基于航空發(fā)動機(jī)監(jiān)視裝置的多總線數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)

摘 要：現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)的安全性和運(yùn)行效率在很大程度上依賴于其關(guān)鍵部件的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集，發(fā)動機(jī)監(jiān)視裝置（Engine Monitoring Unit，EMU）通過多種通信總線與各種傳感器、發(fā)動機(jī)控制器和地面維護(hù)設(shè)備通信，以實現(xiàn)發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控與維護(hù)?，F(xiàn)主要研究EMU中不同通信總線，包括ARINC429、RS422/RS485、以太網(wǎng)等通信標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)。深入分析各類總線的硬件實現(xiàn)、數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制以及速率調(diào)節(jié)方法，結(jié)合當(dāng)前航空發(fā)動機(jī)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步探討未來數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的優(yōu)化與發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)監(jiān)視裝置；ARINC429；RS422/RS485；以太網(wǎng)；ARINC615A；總線數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號：V243.1" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）07-0024-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.07.006

0" " 引言

航空發(fā)動機(jī)作為現(xiàn)代航空器的心臟，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響飛行的安全與效率。為了確保發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)行，并能夠及時預(yù)警潛在的故障，航空工業(yè)中一般通過專用設(shè)備發(fā)動機(jī)監(jiān)視裝置來實現(xiàn)故障預(yù)測診斷工作。EMU的主要功能是通過采集各種傳感器監(jiān)測發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、振動、葉尖間隙、滑油金屬屑等重要參數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)较嚓P(guān)的控制系統(tǒng)或地面維護(hù)設(shè)備進(jìn)行分析和處理。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能，EMU須依賴多種通信總線技術(shù)，包括ARINC429、RS422/RS485、以太網(wǎng)等[1]，這些總線各具特點，適用于不同的應(yīng)用場景和數(shù)據(jù)傳輸需求。ARINC429總線常用于與其他機(jī)載航空電子設(shè)備進(jìn)行通信，其傳輸速率較低，但具備很強(qiáng)的抗干擾能力和可靠性[2]。RS422/RS485總線這兩種標(biāo)準(zhǔn)都支持長距離差分信號傳輸，適合在噪聲環(huán)境中傳輸高精度數(shù)據(jù)，RS485具有多節(jié)點通信能力，支持多個設(shè)備共享同一總線。以太網(wǎng)作為高速通信總線，支持高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸，適用于傳輸大量數(shù)據(jù)或高速實時數(shù)據(jù)流。

在EMU中，通信總線是用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵慕橘|(zhì)，根據(jù)不同的功能需求，EMU設(shè)計中采用了多種總線標(biāo)準(zhǔn)。本文依托某典型發(fā)動機(jī)監(jiān)視裝置詳細(xì)研究EMU中各類總線的應(yīng)用與數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)，逐一分析ARINC429、RS422/RS485和以太網(wǎng)通信總線的特點、實現(xiàn)方法及其在發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)中的作用，并探討不同總線在EMU中的集成方案和數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化策略。

1" " 典型架構(gòu)與設(shè)計

EMU通常由多個子單元構(gòu)成，包括數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元及數(shù)據(jù)存儲單元。其架構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵在于實時性，數(shù)據(jù)傳輸和處理的實時性是EMU設(shè)計的核心要求，尤其是在高振動、高噪聲等復(fù)雜環(huán)境下，通信系統(tǒng)必須保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時性。

以典型發(fā)動機(jī)監(jiān)視裝置為例，不同的總線在EMU系統(tǒng)中各自承擔(dān)不同的任務(wù)，ARINC429總線主要用于和飛機(jī)通信，傳輸?shù)退訇P(guān)鍵數(shù)據(jù)，如發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、振動告警信號、振動量級等；RS422總線用于部分傳感器與EMU的通信，負(fù)責(zé)將葉尖間隙信號、滑油金屬屑信號等實時參數(shù)傳輸至EMU處理，同時可作為維護(hù)總線打印產(chǎn)品測試信息；RS485總線用于EMU與發(fā)動機(jī)電子控制器（Electronic Engine Controller，EEC）通信，將采集到的振動、轉(zhuǎn)速等信號傳遞給EEC；而以太網(wǎng)則更多用于與地面維護(hù)設(shè)備（Ground Support Equipment，GSE）通信或高速數(shù)據(jù)的傳輸，如發(fā)動機(jī)的詳細(xì)診斷信息、數(shù)據(jù)下載、軟件升級等。典型EMU產(chǎn)品數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)如圖1所示。

