基于ARM 的航空发动机参数记录仪的设计与实现

高洪涛 柳楠 邓林 周浩锐 费越/ 成都航利（集团）实业有限公司 中国人民解放军650 部队

0 引言

飞机飞行过程中，参数记录仪主要完成对发动机运行数据的采集以及存储工作。以磁带为存储介质的参数记录系统，由于采集速度低、不支持数据以文件形式进行存储等原因，已不能满足航空发动机对机载参数记录仪的应用需求。因此，设计制作一款新型航空发动机机载参数记录仪具有重要意义。

本文设计的某型航空发动机机载参数记录仪硬件系统总体方案，按照模块化设计方法，将硬件系统分为数字调节器信号采集模块、信号存储模块和USB数据卸载接口模块。参数记录仪的信号采集模块针对调节器电源的特性设计了相应的信号调理电路，通过对被采样模拟信号的分压降压，使之满足模拟信号采集要求，通过配置RS232 数据总线，满足了数字信号采集要求，STM32 根据预先设置的程序指令按一定顺序和频率采集模拟信号和数字信号；信号存储模块以TF 卡为存储体，STM32 将采集的信号按照数据存储格式形成数据包，发往数据缓冲区，待缓冲区数据达到预定量，按标准路径以文件形式写入TF 卡；USB 数据卸载接口模块通过USB 线直接将系统与PC 机连接，用于航空发动机试车结束后卸载数据。

1 系统组成原理

图1 系统组成图

本文设计的参数记录仪系统基于“模块化”设计思想进行，以控制器模块为控制核心，控制其他模块协同完成对数字调节器参数数据的请求、接收、存储和上传任务。参数记录仪主要由主控制器模块、电源模块、备用电源模块、JTAG 程序下载/调试模块、ADC 信号调理模块、RS232 信号调理模块、TF卡存储模块、USB 模块、指示灯模块组成，如图1 所示。

2 硬件设计

参数记录仪选用ST（意法半导体）公司的STM32F103 系列主控处理芯片来实现参数的读取和存储，该类芯片采用Cortex-M3 内核、ARM V7 架构，具有更强劲的性能、更高的代码密度、可嵌套中断、低成本和低功耗等优点。MCU（微控制器）将接收到的参数数据、自身采集的数字调节器内部电源电压数据以及MCU 内部参考时间数据汇总、封装后，通过SPI 数据总线存储到存储介质TF 卡中，TF 卡在停机后可取出，由上位机进行识别和分析。

2.1 系统电源电路

电源转换电路的主要功能是将+27V 直流输入电压转换为+5V 输出，再将+5V 电源转换为+3.3V 输出，供处理器部分使用。

电源转换电路输出+5V 电源时，输出电压为（+5±0.1）V，最大输出电流为1A；输出+3.3V 电源时，输出电压为（+3.3±0.1）V，最大输出电流为1A。同时，电源转换电路的输出应具有过压、过流、输出开路、短路保护。电源转换电路主要由DC/DC 转换电路、输出保护电路、输入保护电路、浪涌保护电路、滤波电路等子电路组成，电源转换电路原理框图如图2 所示。

2.2 信号调理模块

信号调理电路的主要作用是将数字调节器的+27V 直流数字电源电压降压至+3.3V 以内，以供主控制器STM32的ADC 转换通道进行采样。信号调理电路在本设计中的设计原理图如图3 所示。

如图3 所示，为避免因直接用主控制器ADC 转换通道对+27V 数字调节器电源进行采样而造成主控制器引脚由于输入电压过高以至损坏，设计了数字调节器的+27V直流数字电源监测电路，其作用是先将数字调节器电源电压进行转换，降至+3.3V 以内，然后将转换后的电压输往主控制器的ADC 转换通道进行采样。B7 和B8 嵌位二极管的设计方式可将电压严格限制在3.3V 以内。

2.3 USB 接口模块

参数记录仪选用USB 作为参数记录仪与PC 机的通信方式。参数记录仪通过USB，可将TF 卡中记录的数字调节器参数数据上传至PC 机。在连接USB 时，参数记录仪可通过USB 进行供电，这样整个参数采集仪可仿真成U盘使用。本设计的USB 接口电路应用原理图如图4 所示。

2.4 TF 卡存储模块

图2 电源转换电路原理

参数记录仪选用TF 卡作为参数记录仪的外部存储介质。TF 卡是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，大小如一张邮票的TF 卡的重量只有2g，却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性等特点，可满足本项目参数记录仪的设计要求。TF 卡是迷你版的SD 卡，与SD 卡一样只能使用+3.3V 的I/O 端口电平，所以主控制器一定要能够支持+3.3V 的I/O 端口输出。本设计的主控制器芯片STM32F103RCT6 采用的是+3.3V 电源，故其I/O 端口具备+3.3V的I/O 端口输出条件。可用主控制器的I/O 端口直接读写TF 卡。TF 卡一般支持两种操作模式——TF 卡模式及SPI 模式，本项目采用SPI 模式来读/写TF 卡。TF 卡要进入SPI 模式，就是在TF 卡收到复位命令（CMD0）时，若CS 为有效电平（低电平），则SPI 模式被启用。TF 卡存储接口电路应用原理图如图5所示。

