王宇陽，丁 濤，周鳳華，張 寧

(中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動機制造有限責(zé)任公司，上海 201306)

1 引言

當(dāng)前國內(nèi)航空發(fā)動機試驗具有時間緊、型號多、任務(wù)大、可靠性要求高等特點，常常造成試驗設(shè)備和人力資源緊張。而為匹配每次試驗科目的參數(shù)要求，試驗常伴隨著對發(fā)動機電子控制系統(tǒng)(EEC)、測試接口設(shè)備(TIE)的調(diào)整——目前的試驗狀態(tài)是在發(fā)動機停車后進行，費時費力。如果能夠在試驗進行過程中在線調(diào)整發(fā)動機參數(shù)，將極大地減少試驗的時間成本[1-3]。然而，試車臺數(shù)采系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)傳感器信號的采集和顯示，其本身設(shè)計并不具有復(fù)雜的控制邏輯，不能滿足在線調(diào)整發(fā)動機參數(shù)需要的快速、可靠、復(fù)雜性的要求[4-6]。

隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，大部分的應(yīng)用系統(tǒng)供應(yīng)商會提供軟件開發(fā)工具包(SDK)，軟件開發(fā)人員可以利用SDK輔助開發(fā)外圍第三方應(yīng)用程序[7]。某科研試車臺數(shù)采系統(tǒng)的SDK中提供了ExteralHook接口，該接口包含一套封裝于動態(tài)鏈接庫中的函數(shù)，開發(fā)者可以利用該接口訪問數(shù)采系統(tǒng)的當(dāng)前值表(cur?rentvaluetable，CVT)。為此，本文介紹一種基于該ExteralHook 接口的試車臺在線調(diào)參系統(tǒng)的設(shè)計。該系統(tǒng)將復(fù)雜的邏輯控制寫入調(diào)參軟件，把經(jīng)過軟件處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到試車臺數(shù)采系統(tǒng)，再通過數(shù)采系統(tǒng)的ARINC429 和MOXA 板卡，與EEC、TIE 建立通信連接，從而實現(xiàn)在線調(diào)參功能。

2 在線調(diào)參系統(tǒng)需求分析

2.1 試車臺與發(fā)動機通信需求

由于EEC 和TIE 的通道資源緊張，為盡可能減小其通信負(fù)擔(dān)，需要減少用于在線調(diào)參功能的通道數(shù)量。試驗時調(diào)參參數(shù)可能有幾十個，但一次只需調(diào)整一個，因此在線調(diào)參系統(tǒng)和發(fā)動機使用ID值和調(diào)參值兩個通道。在發(fā)動機中預(yù)先寫入一個ID 值與調(diào)參值的映射關(guān)系表，調(diào)參操作時僅需試車臺發(fā)送ID值和調(diào)參值，隨后與EEC和TIE中的映射表對比，即能識別在線調(diào)參參數(shù)。

同時，根據(jù)ARINC429通信協(xié)議，數(shù)據(jù)包的最大值決定了協(xié)議中maxparameter 屬性的取值，由于調(diào)參值參數(shù)范圍不同，且只有一個發(fā)送調(diào)參值的通道，這就導(dǎo)致需要使用maxparameter為定值的通道去發(fā)送maxparameter數(shù)值不同的調(diào)參值。為解決這個問題，ID值和調(diào)參值通道使用BNR編碼，規(guī)定14位到29位是有效數(shù)據(jù)位，故協(xié)議能發(fā)送的最大浮點數(shù)為215=32 768，將ARINC429 板卡調(diào)參值通道的maxpa?rameter屬性設(shè)定為32 768。系統(tǒng)發(fā)送調(diào)參值前，在線調(diào)參軟件附加一個縮放比例Ratio，Ratio為32 768與maxparameter的比值。如發(fā)送調(diào)參值為100，那么系統(tǒng)實際發(fā)送值為100×32 768÷128=25 600。發(fā)動機接收數(shù)據(jù)后，根據(jù)上述方法進行反算，即可得到有效參數(shù)值。

2.2 在線調(diào)參軟件需求

為使在線調(diào)參系統(tǒng)軟件具有較強的實時性和良好的人機交互界面，同時結(jié)合某型發(fā)動機研制項目的特殊需求，對在線調(diào)參軟件提出以下技術(shù)要求：

