飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)火警電路設(shè)計(jì)及虛警率計(jì)算

肖鵬，呼明亮，于方春，趙君，閆穩(wěn)

（航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西西安，710119）

1 概述

發(fā)動(dòng)機(jī)在工作中因機(jī)件嚴(yán)重磨損、燃油泄漏、電氣著火等可能出現(xiàn)火警，若不加以控制，不僅會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞發(fā)動(dòng)機(jī)，還直接危及飛行安全。因此現(xiàn)代飛機(jī)均設(shè)置了發(fā)動(dòng)機(jī)的火警探測(cè)系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生火情時(shí)[1]，及時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)出火警信號(hào)，并可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施滅火。本文設(shè)計(jì)了基于氣動(dòng)式火警探測(cè)傳感器的火警信號(hào)探測(cè)電路[2～3]，并針對(duì)虛警誤報(bào)分析電路引起虛警的故障模式，計(jì)算電路的虛警率。

2 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)火警探測(cè)電路設(shè)計(jì)

2.1 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)火警探測(cè)電路的設(shè)計(jì)原理

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)火警電路系統(tǒng)原理如圖1 所示，通過(guò)火警信號(hào)探測(cè)電路采集安裝在風(fēng)扇機(jī)匣、燃燒室機(jī)匣和發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙的火警探測(cè)傳感器輸入信號(hào)，將調(diào)理后的電信號(hào)發(fā)送給FPGA 進(jìn)行火警邏輯判斷，F(xiàn)PGA 通過(guò)局部總線將火警信息發(fā)送給CPU，CPU 收到后通過(guò)高速數(shù)據(jù)總線上報(bào)給處理機(jī)或者顯示系統(tǒng)。

圖1 火警電路系統(tǒng)組成

火警信號(hào)探測(cè)電路是采集飛機(jī)氣動(dòng)式火警探測(cè)傳感器的輸入電路的電阻來(lái)判斷傳感器安裝區(qū)域的火警狀態(tài)，電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)火警信號(hào)探測(cè)電路

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)火警探測(cè)電路由三部分組成：

(1)惠斯通電阻橋電路

選擇電阻R2 與R3 阻值相同，使得R3 對(duì)地的電壓為5V，選擇適當(dāng)?shù)腞1，根據(jù)火警傳感器的輸出，使火警時(shí)伙計(jì)探測(cè)傳感器的分壓小于1V，正常時(shí)大于9V。

(2)儀表運(yùn)算放大器

儀表運(yùn)算放大器將惠斯通電阻橋電路中R3 對(duì)地電路和火警傳感器對(duì)地電壓兩端電壓差分采集，發(fā)動(dòng)機(jī)火警傳感器正常時(shí)，儀表運(yùn)算放大器輸出電壓大于4V；發(fā)動(dòng)機(jī)火警傳感器檢測(cè)到火情時(shí)，儀表運(yùn)算放大器輸出電壓小于-4V。

(3)遲滯比較電路

兩路遲滯比較電路，通過(guò)配置遲滯環(huán)電阻配置合理的遲滯門限值。比較器的供電時(shí)±15V 雙端供電，則比較器的輸出狀態(tài)有兩種：開(kāi)路，-14.7V。為了將比較器的輸出直接給FPGA 采集，將開(kāi)路上拉到3.3V，通過(guò)二極管輸出限制到DGND，防止負(fù)電壓對(duì)后端FPGA 造成損壞。

2.2 電路仿真

使用Multisim12.0 電路仿真工具，搭建發(fā)動(dòng)機(jī)火警探測(cè)電路仿真模型，如圖3 所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)火警探測(cè)電路仿真模型

已知火警傳感器的特性為火警時(shí)阻值不大于100Ω（±25Ω）（不含電纜阻值），正常時(shí)阻值不小于100kΩ（±25kΩ）。在惠斯通電阻橋中選取R1=10kΩ,則發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)火情時(shí)運(yùn)算放大器輸出電壓大于4.1V，當(dāng)有火情時(shí)運(yùn)算放大器的輸出小于-4.97V。為保證能準(zhǔn)確上報(bào)火警，配置遲滯環(huán)電阻時(shí)優(yōu)先保證上報(bào)火警門限。配置第一路遲滯比較器的高門限值為4.2V，配置第二路遲滯比較器的門限值為-4.97V。

