必定是未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)集成測(cè)試模式保障的趨勢(shì)。