黃 成 孫景波 徐振瀚

（1.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；2.阿米檢測技術(shù)有限公司，蘇州215000；3.江西昌河航空工業(yè)有限公司，景德鎮(zhèn)333000）

1 引言

航空發(fā)動機的型號性能試驗數(shù)據(jù)是反應(yīng)發(fā)動機優(yōu)劣的主要指標，其測試數(shù)據(jù)的準確性直接關(guān)系到對研制結(jié)果的評價和進一步的設(shè)計方案，如圖1所示。隨著航空測試技術(shù)的快速發(fā)展，系統(tǒng)化、集成化，傳感器密集布點運用日趨成為主要的試驗測試模式。航空發(fā)動機試驗是一門綜合學(xué)科，涉及溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、流量、應(yīng)變、振動、角度、位移等多個專業(yè)。綜合傳感器模擬參數(shù)校準在航空發(fā)動機現(xiàn)場試驗過程中又稱之為末端計量，評價航空發(fā)動機主要的性能數(shù)據(jù)最終全部由數(shù)采系統(tǒng)和傳感器轉(zhuǎn)換成電壓、電流、電阻、頻率、相位五種基本電學(xué)常量進行換算和分析。因此，綜合模擬電參數(shù)計量測試結(jié)果的準確性，直接影響著發(fā)動機性能試驗最終結(jié)果。

圖1 航空發(fā)動機型號性能試驗的概念圖Fig.1 Concept of aero-engine model performance test

時效性要求高、參數(shù)類別雜、校準數(shù)量龐大、突發(fā)性強是航空發(fā)動機現(xiàn)場綜合模擬參數(shù)校準需求的典型特點。傳統(tǒng)校準保障模式以專業(yè)劃分人力和設(shè)備資源配置，單參數(shù)校準手段為主，低校準效率不僅無法保證現(xiàn)場試驗高周轉(zhuǎn)時效性的要求，同時面臨綜合參數(shù)校準需求時，存在著多專業(yè)人力和設(shè)備資源沖突的問題。表1 為某個常規(guī)中小型型號試驗所需要的校準資源和時間成本，對于設(shè)備、人力以及科研時間都是極大的損耗。當(dāng)務(wù)之急，無論從校準方案或是校準裝置都必須有所突破，實現(xiàn)自動化、多路高效、低成本、綜合性參數(shù)校準技術(shù)平臺是本文思考的重點。

表1 某型號發(fā)動機研制試驗現(xiàn)場校準進度要求和資源需求Tab.1 Calibration schedule requirements and resource requirements for a certain type of engine development and test site

2 PXI總線技術(shù)的應(yīng)用思考

PXI 是PCI總線在儀器領(lǐng)域的擴展，是一種用于測量和自動化系統(tǒng)領(lǐng)域的基于PC 的模塊化儀器平臺。PXI 不僅繼承PCI總線堅固、模塊化、可靠性好、環(huán)境適應(yīng)性強、傳輸效率高等特征，并且具備極強的擴展性，如圖2所示，非常適合綜合參數(shù)的自動化工業(yè)測試。PXI總線技術(shù)是1997年由美國NI公司推出的一種開放的工業(yè)標準總線，經(jīng)過30 多年的發(fā)展，已形成集協(xié)議、硬件與語言為一體的完善的工業(yè)體系，使仿真技術(shù)滲透到儀器各個領(lǐng)域。除去做全產(chǎn)品領(lǐng)域的NI 和JYTEK 之外，許多子領(lǐng)域的PXI總線產(chǎn)品也發(fā)展迅猛，如精通于標準傳感器信號仿真的Pickering， 精通半導(dǎo)體領(lǐng)域的Chroma，擅長RF 領(lǐng)域的Keysight 等。

圖2 PXI總線技術(shù)的優(yōu)點Fig.2 Advantages of PXI bus technology

前文提到，現(xiàn)場綜合模擬參數(shù)的校準最終轉(zhuǎn)換為五大電學(xué)常量進行運算和分析，與虛擬儀器的特點極其類似，可充分利用PXI 技術(shù)平臺的優(yōu)勢，彌補傳統(tǒng)計量裝置和技術(shù)的不足。