第一路仿真結(jié)果如圖4 所示，仿真結(jié)果顯示比較器的高門限值為4.227V，低門限值為-3.933V。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)火警探測(cè)電路仿真圖1

第二路仿真結(jié)果如圖5 所示，仿真結(jié)果顯示比較器高門限值為4.131V，低門限值為-4.985V。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)火警探測(cè)電路仿真圖2

兩路遲滯比較電路FPGA 端輸入仿真結(jié)果分別為圖6、圖7 所示。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)火警探測(cè)電路仿真圖3

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)火警探測(cè)電路仿真圖4

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)火警判斷邏輯

FPGA 采集兩路遲滯比較器的輸出進(jìn)行邏輯判斷，將判斷結(jié)果上報(bào)給上位機(jī)處理。發(fā)動(dòng)機(jī)火警FPGA 邏輯斷真值表如表1 所示。

表1 火警上報(bào)判斷邏輯

2.4 雙余度火警電路

雙余度火警電路系統(tǒng)組成如圖8 所示。

圖8 雙余度火警電路系統(tǒng)示意框圖

通道1 和通道2 火警傳感器靠近布局，A 電路或者A'電路采集到火警信號(hào)時(shí)，B 和B'均會(huì)采集到火警信號(hào)，因此1 通道或者2 通道任意通道正常均可正常上報(bào)火警。

2.4.1 無(wú)法正常上報(bào)火警的情況分析

基于單余度火警電路系統(tǒng)，雙余度火警電路系統(tǒng)無(wú)法正常上報(bào)火警的情況如表2 所示。

2.4.2 火警虛警分析

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)火警探測(cè)電路時(shí)機(jī)電系統(tǒng)一個(gè)重要的電路組成部分，用以采集外部火警探測(cè)傳感器的信號(hào)，就電路功能而言，主要存在兩種故障模式：“實(shí)警不報(bào)”和“虛警誤報(bào)”。

“實(shí)警不報(bào)”即發(fā)動(dòng)機(jī)艙段實(shí)際已發(fā)生火警，但由于系統(tǒng)故障，不能及時(shí)準(zhǔn)確向飛行員報(bào)警，導(dǎo)致飛機(jī)和人員受到安全威脅，乃至空難。

“虛警誤報(bào)”即發(fā)動(dòng)機(jī)艙實(shí)際未發(fā)生火警，但由于系統(tǒng)故障，向飛行員報(bào)告虛假火警信號(hào)，飛行員按照應(yīng)急處置程序處理火警，飛機(jī)返航、備降。這種故障模式影響飛機(jī)的正常營(yíng)運(yùn)或任務(wù)完成。如果機(jī)組人員虛警處置不當(dāng)，可能誘發(fā)飛行事故鏈，增加惡性飛行事故發(fā)生的可能性。

2.4.3 引起虛警的故障模式分析

火警探測(cè)電路上報(bào)火警的原理是采集到探測(cè)傳感器的電阻為不大于100Ω 的電阻，此時(shí)輸入儀表運(yùn)算放大器正端輸入的電壓接近0.1V，則儀表運(yùn)算放大器的輸出電壓為接近-4.9V 的電壓，此時(shí)兩路遲滯比較電路輸出FLAG1、FLAG2 均為高電平。

從火警電路報(bào)警的機(jī)理分析，造成火警電路虛警的情況有以下幾種：

(1)航插針搭接短路。連接火警探測(cè)傳感器兩端輸入的航插針PIN1 和PIN2 如果短路會(huì)造成電路采集到火警傳感器分壓為0V。

(2)航插針接地。航插針PIN1 接地與短路的機(jī)理相同。

(3)電阻R3 斷路。電阻R3 斷路，輸入儀表運(yùn)算放大器負(fù)端的電壓為10V，會(huì)導(dǎo)致火警探測(cè)傳感器分壓小于5V 時(shí)就上報(bào)火警。

