飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫,、高壓、高轉(zhuǎn)速和高負(fù)荷等極為苛刻的條件下工作，為了保證飛機(jī)的飛行安全和作戰(zhàn),、訓(xùn)練任務(wù)的完成,，必須保證發(fā)動(dòng)機(jī)及其系統(tǒng)的工作可靠性，所以在飛行出動(dòng)前,、日常維護(hù),、定檢等工作中必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的各狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。這種檢測(cè)具有測(cè)量參量多,、量程范圍廣,、系統(tǒng)復(fù)雜、通道眾多,、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣等特點(diǎn)[1-2],。目前檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的設(shè)備，一般體積,、重量大,，集成度低，導(dǎo)致機(jī)動(dòng)性和靈活性較差,，不能很好地滿足現(xiàn)代作戰(zhàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試的要求,，且給地勤人員增加了飛機(jī)的維護(hù)保障難度，影響了飛機(jī)的保障效率,。因此,，研制一套功能齊全、智能化,、集成度高,，使用、攜帶方便的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)原位監(jiān)測(cè)設(shè)備尤為迫切,。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1.1 檢測(cè)參數(shù)
    測(cè)試參數(shù)種類包括溫度,、壓力和轉(zhuǎn)速。其中,，溫度包括大氣溫度,、各截面總溫、燃?xì)鉁囟鹊?；壓力包括發(fā)動(dòng)機(jī)副油道壓力,、空氣壓力等；轉(zhuǎn)速包括高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速[3],。
1.2 總體方案
    發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備總體構(gòu)成如圖1所示,，由適配器、信號(hào)采集處理模塊,、嵌入式測(cè)試平臺(tái)組成,。圖中,，機(jī)載傳感器測(cè)量被測(cè)對(duì)象發(fā)動(dòng)機(jī)的各種物理量(溫度、壓力,、轉(zhuǎn)速等),，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。適配器將輸入的電信號(hào)通過處理轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)送給嵌入式測(cè)試平臺(tái),，測(cè)試平臺(tái)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算和處理后,、通過液晶屏顯示最終的測(cè)試結(jié)果，并實(shí)時(shí)保存測(cè)試數(shù)據(jù),，為地勤人員進(jìn)一步對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行故障分析與診斷。

2 硬件設(shè)計(jì)
2.1嵌入式平臺(tái)開發(fā)
    嵌入式平臺(tái)是系統(tǒng)的智能指揮中心,，根據(jù)檢測(cè)設(shè)備總體設(shè)計(jì)要求,，所設(shè)計(jì)的嵌入式平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由最小系統(tǒng)和各種外圍擴(kuò)展電路接口組成,。嵌入式平臺(tái)采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，頂層為最小核心系統(tǒng)層，底層為外圍擴(kuò)展模塊層,。

    最小系統(tǒng)層由處理器(S3C2410),、64 MB Nand Flash、兩片64 MB SDRAM,、網(wǎng)口芯片CS8900,、Multi-ICE調(diào)試接口和復(fù)位模塊組成。底層由LCD模塊,、SD卡模塊和電源模塊等組成,。
    最小系統(tǒng)由嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Windows CE進(jìn)行系統(tǒng)管理和運(yùn)行應(yīng)用程序，采用Flash存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)操作系統(tǒng)代碼,。由于Flash的讀寫速度相對(duì)較慢,，因此不直接用Flash運(yùn)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序,而是選擇兩片64 MB SDRAM作為閃存。系統(tǒng)加電時(shí),，地址指針首先指到Flash的第一個(gè)地址,，執(zhí)行Boot Loader進(jìn)行系統(tǒng)初始化，將操作系統(tǒng)本身拷貝解壓到SDRAM中,，讓整個(gè)操作系統(tǒng)在SDRAM里執(zhí)行,，使系統(tǒng)達(dá)到最佳的速度。SD卡保存每次測(cè)試的結(jié)果,建立數(shù)據(jù)庫,，提供大容量的存儲(chǔ)空間[4],。LCD接口為嵌入式處理器提供自由、強(qiáng)大的用戶輸入輸出接口,。為滿足狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷系統(tǒng)軟件開發(fā)的需要,，設(shè)計(jì)了必要的擴(kuò)展按鈕、工作狀態(tài)指示燈和4×1鍵盤接口等。電源管理模塊提供5 V,、3.3 V和1.8 V三種電源,。時(shí)鐘模塊由12 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘和32.768 kHz的實(shí)時(shí)時(shí)鐘組成。Multi-ICE接口用于S3C2410的在線調(diào)試,。