2" " 發(fā)動機(jī)監(jiān)視裝置數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)

某典型發(fā)動機(jī)監(jiān)視裝置由于信號量大、數(shù)據(jù)傳輸總線類型多、處理復(fù)雜等特點，選擇Zynq UltraScale+作為發(fā)動機(jī)監(jiān)視裝置的核心處理器，其強(qiáng)大的ARM Cortex-A53處理器的高性能和實時處理能力以及集成的FPGA為EMU提供了靈活性和并行處理能力[3]，這種集成設(shè)計簡化了系統(tǒng)復(fù)雜性和成本，并能滿足未來需求的擴(kuò)展。在此架構(gòu)下，根據(jù)發(fā)動機(jī)監(jiān)視裝置的多種總線需求，可分為兩種技術(shù)路線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，一種技術(shù)路線是使用PS端（Processing System，即處理器系統(tǒng)）自帶的總線控制器，可以直接實現(xiàn)EMU對外的以太網(wǎng)接口通信。但PS端自帶的總線控制器資源有限，無法滿足一些高帶寬和特定協(xié)議的總線需求，為突破這些限制，另一種技術(shù)路線是通過PL端（Programmable Logic）可編程邏輯來實現(xiàn)RS422/RS485和ARINC429通信協(xié)議，并設(shè)計足夠的發(fā)送和接收緩沖區(qū)（FIFO），便于EMU與外部設(shè)備進(jìn)行通信。這種技術(shù)方案充分利用了Zynq的可編程特性，實現(xiàn)了更靈活的通信方案，PL實現(xiàn)了底層的RS422/RS485和ARINC429的傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸與處理，通過PS端的軟件，控制PL端的通信任務(wù)調(diào)度，并管理數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，形成高效的協(xié)同工作。

3" " 發(fā)動機(jī)監(jiān)視裝置多總線數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)

3.1" " EMU中ARINC429的數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)

在某典型發(fā)動機(jī)監(jiān)視裝置中，ARINC429總線主要用于與飛行控制系統(tǒng)和航空電子系統(tǒng)的通信。通過ARINC429，EMU可以接收飛行狀態(tài)信息，并根據(jù)發(fā)動機(jī)的實時狀態(tài)調(diào)整監(jiān)控策略。ARINC429的數(shù)據(jù)幀由32位組成，每個位代表特定的信息類型，如數(shù)據(jù)字、標(biāo)簽或源/目的地址，它使用字同步和幀同步技術(shù)來確保接收設(shè)備能夠正確解析數(shù)據(jù)[4]，非常適合在高安全性場景下傳輸關(guān)鍵數(shù)據(jù)。由于其速率較低（通常為12.5 kb/s和100 kb/s），該總線常用于傳輸較為簡單的狀態(tài)信息，而不適合高速實時數(shù)據(jù)流傳輸。這種特性決定了ARINC429總線十分適合進(jìn)行航空發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)中部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸，確保振動告警、轉(zhuǎn)速等信息能夠準(zhǔn)確無誤地傳輸?shù)斤w機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

ARINC429的數(shù)據(jù)傳輸基于某典型發(fā)動機(jī)監(jiān)視裝置硬件平臺實現(xiàn)，通過FIFO緩存作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，處理器AXI總線作為PS和PL部分通信的主要橋梁，圖2為基于Zynq處理器的ARINC429的數(shù)據(jù)傳輸時序流圖。PS部分通過驅(qū)動程序完成對PL部分的初始化操作，配置FIFO緩存和ARINC429接口。數(shù)據(jù)傳輸分為數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)發(fā)送路徑：用戶程序請求發(fā)送數(shù)據(jù)，驅(qū)動程序?qū)?shù)據(jù)通過AXI總線寫入FIFO緩存，PL部分通過硬件讀取數(shù)據(jù)、完成傳輸協(xié)議并通過硬件接口發(fā)送；數(shù)據(jù)接收路徑：ARINC429硬件接口接收到外部設(shè)備數(shù)據(jù)，存儲到接收FIFO緩存并通過AXI通道返回到PS驅(qū)動程序。