(1) 軟件能自動測試Socket接口連接情況；

(2) 軟件使用多線程技術(shù)；

(3) 軟件界面分為在線調(diào)參主界面和燃燒室專業(yè)參數(shù)調(diào)節(jié)界面；

(4) 軟件界面具有快速安全可靠的操作邏輯；

(5) 軟件界面顯示的發(fā)動機反饋值可靠、準(zhǔn)確；

(6) 對于某些調(diào)參參數(shù)，需具有特殊的邏輯功能(如參數(shù)微調(diào)，設(shè)置調(diào)節(jié)臺階，參數(shù)鎖定等)；

(7) 軟件需比對發(fā)送值與反饋值，且考慮通信延遲性的影響；

(8) 燃燒室專業(yè)參數(shù)調(diào)節(jié)時能實現(xiàn)線性插值計算等性能計算功能。

3 在線調(diào)參系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

目前流行的一種異步通信方式為套接字(Sock?et)，兩個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序進行通信，各自通信連接其中的一個端點。通信時，其中的一個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序?qū)⒁獋鬏數(shù)囊欢涡畔懭肫渌谥鳈C的Socket中。該Socket通過網(wǎng)絡(luò)接口卡的傳輸介質(zhì)將這段信息發(fā)送到另一個主機的Socket 中，使這段信息能傳送到其他應(yīng)用程序中[8]。試車臺在線調(diào)參系統(tǒng)中，一個Socket端口為數(shù)采系統(tǒng)主機，負(fù)責(zé)處理ARINC429總線(EEC)和RS422總線(TIE)信號；另一個Socket端口為在線調(diào)參計算機。數(shù)采系統(tǒng)主機從在線調(diào)參計算機接收數(shù)據(jù)，分別通過ARINC429 總線和RS422 總線將數(shù)據(jù)包發(fā)送至EEC 和TIE，同時也接收它們的反饋信號并將其傳回在線調(diào)參計算機。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 在線調(diào)參系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Adjusting-parameter online system structure

4 在線調(diào)參軟件分層結(jié)構(gòu)

基于在線調(diào)參軟件需求分析，軟件采用分層設(shè)計[9]。軟件分為人機交互層和系統(tǒng)交互層兩層，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。人機交互層使用QT Designer進行開發(fā)，具有操作靈活、方便、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、數(shù)據(jù)顯示可靠的人機交互界面，包括試驗時對發(fā)動機的調(diào)參控制、重要參數(shù)顯示。系統(tǒng)交互層負(fù)責(zé)調(diào)參軟件與數(shù)采系統(tǒng)實時通信，處理人機交互層操作事件，進行性能計算等工作。

圖2 在線調(diào)參軟件分層結(jié)構(gòu)Fig.2 Adjusting-parameter online system software hierarchical structure

5 系統(tǒng)交互層的實現(xiàn)

5.1 C++API實現(xiàn)軟件與數(shù)采系統(tǒng)主機的交互

ExternalHook 接口包含了一套動態(tài)鏈接庫，實現(xiàn)方法封裝在EPHL.dll中。在動態(tài)鏈接庫EPHL.dll中，封裝了一系列的結(jié)構(gòu)體和函數(shù)，定義在頭文件EPHL.h中。主要使用的結(jié)構(gòu)體為：

(1) eEPHL_RETURN結(jié)構(gòu)體，用于儲存數(shù)采系統(tǒng)返回的特殊狀態(tài)信息，也是很多API 函數(shù)的返回類型。

eEPHL_RETURN 主要用于軟件獲取在線調(diào)參計算機端口與數(shù)采系統(tǒng)的Socket 連接信息，如果返回EPHL_OK，則連接正常；反之，則根據(jù)返回類型提示錯誤信息。

(2) eEPHL_CONN_TYPE 結(jié)構(gòu)體，用于儲存數(shù)采系統(tǒng)主機端口與軟件端口的連接類型。

結(jié)構(gòu)體儲存通信數(shù)據(jù)，而API 函數(shù)用于軟件對于數(shù)采系統(tǒng)CVT 的訪問。由于通道數(shù)據(jù)都是常用類型，即C++內(nèi)建類型，如浮點型、布爾型、整型等，所以不需要設(shè)計額外的結(jié)構(gòu)體或類來儲存數(shù)據(jù)。