2.1 優(yōu)秀的帶寬和低延遲性能

帶寬和延遲是影響數(shù)據(jù)傳輸同步和保真的重要指標，如圖3所示，大多數(shù)儀器所青睞的GPIB 總線是六十年代末期問世的技術(shù)，它的帶寬僅1M 左右，在大數(shù)據(jù)處理時易發(fā)生數(shù)據(jù)丟包和失真的風(fēng)險。最新的USB4，即雷電串行總線，它以PCIe3.0x4 的速度與PCIe 設(shè)備連接，可以達到3.9GB/s 的速度。PXIe Gen3x8 的機箱問世后，它的理論帶寬可以達到7.8GB/s，為試驗現(xiàn)場大數(shù)據(jù)采集與校準，提供高性能的測量系統(tǒng)。

圖3 常用測量總線的帶寬和延遲Fig.3 Commonly measured bus bandwidth and latency

2.2 便利高效的程序編譯平臺

PXI總線技術(shù)統(tǒng)一了高速率的通訊協(xié)議，避免了多類計量標準接口協(xié)議（GPIB、RS232、RJ484 等）不一致，造成無法統(tǒng)一形成自動化校準平臺的尷尬。NI 公司經(jīng)過多年的發(fā)展，已形成完善的基于Labview 軟件平臺的編程服務(wù)體系，幾乎每一類板卡都能夠下載到現(xiàn)成的軟件封裝包。意味著工程師只要具備基本的測控邏輯架構(gòu)思路，就能夠快速地完成一套自動化測試程序，而無需軟件開發(fā)人員基本的代碼編譯技能。

2.3 多功能模塊便攜化的技術(shù)特征

PXI總線插槽理論上可以無限制的擴展，模塊化的組裝設(shè)計使用戶根據(jù)校準需求實現(xiàn)隨意定制各類綜合參數(shù)的校準平臺。隨著技術(shù)的發(fā)展，無論PXI 工控平臺或是PXI 虛擬板卡都設(shè)計得非常輕便，一張?zhí)摂M板卡甚至不足300g，參數(shù)類型靈活及便攜化的特征非常適用于試驗現(xiàn)場綜合參數(shù)的校準，如圖4所示。

圖4 PCI、PCIe 插槽（至上而下PCIe x4、x16、x1、x16、PCI）Fig.4 PCI，PCIe slots（top to bottom PCIe X4，X16，X1，X16，PCI）

2.4 多路高效的測試能力

多路通道的仿真測試能力是PXI總線技術(shù)的典型特點。優(yōu)勢在于實現(xiàn)傳統(tǒng)計量標準儀器無法達到的數(shù)倍乃至數(shù)十倍仿真測試速度的提升。再結(jié)合平臺本身的自動化測試程序，理論上可實現(xiàn)極少的人員，通過1 套校準平臺，解決許多科研現(xiàn)場綜合模擬參數(shù)校準的效率瓶頸。

近年來，部分研究機構(gòu)在利用PXI總線技術(shù)開發(fā)校準方案上也做出了一些嘗試。如設(shè)計PXI 仿真校準平臺用于振動參數(shù)、沖擊參數(shù)和環(huán)境參數(shù)的校準。自主研發(fā)了基于PXI總線技術(shù)的工控平臺，用于高效完成型號計量電參數(shù)的測試，取得了不錯的效果，如圖5所示。為型號試驗現(xiàn)場綜合模擬參數(shù)自動化校準仿真平臺的研究與應(yīng)用提供了一定的借鑒意義。

圖5 部分研究機構(gòu)開發(fā)的基于PXI總線技術(shù)的校準平臺Fig.5 Shows the PXIbus-based calibration platform developed by the research institution

3 開發(fā)思路

本系統(tǒng)擬充分利用總線板卡進行各類型信號的多路仿真及采集，結(jié)合自動化測試軟件，由計算機自動控制整個校準流程的信號的仿真和測試，并自動生成校準記錄。研究一套平臺實現(xiàn)航空發(fā)動機研制試驗現(xiàn)場大部分綜合模擬參數(shù)的校準與標定，形成自動化、便攜、高效的服務(wù)保障能力。