2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)采集處理模塊設(shè)計(jì)
    該模塊完成傳感器輸出信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)處理工作,，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。嵌入式平臺(tái)通過數(shù)據(jù)總線讀取該模塊的數(shù)據(jù),，計(jì)算出實(shí)時(shí)的測(cè)量值,，同時(shí)利用軟件繪制出發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)參數(shù)的試車曲線,記錄并保存測(cè)試數(shù)據(jù)。

2.2.1 FPGA設(shè)計(jì)與配置
    現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)器件選用基于SRAM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的FPGA芯片XC2S100E[5],。設(shè)計(jì)過程中將XC2S100E工作于主動(dòng)串行模式,。FPGA的程序存放在外部PROM XC18V01中，這些程序可以通過加電自動(dòng)加載到FPGA中或通過命令加載,。在主動(dòng)串行模式下,，系統(tǒng)加電時(shí)產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)XC18V01的時(shí)鐘信號(hào)，通過這個(gè)時(shí)鐘脈沖,，XC18V01中的數(shù)據(jù)通過XC2S100E送到FPGA,。FPGA與配置芯片的連接關(guān)系如圖4所示。

2.2.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)
    采用嵌入式單片機(jī)和FPGA相結(jié)合對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),，通過對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集,、運(yùn)算和分析實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。某型發(fā)動(dòng)機(jī)四路轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)機(jī)載傳感器轉(zhuǎn)化為四路頻率信號(hào),，該頻率信號(hào)經(jīng)74LV04反向驅(qū)動(dòng)后,，送入FPGA的I/O口采集計(jì)數(shù)，然后嵌入式單片機(jī)通過數(shù)據(jù)總線讀取FPGA的計(jì)數(shù)值,，并通過軟件計(jì)算出最終的轉(zhuǎn)速值,。所設(shè)計(jì)的電路如圖4所示。圖中,，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)時(shí)間門限的開通,、關(guān)閉及計(jì)數(shù)，然后將計(jì)數(shù)值送入嵌入式軟件平臺(tái),，實(shí)時(shí)計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速值,。20 MHz晶振時(shí)鐘電路為FPGA提供外部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)。LED1～LED4為狀態(tài)指示燈,。根據(jù)指標(biāo)要求,，頻率的分辨率等于1 Hz，因此程序中把對(duì)頻率的計(jì)數(shù)門限時(shí)間設(shè)為1 s,，門限時(shí)間的設(shè)置以外部的參考晶振為基準(zhǔn),，通過計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn),。
2.2.3 溫度與壓力測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)
    溫度傳感器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)專用適配器將其轉(zhuǎn)化為0~＋5 V的模擬量,。16路模擬信號(hào)經(jīng)多路開關(guān)后送入調(diào)整電路,，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，最后利用FPGA采集處理后通過數(shù)據(jù)總線來讀取FPGA運(yùn)算值,，并通過軟件做較簡(jiǎn)單的計(jì)算得出最終的測(cè)量結(jié)果,，測(cè)量的結(jié)果可以保存在SD卡存儲(chǔ)器中。
    測(cè)量電路組成如圖5所示,。由通道選擇電路,、信號(hào)調(diào)整電路和A/D轉(zhuǎn)換電路三部分組成。A/D轉(zhuǎn)換后將采集到的數(shù)據(jù)量輸入到FPGA里,。
    (1)通道選擇電路：采用1片16路多路開關(guān)MAX396完成對(duì)多路模擬信號(hào)的輸入選擇,其地址位A0A1A2A3決定輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)的輸出通道號(hào),，EN使能端控制是否處于工作狀態(tài)。A0A1A2A3和EN均可通過FPGA編程來實(shí)現(xiàn),；(2)信號(hào)調(diào)整電路：以美國ADI公司的運(yùn)算放大器AD8605為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)；(3)A/D轉(zhuǎn)換電路:選用4通道,、12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件MAX1282, 采樣頻率為400 kHz,。