主要使用的API函數(shù)原型如下：

(1) eEPHL_RETURN EPHL_write_channel(char*name,float*value)

寫入數(shù)采系統(tǒng)通道。

(2) eEPHL_RETURN EPHL_read_channel(char*name,float*value)

讀取數(shù)采系統(tǒng)通道。

(3) eEPHL_RETURN EPHL_close(void)

關(guān)閉數(shù)采系統(tǒng)Socket端口。

(4) eEPHL_RETURN EPHL_init(eEPHL_CONN_TYPE conn_type,char*serv_key);

打開數(shù)采系統(tǒng)Socket端口。

5.2 線程與線程間通信

應(yīng)用程序的本質(zhì)是消息循環(huán)，每次循環(huán)應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)都有消息交換[10]。在線調(diào)參軟件打開Socket 端口后，需要持續(xù)不間斷地和數(shù)采系統(tǒng)交換消息，沒有入口處理人機交互層傳遞下來的事件消息。因此設(shè)計了雙線程機制：界面線程和后臺通信線程。界面線程處理調(diào)參主界面的操作事件，燃燒室調(diào)節(jié)界面的操作事件和插值運算；后臺通信線程處理調(diào)參軟件與數(shù)采系統(tǒng)以及軟件界面之間的通信。線程間的通信結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 線程間通信Fig.3 Inter-thread communication

界面線程通信包括：主界面接收來自后臺通信線程的數(shù)采系統(tǒng)數(shù)據(jù)，發(fā)送和接收燃燒室調(diào)參界面的數(shù)據(jù)；燃燒室調(diào)參界面接收來自主界面的數(shù)據(jù)。后臺通信線程包括：訪問數(shù)采系統(tǒng)CVT，傳遞數(shù)采系統(tǒng)數(shù)據(jù)給主界面線程，接收主界面線程的操作事件。

線程間通信通過使用信號與槽機制，后臺通信線程寫入計時器，當(dāng)開啟該線程以后，觸發(fā)計時器，以0.1 s一次的頻率訪問數(shù)采系統(tǒng)CVT，在每個循環(huán)結(jié)束時觸發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送信號，發(fā)送到界面線程的主界面槽中來完成數(shù)據(jù)傳遞；主界面寫入計時器，循環(huán)刷新顯示控件，在每個循環(huán)結(jié)束時觸發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送信號，將數(shù)據(jù)發(fā)送到燃燒室在線調(diào)節(jié)界面相應(yīng)槽中，更新該界面的參數(shù)。

軟件中主要的信號與槽的連接函數(shù)如下：

(1) connect(this,SIGNAL(RunBackProcess()),backprocess,SLOT(m_SlotStartInit()))

連接主界面后臺線程觸發(fā)信號和后臺通信線程槽函數(shù)。

(2) connect(backprocess,&BackProcess::m_Data?Transfer,this,&MainWindow::m_Update)

連接后臺通信線程傳輸信號和主界面刷新槽函數(shù)。

(3) connect(this,&MainWindow::m_toFuelDistri?bution,m_FuelDistribution,&Dialog::m_Update);

連接主界面與燃燒室調(diào)節(jié)界面?zhèn)鬏斝盘柵c調(diào)節(jié)界面刷新槽函數(shù)。

5.3 主要模塊設(shè)計

5.3.1 軟件初始化通信自檢工作流程

軟件初始化流程如圖4 所示。打開軟件時，程序調(diào)用主界面構(gòu)造函數(shù)，構(gòu)造函數(shù)調(diào)用軟件初始化通信自檢函數(shù)，根據(jù)自檢情況判斷軟件當(dāng)前與數(shù)采系統(tǒng)的通信狀態(tài)。當(dāng)且僅當(dāng)API 函數(shù)返回EPHL_OK 時才會通過自檢，反之則顯示未通過自檢。自檢完成后，顯示在線調(diào)參軟件主界面。