3.2" " EMU中RS422/RS485總線的數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)

在某典型發(fā)動機(jī)監(jiān)視裝置中，RS422/RS485總線主要用于與EEC及其他傳感器信號采集裝置通信，選擇RS422/RS485總線的原因主要是其具備強(qiáng)大的抗干擾能力，能夠在惡劣環(huán)境中穩(wěn)定工作，且傳輸速率可調(diào)，為不同應(yīng)用場景提供了靈活的配置選擇。RS422是點對點通信標(biāo)準(zhǔn)，常用于傳感器采集設(shè)備或地面維護(hù)設(shè)備與EMU的直接通信，例如滑油金屬屑信號采集裝置、葉尖間隙信號采集裝置、地面維護(hù)設(shè)備等；而RS485則支持多節(jié)點通信，允許多個EEC子模塊同時與EMU通信，從而實現(xiàn)更復(fù)雜的多設(shè)備協(xié)同工作，同時，RS485的半雙工通信方式確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行蛐院桶踩浴?/p>

RS422/RS485的數(shù)據(jù)傳輸基于某典型發(fā)動機(jī)監(jiān)視裝置硬件平臺實現(xiàn)，通過FIFO緩存作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，處理器AXI總線作為PS和PL部分通信的主要橋梁，其工作時序流與3.1節(jié)ARINC429總線通信類似。在數(shù)據(jù)傳輸中，RS422/RS485能夠在9 600、115 200、460 800、921 600 Baud之間調(diào)節(jié)通信速率。這一設(shè)計確保了在不同情況下，系統(tǒng)能夠根據(jù)數(shù)據(jù)量的變化靈活調(diào)整通信帶寬，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，這種速率調(diào)節(jié)機(jī)制通過軟件配置實現(xiàn)，能夠根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級和數(shù)據(jù)量動態(tài)調(diào)整通信參數(shù)。

3.3" " EMU中以太網(wǎng)通信與ARINC615A軟件加載實現(xiàn)

以太網(wǎng)通信在某典型發(fā)動機(jī)監(jiān)視裝置中的應(yīng)用，特別是與地面維護(hù)設(shè)備的通信，提供了高速的數(shù)據(jù)傳輸通道。通過支持UDP/IP協(xié)議棧、TFTP文件傳輸協(xié)議等，以太網(wǎng)能夠處理大數(shù)據(jù)量的實時數(shù)據(jù)流和文件傳輸任務(wù)，其高帶寬特性使其成為發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄和維護(hù)日志下載的首選總線。地面維護(hù)設(shè)備通過百兆以太網(wǎng)接口與EMU進(jìn)行通信，主要用于傳輸維護(hù)日志、發(fā)動機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)以及診斷信息。此接口還承擔(dān)著非常重要的功能——發(fā)動機(jī)監(jiān)視裝置的軟件升級。軟件升級通過ARINC615A協(xié)議實現(xiàn)，該協(xié)議是航空領(lǐng)域廣泛使用的軟件加載標(biāo)準(zhǔn)[5]，尤其適用于機(jī)載系統(tǒng)的維護(hù)和更新，協(xié)議提供了標(biāo)準(zhǔn)化的流程和指令集，用于確保軟件加載過程中的安全性和一致性。ARINC615A協(xié)議的使用不僅簡化了軟件更新的操作，還確保了飛行安全的關(guān)鍵系統(tǒng)在升級過程中的可靠性。

在EMU的設(shè)計中，ARINC615A協(xié)議用于通過地面維護(hù)設(shè)備對EMU進(jìn)行軟件或固件的升級，確保系統(tǒng)能夠加載最新的軟件版本并在每次維護(hù)后保持最佳狀態(tài)。通過ARINC615A協(xié)議進(jìn)行軟件升級的過程中，安全性是一個非常重要的考慮因素，由于EMU控制著發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，任何升級過程中的錯誤都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。EMU軟件加載的工作流程可以簡單描述為以下幾個步驟：