    為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度，設(shè)計(jì)中采用數(shù)字濾波方法,，將輸入信號(hào)經(jīng)過低通濾波器處理,，可有效地消除輸入信號(hào)中的高頻噪聲信號(hào)[6]。
3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括Windows CE的移植,、驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[7],。
3.1 Windows CE系統(tǒng)移植
    Windows CE操作系統(tǒng)從體系結(jié)構(gòu)上具有分層結(jié)構(gòu)和微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可以被裁減和重新配置,，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性,。使用該系統(tǒng)提供的集成開發(fā)環(huán)境PB(Platform Builder),開發(fā)人員可根據(jù)它的提示完成操作系統(tǒng)鏡像的定制、編譯與調(diào)試工作,，并可在此環(huán)境中進(jìn)行應(yīng)用軟件和驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā),。
　平臺(tái)定制過程如下[8]： (1)選擇操作系統(tǒng)的基本配置，并且為特定的平臺(tái)選擇相應(yīng)的微處理器和平臺(tái)支持包BSP,。本平臺(tái)選用三星公司的ARM9 S3C2410作為核心處理器,在PB的BSP列表中,選擇SAMSUNG SMDK2410:ARMV4I作為開發(fā)板支持包,。(2)制定平臺(tái)。首先完成開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng),，適當(dāng)?shù)夭脺p,、添加組件，對(duì)某些配置文件進(jìn)行修改,；然后封裝所需要的功能模塊,，編譯生成OS鏡像文件,。設(shè)計(jì)中，設(shè)備要為自己定制目標(biāo)設(shè)備,，則需開發(fā)Boot Loader和驅(qū)動(dòng)程序,；最后把鏡像文件下載到目標(biāo)設(shè)備，進(jìn)行調(diào)試,，直到滿足要求后,，才完成平臺(tái)的創(chuàng)建。完成以上工作后,導(dǎo)出相應(yīng)的SDK(Software Development Kit)軟件開發(fā)工具包,，運(yùn)行后加到EVC中,，可在特定的硬件平臺(tái)上進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)。SDK包含程序庫,、頭文件,、示例程序源代碼和庫函數(shù)使用文檔，同時(shí)還包括編程指導(dǎo)和API參與設(shè)備驅(qū)動(dòng)工具包(DDK),。(3)通過JTAG仿真器將Windows CE映象文件下載到Flash存儲(chǔ)器中,，然后脫機(jī)，按下測(cè)試系統(tǒng)的電源鍵,，屏幕上將會(huì)顯示W(wǎng)indows CE開啟畫面,，說明Windows CE已經(jīng)成功運(yùn)行。
    以后若要添加Windows CE下運(yùn)行的應(yīng)用軟件,，則可以通過PC安裝的微軟ActiveSync同步軟件下載到Flash中,，但前提是必須確保嵌入式設(shè)備中也已經(jīng)集成了ActiveSync同步軟件。
    本系統(tǒng)采用一般Boot Loader源碼的實(shí)現(xiàn)思想,，根據(jù)實(shí)際硬件平臺(tái)將Boot Loader代碼分為NBoot(Nand Flash Boot Loader)和EBoot(Ethernet Boot Loader)兩部分實(shí)現(xiàn),。
    NBoot啟動(dòng)代碼是最先執(zhí)行的部分，主要為后面啟動(dòng)Windows CE內(nèi)核鏡像和下載Windows CE內(nèi)核鏡像準(zhǔn)備基本的硬件環(huán)境,。
    EBoot負(fù)責(zé)各個(gè)設(shè)備的初始化,、內(nèi)存地址映射、文件系統(tǒng),、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)和加載內(nèi)核鏡像的相關(guān)準(zhǔn)備工作,。EBoot通過串行口為用戶提供控制臺(tái)接口,從以太網(wǎng)下載Windows CE的鏡像文件到RAM中,然后再燒寫到Flash中。
3.2 驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)
    驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒉僮飨到y(tǒng)和設(shè)備連接起來,，使操作系統(tǒng)能夠識(shí)別設(shè)備并為應(yīng)用程序提供設(shè)備服務(wù),。Windows CE提供的驅(qū)動(dòng)軟件可驅(qū)動(dòng)內(nèi)部和外圍的硬件設(shè)備，或者為它們提供接口,。本設(shè)計(jì)主要開發(fā)了SD卡驅(qū)動(dòng)程序,，而其他驅(qū)動(dòng)程序都可在BSP模板里找到，不需要開發(fā),。