3.1 總體設(shè)計方案

校準平臺主要由硬件平臺和軟件平臺兩大部分組成，其中硬件平臺是構(gòu)成測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件平臺是構(gòu)成測試系統(tǒng)的核心，如圖6所示。在硬件平臺中，精密穩(wěn)壓模塊主要進一步提升工控機輸入電壓精度和穩(wěn)定性，以實現(xiàn)參數(shù)分量高精度調(diào)理的前端輸入校正；信號調(diào)理器主要是完成對前端傳感器采集的模擬信號進行放大、隔離、濾波、并使其線性化；校準板卡主要是完成對信號的仿真、采集，完成A/D 轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)處理器主要完成數(shù)據(jù)的高速分析、實時儲存及網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。自動校準平臺采用SC Express 模塊來完成對綜合模擬信號的調(diào)理與采集。SC Express 模塊是搭建在工業(yè)標準的PXI 平臺上，專門針對特定的模擬參數(shù)類型進行優(yōu)化設(shè)計，集數(shù)據(jù)采集與信號調(diào)理功能于一體的模塊。不僅縮小了測試系統(tǒng)體積尺寸，而且使系統(tǒng)更加精確、可靠。

圖6 自動校準平臺的整體結(jié)構(gòu)思路Fig.6 Overall structure of the automatic calibration platform

在軟件平臺中，運行環(huán)境主要是指系統(tǒng)運行的操作系統(tǒng)，應(yīng)采用兼容windows7 以上操作系統(tǒng)；開發(fā)軟件是指軟件系統(tǒng)設(shè)計的編程環(huán)境，PXI總線基本可兼容所有高級語言編寫程序；驅(qū)動程序用于驅(qū)動仿真與采集設(shè)備，并提供標準的驅(qū)動編程接口；專用軟件是指輔助校準項目完成的自動化控制程序以及數(shù)據(jù)追溯和處理程序，專用軟件的使用往往可使項目開展效率提高數(shù)倍，大大降低作業(yè)時間和人員工作強度。

工控機經(jīng)調(diào)理后輸出的12V 直流電壓是板卡仿真或測試的基礎(chǔ)信號。輸入電壓的精度、噪聲（如圖7所示）和紋波（如圖8所示）會干擾外設(shè)模塊，從而影響整體的測量精度。PXI 硬件標準對工控機電源系統(tǒng)有嚴格的規(guī)定，但局限于工業(yè)測試。校準平臺作為最上游的溯源標準，對信號準確性要求往往數(shù)倍于工業(yè)標準，所以在設(shè)計上仍然考慮在工控機電壓輸出端再集成個電源板卡，最大可能來保證測試系統(tǒng)能達到外設(shè)板卡固有的技術(shù)指標。

圖7 噪聲Fig.7 Noise

圖8 紋波Fig.8 Ripple

3.2 校準平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路

校準平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計有幾個典型需求，一是重量輕、便攜性強；二是模塊化設(shè)計，可靈活自定義裝卸功能模塊；三是集校準操作、數(shù)據(jù)處理、記錄于一體，具備良好的人機交互界面。

一體式PXIe 機箱是本文自動校準平臺的構(gòu)建思路，以PXI總線為基礎(chǔ)，用于植入各類PXIe 采集模塊與PXI 仿真模塊，根據(jù)PXIe 采集模塊和PXI 仿真模塊的性能和功用的不同，實現(xiàn)不同模塊的測試校準功能。用戶可自主根據(jù)功能校準需求和維保溯源需求靈活拆裝板卡模塊，如圖9所示，具備集校準操作、數(shù)據(jù)處理、記錄于一體的人機交互界面，如圖10所示。

圖9 模塊化功能拆裝概念圖Fig.9 Concept diagram of modular function disassembly

圖10 設(shè)有人機交互界面的顯示概念圖Fig.10 Display concept diagram of human-computer interaction interface

3.3 校準平臺校準功能的開發(fā)思路

自動校準平臺是基于計算機分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建立的仿真和采集系統(tǒng)，硬件和軟件都是基于模塊化的思路構(gòu)建，整個平臺由配套設(shè)備、PXI總線仿真模塊、PXI總線測量模塊組成。其中，PXI總線測試仿真平臺是控制計算機中運行測控軟件，通過通信接口及測試電纜，控制板卡、配套設(shè)備及用戶設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的測試流程，接收測控計算機的指令，完成各項仿真及測量功能。圖11 以航空發(fā)動機試驗現(xiàn)場最主要的數(shù)采系統(tǒng)、傳感器以及綜合試驗器校準需求為例，描述校準功能的設(shè)計思路。