圖4 軟件初始化流程Fig.4 Software initialization flow chart

5.3.2 軟件與數(shù)采系統(tǒng)通信工作流程

軟件與數(shù)采系統(tǒng)通信流程如圖5所示。用戶在點擊左上角主界面的“connect”開關(guān)后，軟件開啟后臺線程。后臺線程每個循環(huán)從數(shù)采系統(tǒng)CVT 中提取和寫入數(shù)據(jù)，循環(huán)計時為0.1 s。每個循環(huán)結(jié)束時，后臺線程和主界面線程進行一次通信，此時主界面接收和發(fā)送與數(shù)采系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)。

圖5 軟件與數(shù)采系統(tǒng)通信流程Fig.5 Communication flow chart between software and acquisition system

5.3.3 調(diào)參流程

程序初始化時，設(shè)置調(diào)參ID值缺省值為255，調(diào)參值缺省值為0。255為EEC/TIE接收的無效參數(shù)，發(fā)動機在接收到該參數(shù)時不會觸發(fā)任何動作。調(diào)參工作流程如圖6 所示。調(diào)參操作時，首先打開調(diào)參開關(guān)，在需求調(diào)參的通道輸入調(diào)參值，軟件會自動計算當(dāng)前調(diào)參值對應(yīng)的調(diào)參ID 值。然后點擊“注入”按鈕，軟件進行如下流程：如果調(diào)參開關(guān)此時未打開，則提示用戶打開調(diào)參開關(guān)，并且不改變當(dāng)前調(diào)參ID 值和調(diào)參值；如果調(diào)參開關(guān)打開，但輸入調(diào)參值超過該調(diào)參值量程范圍，則提示用戶確認(rèn)參數(shù)值是否正確，并且不改變當(dāng)前調(diào)參ID 值和調(diào)參值；如果調(diào)參開關(guān)打開，且輸入調(diào)參值滿足調(diào)參量程范圍，則軟件計算當(dāng)前通道調(diào)參ID 值，再根據(jù)ARINC429 協(xié)議計算當(dāng)前調(diào)參值浮點數(shù)到整數(shù)的轉(zhuǎn)換數(shù)值，并按需計算調(diào)參值為負(fù)時的補碼，把計算結(jié)果發(fā)送到后臺線程的調(diào)參ID和調(diào)參值變量，后臺線程再將調(diào)參ID和調(diào)參值變量發(fā)送到發(fā)動機，隨后主界面線程停滯2 s等待接收EEC/TIE反饋ID值和調(diào)參值，最后將反饋ID值和調(diào)參值反算后與系統(tǒng)發(fā)送的ID值和調(diào)參值進行比對。如果比對結(jié)果一致，彈出提示窗口，點擊彈窗的“OK”按鈕后，軟件自動關(guān)閉調(diào)參開關(guān)，完成整個調(diào)參流程；如果比對結(jié)果不一致，彈出提示窗口，點擊“OK”按鈕后，調(diào)參ID值和調(diào)參值變更為缺省值，并且不關(guān)閉調(diào)參開關(guān)，等待下一輪輸入。

圖6 調(diào)參工作流程Fig.6 Adjusting-parameter working flow chart

5.3.4 增減量調(diào)節(jié)按鈕流程

增減量調(diào)節(jié)按鈕分別用于調(diào)節(jié)可調(diào)靜止葉片角度鎖定值和主燃級M%燃油分配比例。增減量調(diào)節(jié)按鈕流程見圖7。除增量臺階設(shè)置外，主燃級M%燃油分配比例調(diào)參還具有調(diào)節(jié)最大值設(shè)置功能。調(diào)節(jié)時，程序讀取當(dāng)前臺階設(shè)置和調(diào)節(jié)最大值，如果符合調(diào)節(jié)條件，則更改調(diào)節(jié)值并填入?yún)?shù)值調(diào)節(jié)框；如果不符合條件，則彈出警告窗且維持原調(diào)節(jié)值不變。

圖7 增減量調(diào)節(jié)按鈕流程Fig.7 Increase/decrease adjusting button flow chart

6 燃燒室參數(shù)調(diào)節(jié)應(yīng)用實例

燃燒室相關(guān)的性能參數(shù)調(diào)節(jié)為在線調(diào)參較為重要的調(diào)節(jié)流程，通過燃燒室的參數(shù)調(diào)節(jié)能完成主燃級打開等關(guān)鍵單項試驗科目。

