谢宇辰 高聪俐 张耀方 曹星凯 中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所
摘要： #
现代航空发动机的安全性和运行效率在很大程度上依赖于其关键部件的监控与数据采集，发动机监视装置（Engine Monitoring Unit，EMU）通过多种通信总线与各种传感器、发动机控制器和地面维护设备通信，以实现发动机运行状态的监控与维护。现主要研究EMU中不同通信总线，包括ARINC429、RS422/RS485、以太网等通信标准的数据传输实现。深入分析各类总线的硬件实现、数据传输机制以及速率调节方法，结合当前航空发动机监控技术的发展，进一步探讨未来数据传输技术的优化与发展趋势。
关键词： #
发动机监视装置;ARINC429;RS422/RS485;以太网;ARINC615A;总线数据传输
引言 #
航空发动机作为现代航空器的心脏，其运行状态直接影响飞行的安全与效率。为了确保发动机的正常运行，并能够及时预警潜在的故障，航空工业中一般通过专用设备发动机监视装置来实现故障预测诊断工作。EMU的主要功能是通过采集各种传感器监测发动机的转速、振动、叶尖间隙、滑油金属屑等重要参数，并将这些数据传输到相关的控制系统或地面维护设备进行分析和处理。为了实现数据传输功能，EMU须依赖多种通信总线技术，包括ARINC429、RS422/RS485、以太网等[1]，这些总线各具特点，适用于不同的应用场景和数据传输需求。ARINC429总线常用于与其他机载航空电子设备进行通信，其传输速率较低，但具备很强的抗干扰能力和可靠性[2]。RS422/RS485总线这两种标准都支持长距离差分信号传输，适合在噪声环境中传输高精度数据，RS485具有多节点通信能力，支持多个设备共享同一总线。以太网作为高速通信总线，支持高带宽的数据传输，适用于传输大量数据或高速实时数据流。
在EMU中，通信总线是用于数据传输的核心介质，根据不同的功能需求，EMU设计中采用了多种总线标准。本文依托某典型发动机监视装置详细研究EMU中各类总线的应用与数据传输实现，逐一分析ARINC429、RS422/RS485和以太网通信总线的特点、实现方法及其在发动机健康管理系统中的作用，并探讨不同总线在EMU中的集成方案和数据传输优化策略。
典型架构与设计 #
EMU通常由多个子单元构成，包括数据采集单元、数据处理单元及数据存储单元。其架构设计的关键在于实时性，数据传输和处理的实时性是EMU设计的核心要求，尤其是在高振动、高噪声等复杂环境下，通信系统必须保证数据的准确性和及时性。
以典型发动机监视装置为例，不同的总线在EMU系统中各自承担不同的任务，ARINC429总线主要用于和飞机通信，传输低速关键数据，如发动机运行状态、振动告警信号、振动量级等;RS422总线用于部分传感器与EMU的通信，负责将叶尖间隙信号、滑油金属屑信号等实时参数传输至EMU处理，同时可作为维护总线打印产品测试信息;RS485总线用于EMU与发动机电子控制器（Electronic Engine Controller，EEC）通信，将采集到的振动、转速等信号传递给EEC;而以太网则更多用于与地面维护设备（Ground Support Equipment，GSE）通信或高速数据的传输，如发动机的详细诊断信息、数据下载、软件升级等。典型EMU产品数据传输架构如图1所示。
发动机监视装置数据传输实现 #
某典型发动机监视装置由于信号量大、数据传输总线类型多、处理复杂等特点，选择Zynq UltraScale+作为发动机监视装置的核心处理器，其强大的ARM Cortex-A53处理器的高性能和实时处理能力以及集成的FPGA为EMU提供了灵活性和并行处理能力[3]，这种集成设计简化了系统复杂性和成本，并能满足未来需求的扩展。在此架构下，根据发动机监视装置的多种总线需求，可分为两种技术路线实现数据传输，一种技术路线是使用PS端（Processing System，即处理器系统）自带的总线控制器，可以直接实现EMU对外的以太网接口通信。但PS端自带的总线控制器资源有限，无法满足一些高带宽和特定协议的总线需求，为突破这些限制，另一种技术路线是通过PL端（Programmable Logic）可编程逻辑来实现RS422/RS485和ARINC429通信协议，并设计足够的发送和接收缓冲区（FIFO），便于EMU与外部设备进行通信。这种技术方案充分利用了Zynq的可编程特性，实现了更灵活的通信方案，PL实现了底层的RS422/RS485和ARINC429的传输协议数据传输与处理，通过PS端的软件，控制PL端的通信任务调度，并管理数据的发送与接收，形成高效的协同工作。
发动机监视装置多总线数据传输实现 #