2.5 壳体设计

机箱由上盖板和框体组成。机箱的外形尺寸为（120±0.1）mm（长）×（80±0.1）mm（宽）×（40±0.1）mm （高），机箱内安装1 个模块，包含MB 连接电路、电源转换电路和CPU 处理电路，MB 连接电路和其他两个功能电路间通过柔板连接。机箱的接插件全部安装在框体上，安装方式为后安装，以便整机的维修。机箱通过四个螺钉固定在飞机上。机箱的外表面喷涂三防漆，以提高机箱三防能力。机箱上安装三个航插，分别用作程序调试、USB 数据卸载和RS232 通信使用。机箱结构形式如图6、图7 所示。

图3 +27V电源监测电路设计原理图

图4 USB接口应用原理图

图5 TF卡存储接口电路应用原理图

3 软件设计

以航空发动机数字调节器数据通信协议为研究对象，通过硬件通信线向数字调节器发送请求，获得数字调节器应答后将数字调节器发出的实时数据帧信息全部记录在存储介质中。

机载参数记录仪嵌入式软件实现的功能有通信协议指令发送、RS232 串口数据采集、数据存储和USB 主机通信四个部分。RS232 串口数据采集将航空发动机数字调节器发送的数据传送到TF 卡数据存储单元；数据存储模块将在TF 卡上构建FAT32 文件系统，将接收到的RS232 串口数据包按照FAT32 文件格式保存到TF 卡中；USB 主机通信模块主要完成USB 主机协议栈的构建、USB 类驱动构建，在试车或飞行结束后可直接通过大容量存储设备卸载文件。具体实现过程如 下。

1）系统上电复位完成以下初始化过程：串口初始化、FAT32 文件系统初始化、USB 主机系统初始化，以及各类外围器件的初始化和系统参数设定，系统完成各类初始化程序后默认进入数据接收状态。

2）RS232 串口可以及时、有效地接收数字调节器的数据，采用FAT32 文件系统管理接收到的数据，并且按照TXT 格式保存文件。

3）TF 卡驱动程序。

4）USB 主机功能，能够按文件方式对U 盘直接读写。

3.1 模块化程序设计

由于涉及STM32 微处理器的较多外设，为方便后期程序的维护或功能裁剪，按照“功能归类、分类设计”的原则，将系统分为以下模块。

图6 机箱外形

1）LED 模块；

2）定时器模块；

3）系统时钟配置模块：用于配置系统的总线时钟、ADC时钟等所有时钟；

4）中断优先级配置模块，用于配置系统的中断分组：2 位抢占式优先级，2 位响应式优先级；

5）串口通信模块：用于向上位机发送数据信息；

6）A/D 模块：用于将检测电压转换成数字信号；

7）指令集模块：用于与航空发动机数字调节器建立通信及请求数据；

8）TF 模块：对捕获信息进行整理及写入。

3.2 模块化程序实现

按照上述功能模块规划，将每个模块的程序尽可能独立，每个模块对应一个源程序文件（.c）和一个头文件（.h）。尽量不使用全局变量，以减少模块之间的关联，便于日后维护修改或功能裁剪。如果确实要用全局变量，只在main.c 主程序文件中定义，在各相关模块中通过extern 加以声明并引用。

每个功能化模块对应一个子文件夹，这些文件夹在主程序文件所在的文件夹下。为此，必须在KEIL 的包含路径选型（Include Paths）中正确设置所有功能模块的子文件夹，以确保编译器能正确找到这些文件。具体实现形式表征如下：

图7 机箱结构

1）ADC 模块对应的源程序；

2）DELAY 模块对应的源程序；

3）LED 模块对应的源程序；

4）TIMER 模块对应的源程序；

5）USART 模块对应的源程序；

6）主函数模块对应的源程序；

7）ADC 模块对应的源程序；

8）主程序控制逻辑源程序；

9）FATS 文件系统源程序；

10）TF 卡模块源程序；

11）主程序控制逻辑源程序。

4 试验验证与分析

参数记录仪实现了发动机78 个参数数据的采集、存储、上载和数据显示功能，采样频率最高可达10Hz，可以连续记录100 小时的参数数据。

PC 机通过USB 接口实时读取参数记录仪TF 卡内部存储数据，通过串口调试软件接收数据，以验证存储数据的正确性，接收区每次接收110 字节数据。实时查看串口调试软件，以其中一帧数据包为例：6D 22 00 C4 F1 04 08 00 00 00 00 00 0F 3D FF 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 04 8B 9A 00 00 FA 12 00 00 C9 C8 00 00 08 CD 00 03 0D 40 00 00 00 00 00 00 03 E8 00 00 00 1A 00 00 00 00 00 00 06 17 00 00 06 7C 00 01 7D 24 00 00 00 00 00 03 F7 A0 00 03 F7 A0 00 04 8A 64 00 00 65 F9 00 00 00 23 00 00 05 48 00 00 6A 1E 3B 6F BC 00 AE 06 32，捕获模拟信号及离散信号的解析表如表1 所示。

综上，参数记录仪实现了对数字调节器的数据请求，并正确无误地对数字调节器回执的数据进行了存储。

5 结论

设计的参数记录仪实时从数字调节器通信端口读取参数数据，其记录信息的方式比现有的其他记录方式更加完整。直接读取不经转换的发动机传感器参数数据，可避免因转换环节过多而导致参数信息丢失情况，全记录的数据更加准确。因此，该参数记录仪具有完整、准确、全面等方面的先进性，有助于航空发动机的健康状态监控和故障分析。航空发动机数字调节器参数记录仪的研制具有广阔的推广应用前景。

表1 信号解析表