燃燒室在線調(diào)節(jié)界面數(shù)據(jù)顯示主要分為三部分：目標(biāo)P2%計算值顯示，重要參數(shù)顯示和開關(guān)量顯示。目標(biāo)P2%顯示的輸入為目標(biāo)M%值，用戶輸入M%，點擊“Apply”按鈕，從主界面線程提取當(dāng)前EEC 的燃油流量，使用M%和燃油流量計算出目標(biāo)P2%，并自動填充到P2%比例調(diào)節(jié)的調(diào)參值框。同時，該界面在主窗口調(diào)用構(gòu)造函數(shù)時實例化，后臺線程啟動后循環(huán)向燃燒室在線調(diào)節(jié)界面對象中的變量發(fā)送數(shù)據(jù)，燃燒室界面顯示對象中的重要參數(shù)。燃油分配在線可調(diào)標(biāo)志和主燃級可調(diào)標(biāo)志開關(guān)指示燈初始化為0，每次點擊按鈕時，均會改變指示燈開關(guān)量狀態(tài)。

調(diào)參值中的P2%比例通過主燃級M%比例自動插值得到，插值流程如圖8 所示。點擊界面上的“Apply”按鈕時，程序讀取當(dāng)前輸入M%值和機載傳感器燃油流量，計算P1M，經(jīng)過線性插值計算P2M，再使用燃油流量和P2M計算出P2%比例，然后自動填入調(diào)參框中。

圖8 主燃級M%到P2%插值流程Fig.8 Primary fuel M%level to P2%level interpolation flow chart

7 人機交互界面設(shè)計

為實現(xiàn)友好、簡潔的人機交互界面，使用QT Designer作為人機交互界面開發(fā)工具。根據(jù)某型發(fā)動機具體要求，設(shè)計了如圖9、圖10所示界面。

圖9 是在線調(diào)參主界面，包括EEC 調(diào)參界面和TIE調(diào)參界面。界面菜單欄的“connect”按鈕實現(xiàn)在線調(diào)參系統(tǒng)與發(fā)動機的通信連接(開啟后臺通信線程)，左上角的“調(diào)參開關(guān)”實現(xiàn)在打開此開關(guān)時發(fā)動機才能觸發(fā)調(diào)參動作，并配有反饋指示燈。EEC 調(diào)參界面中，每個調(diào)參值有參數(shù)輸入框、“注入”按鈕、EEC 反饋A/B 通道值，其中VSV 角度鎖定調(diào)參值還有+-微調(diào)按鈕以及微調(diào)按鈕臺階設(shè)置。TIE 界面中，每個調(diào)參值有參數(shù)輸入框、“注入”按鈕、TIE 反饋值。界面右邊的“燃油分配調(diào)節(jié)”按鈕，用于打開圖10所示的燃燒室燃油分配在線調(diào)節(jié)界面。

圖9 在線調(diào)參系統(tǒng)主界面Fig.9 Main interface of parameter-adjusting online system

圖10 燃燒室調(diào)節(jié)界面Fig.10 Combustor adjusting interface

圖10 左邊顯示了一些調(diào)節(jié)過程中需要關(guān)注的重要參數(shù)，其中左上方的兩個按鈕用于打開燃燒室調(diào)節(jié)參數(shù)的鎖定狀態(tài)。右邊為一些操作控件，可以實現(xiàn)設(shè)置調(diào)節(jié)最大值、調(diào)節(jié)臺階、微調(diào)、發(fā)送調(diào)參值等動作。

8 結(jié)束語

利用ExternalHook編寫的在線調(diào)參程序配合試車臺數(shù)采系統(tǒng)現(xiàn)有環(huán)境，極大地提高了航空發(fā)動機試車中在線調(diào)參的實用性。同時，友好的人機交互界面和交互層邏輯，增加了在線調(diào)參操作過程中的容錯能力；對調(diào)參操作進行了簡化，提高了航空發(fā)動機試車的效率。經(jīng)過某型核心機與整機長時間的試車準(zhǔn)備階段驗證，此系統(tǒng)可靠、安全、穩(wěn)定，對于航空發(fā)動機試車在線調(diào)參科目的實現(xiàn)有一定的參考意義。