    SD卡驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)包括插卡的自動(dòng)檢測(cè):SD初始化和卡的讀寫操作,。本設(shè)計(jì)采用PB來開發(fā)SD卡流接口驅(qū)動(dòng)程序,。首先在PB中創(chuàng)建SD驅(qū)動(dòng)程序工程，然后在該工程中搭建一個(gè)簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)鏈接庫,，最后將流接口驅(qū)動(dòng)程序入口函數(shù)添加到動(dòng)態(tài)鏈接庫,，同時(shí)編寫該驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)表部分即可。
3.3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
    應(yīng)用程序用于監(jiān)測(cè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車工作狀態(tài)并輔助機(jī)務(wù)人員維修排故,。它可以實(shí)時(shí)地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程中溫度,、壓力、轉(zhuǎn)速等多路模擬量和頻率量,，以及多路開關(guān)量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,、處理、存儲(chǔ),、報(bào)警,，并對(duì)主要試車性能參數(shù)進(jìn)行分析，指導(dǎo)機(jī)務(wù)人員的維修排故,。程序功能如圖6所示,。

    信號(hào)設(shè)置與標(biāo)定模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)所要采集的發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)相關(guān)信息的設(shè)置，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定以修正測(cè)量通道的誤差,。發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集處理與顯示模塊：完成發(fā)動(dòng)機(jī)各路信號(hào)的實(shí)時(shí)采集,，并對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的處理和運(yùn)算，同時(shí)實(shí)時(shí)地繪制出信號(hào)的時(shí)間曲線以便于觀測(cè)信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化,，從而監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)在不同時(shí)刻的工作狀態(tài),。維修信息的上傳與填寫模塊：實(shí)現(xiàn)試車過程中相關(guān)維修信息的數(shù)字化填寫,，并上傳到發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫,。
    采用“嵌入式平臺(tái)＋發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)采集模塊”的設(shè)計(jì)思路，綜合運(yùn)用嵌入式技術(shù),、數(shù)據(jù)采集與數(shù)字濾波技術(shù),、FPGA技術(shù)和操作系統(tǒng)移植技術(shù)完成了發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)原位檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)，以某型飛機(jī)為應(yīng)用對(duì)象,，經(jīng)過長時(shí)間使用表明,，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅功能齊全，工作可靠穩(wěn)定,，智能化,、集成度高，使用,、攜帶方便,，而且降低了地勤人員的維護(hù)保障難度，提高了飛機(jī)的保障效率,。通過發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)采集模塊中信號(hào)適配器的調(diào)整和測(cè)試資源的修正可以滿足其他各型飛機(jī)的檢測(cè)需求,，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景,。
參考文獻(xiàn)
[1] 盧建華.飛機(jī)電源與電氣控制[M].北京：海潮出版社,2008.
[2] 吳曉男，徐慶九,，曲東才,等.飛機(jī)儀表[M]. 煙臺(tái):海軍航空工程學(xué)院出版社,，2005:106-132.
[3] 熊純.虛擬儀器技術(shù)及在航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中的應(yīng)用[J].長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2004,4(2):31-33.
[4] 陳衛(wèi)東.嵌入式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與交換[D].北京:北京郵電大學(xué),2005.
[5] 徐志軍，徐光暉.CPLD/FPGA的開發(fā)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,，2002.
[6] 王金明,張雄偉.FIR濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與硬件實(shí)現(xiàn)[J]. 電視技術(shù),2003(3):19-21.
[7] 齊云.基于Windows CE的嵌入式軍用PDA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 西安:西安電子科技大學(xué),2006.
[8] 慕春棣.嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建[M].北京:清華大學(xué)出版社,，2004.