圖11 數(shù)采系統(tǒng)校準設(shè)計范例Fig.11 Calibration design example of digital acquisition system

4 綜合校準平臺軟件功能的設(shè)計研究

軟件是設(shè)計的重要組成部分，采用軟件工程的管理理念，以標準化、通用化的設(shè)計手段，使綜合測試儀軟件架構(gòu)做到靈活性、自適應(yīng)性和開放性，模塊的可擴充和可更新，能在較長時期內(nèi)適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展變化，能與其它系統(tǒng)連接使用或便于二次開發(fā)，能夠接收和處理不同形式的數(shù)據(jù)交換格式，具有一定的繼承性、復(fù)用性和可擴展性；軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，并且各個模塊之間相對獨立、低耦合，每個模塊可單獨進行設(shè)計、制造、調(diào)試、修改和存儲，便于由不同的設(shè)計人員進行獨立開發(fā)；軟件設(shè)計時須對用戶進行訪問控制，以增強系統(tǒng)的保密性和安全性。所以軟件不僅需要自動化控制和采集能力，同時需具備強大的數(shù)據(jù)管理和記錄編譯功能，如圖12所示。軟件開發(fā)最關(guān)鍵的要求有四點：

圖12 軟件功能設(shè)計邏輯圖Fig.12 Logic diagram of software function design

（1）軟件平臺兼容如labview、C＃等各種高級語言的編制，協(xié)議適應(yīng)性強。

（2）系統(tǒng)自帶數(shù)據(jù)庫，可靈活運用搜索條件查詢歷史校準記錄。

（3）系統(tǒng)具備自動數(shù)據(jù)處理和記錄編制功能，系統(tǒng)需采用動態(tài)的記錄形成設(shè)計，使用者可隨意要求將界面信息、導(dǎo)入的數(shù)據(jù)或系統(tǒng)自采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入預(yù)設(shè)模版，可靈活設(shè)置行、列、格。當(dāng)使用者記錄版本的變更時不會導(dǎo)致設(shè)計返工。

（4）對每個校準功能模塊，系統(tǒng)需具備自動化校準程序，校準程序須滿足用戶使用的便捷性和自主性要求，數(shù)據(jù)采集過程及數(shù)據(jù)處理須滿足計量技術(shù)規(guī)范或用戶要求。

5 結(jié)束語

綜上研究，基于PXI總線校準技術(shù)的運用具備自動化、多路高效、便攜性、功能模塊化、低成本等一系列優(yōu)點，是科研試驗過程中值得推廣的快捷保障校準模式，具體表現(xiàn)在以下四個方面：

（1）基于PXI總線技術(shù)模擬的校準平臺可滿足溫度、壓力、電壓、電流、電阻、應(yīng)變、頻率、振動、流量、轉(zhuǎn)速等多類傳感器綜合模擬參數(shù)的校準需求，功能強大。模塊化的結(jié)構(gòu)特點，可根據(jù)研制試驗現(xiàn)場參數(shù)校準類別靈活定制平臺的校準范圍，可應(yīng)對試驗現(xiàn)場各類突發(fā)的綜合參數(shù)校準需求。

（2）便攜性、功能集成化是該校準平臺設(shè)計的典型特點，在面對試驗現(xiàn)場緊急的綜合參數(shù)校準需求時，一套平臺和一組人力可迅速趕赴現(xiàn)場，無需多個專業(yè)協(xié)調(diào)調(diào)度大量的人力和設(shè)備。極大降低科研資金的損耗，提高了科研保障效率。

（3）基于PXI總線的校準平臺源于自動化編程設(shè)計，同時具備多路信號仿真和測量能力，比傳統(tǒng)設(shè)備手動校準模式效率提高數(shù)倍，極大提高了科研保障的時效性，同時大幅度降低因輸出不足產(chǎn)生的高額計量成本。

（4）PXI 多路標準信號仿真模塊化能力具備集成進入試驗現(xiàn)場測試通道成為標定單元的條件。結(jié)合無線通信技術(shù)的運用，我們有機會實現(xiàn)只需要一個命令，在數(shù)十分鐘內(nèi)就可完成一次型號試驗所有的測試通道的檢查、標定和驗證，在線校準技術(shù)必定是未來航空發(fā)動機集成測試模式保障的趨勢。