(4)電阻R7 和R5 斷路或電阻R4 和R6 短路。這兩種情況都是將遲滯比較電路變?yōu)榱碎T限值為5V 的單門限比較電路，只有儀表運(yùn)算放大器的輸出大于5V 時(shí)比較器輸出-14.7V，而儀表運(yùn)算放大器的電壓輸出范圍為-5～5V，故在此使情況下儀表運(yùn)算放大器輸出電壓小于5V 時(shí)，都會(huì)報(bào)火警。

(5)運(yùn)放儀表運(yùn)算放大器故障，輸出小于-5V 的電壓。

(6)比較器故障，輸出開(kāi)路。開(kāi)路狀態(tài)被上拉到3.3V，F(xiàn)PGA 采集到高電平，上報(bào)火警。

(7)焊盤虛焊，造成比較器或FPGA 虛焊，導(dǎo)致比較器輸出開(kāi)路或FPGA 輸出的數(shù)據(jù)不正確，導(dǎo)致CPU 接收到虛假的火警信息。

(8)FPGA 故障，可能導(dǎo)致CPU 采集到邏輯信號(hào)為火警信號(hào)。

3 火警探測(cè)電路虛警率計(jì)算

3.1 各故障模式失效率計(jì)算

各故障模式失效率計(jì)算是按照GJB/Z-299C(電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè))中對(duì)應(yīng)的失效模型計(jì)算。

3.1.1 航插針搭接短路或航插針接地

航插針搭接或者接地，都?xì)w結(jié)為連接器失效，失效模型如下：

式中：pλ：工作失效率，610-/h；bλ：基本失效率，10-6/h，查表取值0.0303；πE：環(huán)境系數(shù)，查表取值8.4；AUF 戰(zhàn)斗機(jī)無(wú)人艙；πQ：質(zhì)量系數(shù)，查表取值0.4；πp：接觸件系數(shù)，查表取值5.60；πK：拔插系數(shù)，查表取值1.0；πC：插孔結(jié)構(gòu)系數(shù)，查表取值0.3。

計(jì)算得到：

3.1.2 電阻R3 斷路

電阻器為金屬膜電阻，電阻失效模型：

式中：pλ：工作失效率，610-/h；bλ：基本失效率，10-6/h，取值0.007；πE：環(huán)境系數(shù)，查表取值11.5；πQ：質(zhì)量系數(shù)，查表取值0.3；πR：阻值系統(tǒng)，查表取值1.0。

計(jì)算得到：λp2= 0.007 × 1 1.5 × 0.3 × 1.0 = 0.02415 ×10-6/h

3.1.3 電阻R7 和R5 斷路或R4 和R6 短路

電阻器為金屬膜電阻，電阻失效模型：

式中：λp：工作失效率，10-6/h；λb：基本失效率，10-6/h，取值0.007；πE：環(huán)境系數(shù)，查表取值11.5；Qπ：質(zhì)量系數(shù)，查表取值0.3；Rπ：阻值系統(tǒng)，查表取值1.0。

R7 和R5 斷路屬于并聯(lián)失效模型，R4 和R6 短路也屬于并聯(lián)失效模型，但這兩種狀況又屬于串聯(lián)失效模型。

計(jì)算得到：λp3=λp2×λp2+λp2×λp2=0.00116645 ×10-6/h

3.1.4 儀表運(yùn)算放大器故障

儀表運(yùn)算放大器故障失效模型按照單片模擬集成電路，失效模型如下：

式中：λp：工作失效率，10-6/h；πQ：質(zhì)量系數(shù)，查表取值0.08；Tπ：溫度應(yīng)力系數(shù)，計(jì)算查表取值1.16；Vπ：電壓應(yīng)力系數(shù)查表取值1.12；Eπ：環(huán)境應(yīng)力系數(shù)取值20；Lπ：成熟度系數(shù)取值1.0；1C及C2：電路復(fù)雜度失效率，查表分別取值0.4272，0.0406；C3：封裝復(fù)雜度失效率，查表取值0.0224。