1）連接建立：地面維護(hù)設(shè)備通過以太網(wǎng)接口與EMU建立連接，在升級開始前，地面維護(hù)設(shè)備和EMU之間需要進(jìn)行身份驗證，以確保只有經(jīng)過授權(quán)的維護(hù)人員和設(shè)備才能進(jìn)行軟件更新。此外，數(shù)據(jù)傳輸過程中通過加密技術(shù)保護(hù)軟件包的完整性和機(jī)密性，防止外部攻擊或篡改。

2）軟件包驗證：在正式開始加載前，維護(hù)設(shè)備會通過ARINC615A協(xié)議中的驗證機(jī)制，確保待加載的軟件包是正確的版本且其校驗和（checksum）正確。這一步驟可防止由于文件損壞或版本不兼容而導(dǎo)致的系統(tǒng)故障。

3）數(shù)據(jù)傳輸：一旦軟件包驗證通過，ARINC615A協(xié)議負(fù)責(zé)控制軟件包的數(shù)據(jù)傳輸。由于以太網(wǎng)具有較高的傳輸速率，軟件包可以快速傳輸?shù)紼MU。

4）校驗與確認(rèn)：傳輸完成后，系統(tǒng)會對接收到的軟件包進(jìn)行完整性校驗（CRC校驗），確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中未損壞。校驗成功后，EMU向地面維護(hù)設(shè)備發(fā)送確認(rèn)信息，指示升級成功。為保證軟件升級的安全性，EMU還設(shè)計了容錯與回滾機(jī)制，如果在升級過程中發(fā)生錯誤，ARINC615A協(xié)議還支持回滾，允許系統(tǒng)恢復(fù)到先前的版本，確保系統(tǒng)能夠繼續(xù)正常運(yùn)行。這樣，即使在軟件升級失敗的情況下，系統(tǒng)也不會完全失效，從而保障了飛行的安全性。

5）系統(tǒng)重啟：一旦新軟件包成功加載并經(jīng)過校驗，EMU系統(tǒng)將自動重啟，加載新的軟件版本并開始工作。

4" " ARINC429總線與RS422/RS4585總線驗證情況

不同于以太網(wǎng)直接使用處理器芯片控制器配合軟件實現(xiàn)ARINC615A功能，RS422/RS485及ARINC429是通過自研PL邏輯與PS端軟件配合，為了驗證自研PL邏輯功能及穩(wěn)定性，須單獨開展通信總線測試工作。具體測試方法如下：在測試設(shè)備端通過串口調(diào)試工具加載數(shù)據(jù)源文件，設(shè)備定時向EMU發(fā)送文件，內(nèi)容為2 kB數(shù)據(jù)，9 600 Baud波特率定時周期為5 s，其他通信速率定時周期為1 s，測試時間2 h。表1為RS422/RS485及ARINC429通信總線測試結(jié)果。

根據(jù)表1測試結(jié)果，基于某典型發(fā)動機(jī)監(jiān)視裝置平臺的RS422/RS485及ARINC429總線通信穩(wěn)定，無數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象。目前該平臺已隨發(fā)動機(jī)開展了大量試車試驗，通信總線可靠。

5" " 結(jié)論與展望

本文詳細(xì)分析了ARINC429、RS422/RS485和以太網(wǎng)等總線的應(yīng)用及其在EMU中的數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)方法，特別是通過ARINC615A協(xié)議進(jìn)行的以太網(wǎng)軟件升級工作，為軟件加載和更新提供了標(biāo)準(zhǔn)化、可靠的機(jī)制，并結(jié)合以太網(wǎng)的高速傳輸能力，實現(xiàn)了快速、安全的軟件升級。

隨著EMU技術(shù)的發(fā)展，更多的智能診斷與通信技術(shù)將被引入EMU系統(tǒng)。未來，EMU系統(tǒng)可能會通過結(jié)合智能診斷系統(tǒng)，自動檢測軟件的健康狀態(tài)，提前識別需要更新的軟件模塊，并通過ARINC615A自動下載和安裝軟件補(bǔ)丁。通過這種方式，軟件升級過程將更加智能化、自動化，減少人為操作帶來的不確定性，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的監(jiān)控能力和升級效率，為航空發(fā)動機(jī)的運(yùn)行和維護(hù)提供更加堅實的技術(shù)保障。

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收稿日期：2024-12-23

作者簡介：謝宇辰（1992—），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士，工程師，研究方向：發(fā)動機(jī)健康管理。