計(jì)算失效率：

3.1.5 比較器故障

比較器失效率按照單片模擬集成電路的失效率計(jì)算，失效模型如下：

式中：Qπ：質(zhì)量系數(shù)，查表取值0.08；Tπ：溫度應(yīng)力系數(shù)，計(jì)算查表取值1.33；Vπ：電壓應(yīng)力系數(shù)查表取值1.12；Eπ：環(huán)境應(yīng)力系數(shù)取值20；Lπ：成熟度系數(shù)取值1.0；1C及C2：電路復(fù)雜度失效率，查表分別取值0.6083，0.0544；3C：封裝復(fù)雜度失效率，查表取值0.0623。

計(jì)算失效率：

虛報(bào)火警時(shí)兩個(gè)比較器必須同時(shí)故障，故兩路比較器故障為電路故障的并聯(lián)模式，故：

3.1.6 焊盤焊點(diǎn)故障

焊盤焊點(diǎn)的失效模型如下：

式中：λp：工作失效率，10-6/h；λb：基本失效率，10-6/h，取值0.000070；πQ：質(zhì)量系數(shù)，查表取值0.25；Eπ：環(huán)境應(yīng)力系數(shù)取值11。

計(jì)算得焊盤焊點(diǎn)失效率：

焊盤焊點(diǎn)失效造成LM139 比較器失效或FPGA 故障屬于串聯(lián)失效模型。故焊盤焊點(diǎn)失效造成的虛警率為：

3.1.7 FPGA 故障

FPGA 失效按照單片雙極工藝制作數(shù)字電路失效模型計(jì)算：

式中：λp：工作失效率，10-6/h；πQ：質(zhì)量系數(shù)，查表取值0.25；SMQ4VLX25FF668 質(zhì)量等級(jí)為A4；Tπ：溫度應(yīng)力系數(shù)，計(jì)算查表取值1.30；Vπ：電壓應(yīng)力系數(shù)查表取值1.0；Eπ：環(huán)境應(yīng)力系數(shù)取值20；AUF 戰(zhàn)斗機(jī)無(wú)人艙；Lπ：成熟度系數(shù)取值1.0；1C及C2——電路復(fù)雜度失效率（與邏輯門數(shù)量相關(guān)），查表分別取值1.1135，0.0556；3C：封裝復(fù)雜度失效率，查表取值5.7184。

計(jì)算得FPGA 失效率：

FPGA 失效率的計(jì)算包含了FPAG 所有邏輯門失效的概率，在實(shí)際中對(duì)造成虛警的情況的失效率遠(yuǎn)比 pλ小，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)火警判斷邏輯占用的FPGA 資源非常少。在計(jì)算取

3.2 探測(cè)電路虛警率計(jì)算

分析可知，在第3.1 節(jié)中的故障情況任一一種發(fā)生就會(huì)上報(bào)虛警，因此各個(gè)故障模式為火警探測(cè)電路故障的串聯(lián)模型，故火警探測(cè)電路引起虛警的元器件級(jí)的失效率為：

假定系統(tǒng)給火警探測(cè)電路分配的虛警率為5%，則平均虛警間隔[4]時(shí)間為20h，則由電路元器件失效引起的虛警率為：

4 降低火警虛警率的兩點(diǎn)措施

通過(guò)分析火警探測(cè)電路和火警虛警率的計(jì)算分析，能夠降低火警虛警率的措施有：

（1）硬件電路增加余度設(shè)計(jì)。余度設(shè)計(jì)時(shí)各個(gè)余度之間的故障模式對(duì)于火警系統(tǒng)而言屬于并聯(lián)模式，故增加余度設(shè)計(jì)可以降低虛警的發(fā)生概率。

（2）設(shè)計(jì)嚴(yán)密完善的火警判斷邏輯，減少虛假火警和漏報(bào)火警的可能性。在余度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，F(xiàn)PGA 采集各個(gè)獨(dú)立的通路信號(hào)，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行完善的邏輯判斷以確保上報(bào)火警的正確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種采集氣動(dòng)式火警傳感器輸出信號(hào)的火警探測(cè)電路，基于電路分析了造成火警虛警的故障模式，并計(jì)算了虛警率，對(duì)火警電路設(shè)計(jì)有和系統(tǒng)虛警率分配具有一定的參考意義。