EMU中ARINC429的数据传输实现 #
在某典型发动机监视装置中，ARINC429总线主要用于与飞行控制系统和航空电子系统的通信。通过ARINC429，EMU可以接收飞行状态信息，并根据发动机的实时状态调整监控策略。ARINC429的数据帧由32位组成，每个位代表特定的信息类型，如数据字、标签或源/目的地址，它使用字同步和帧同步技术来确保接收设备能够正确解析数据[4]，非常适合在高安全性场景下传输关键数据。由于其速率较低（通常为12.5 kb/s和100 kb/s），该总线常用于传输较为简单的状态信息，而不适合高速实时数据流传输。这种特性决定了ARINC429总线十分适合进行航空发动机健康管理系统中部分关键数据的传输，确保振动告警、转速等信息能够准确无误地传输到飞机监控系统。
ARINC429的数据传输基于某典型发动机监视装置硬件平台实现，通过FIFO缓存作为数据缓冲区，处理器AXI总线作为PS和PL部分通信的主要桥梁，图2为基于Zynq处理器的ARINC429的数据传输时序流图。PS部分通过驱动程序完成对PL部分的初始化操作，配置FIFO缓存和ARINC429接口。数据传输分为数据发送和数据接收。数据发送路径：用户程序请求发送数据，驱动程序将数据通过AXI总线写入FIFO缓存，PL部分通过硬件读取数据、完成传输协议并通过硬件接口发送;数据接收路径：ARINC429硬件接口接收到外部设备数据，存储到接收FIFO缓存并通过AXI通道返回到PS驱动程序。
EMU中RS422/RS485总线的数据传输实现 #
在某典型发动机监视装置中，RS422/RS485总线主要用于与EEC及其他传感器信号采集装置通信，选择RS422/RS485总线的原因主要是其具备强大的抗干扰能力，能够在恶劣环境中稳定工作，且传输速率可调，为不同应用场景提供了灵活的配置选择。RS422是点对点通信标准，常用于传感器采集设备或地面维护设备与EMU的直接通信，例如滑油金属屑信号采集装置、叶尖间隙信号采集装置、地面维护设备等;而RS485则支持多节点通信，允许多个EEC子模块同时与EMU通信，从而实现更复杂的多设备协同工作，同时，RS485的半双工通信方式确保了数据传输的有序性和安全性。
RS422/RS485的数据传输基于某典型发动机监视装置硬件平台实现，通过FIFO缓存作为数据缓冲区，处理器AXI总线作为PS和PL部分通信的主要桥梁，其工作时序流与3.1节ARINC429总线通信类似。在数据传输中，RS422/RS485能够在9 600、115 200、460 800、921 600 Baud之间调节通信速率。这一设计确保了在不同情况下，系统能够根据数据量的变化灵活调整通信带宽，提高数据传输效率，这种速率调节机制通过软件配置实现，能够根据任务的优先级和数据量动态调整通信参数。
EMU中以太网通信与ARINC615A软件加载实现 #
以太网通信在某典型发动机监视装置中的应用，特别是与地面维护设备的通信，提供了高速的数据传输通道。通过支持UDP/IP协议栈、TFTP文件传输协议等，以太网能够处理大数据量的实时数据流和文件传输任务，其高带宽特性使其成为发动机状态监控、数据记录和维护日志下载的首选总线。地面维护设备通过百兆以太网接口与EMU进行通信，主要用于传输维护日志、发动机运行数据以及诊断信息。此接口还承担着非常重要的功能——发动机监视装置的软件升级。软件升级通过ARINC615A协议实现，该协议是航空领域广泛使用的软件加载标准[5]，尤其适用于机载系统的维护和更新，协议提供了标准化的流程和指令集，用于确保软件加载过程中的安全性和一致性。ARINC615A协议的使用不仅简化了软件更新的操作，还确保了飞行安全的关键系统在升级过程中的可靠性。
在EMU的设计中，ARINC615A协议用于通过地面维护设备对EMU进行软件或固件的升级，确保系统能够加载最新的软件版本并在每次维护后保持最佳状态。通过ARINC615A协议进行软件升级的过程中，安全性是一个非常重要的考虑因素，由于EMU控制着发动机的关键运行参数，任何升级过程中的错误都可能导致严重的后果。EMU软件加载的工作流程可以简单描述为以下几个步骤：
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连接建立：地面维护设备通过以太网接口与EMU建立连接，在升级开始前，地面维护设备和EMU之间需要进行身份验证，以确保只有经过授权的维护人员和设备才能进行软件更新。此外，数据传输过程中通过加密技术保护软件包的完整性和机密性，防止外部攻击或篡改。
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软件包验证：在正式开始加载前，维护设备会通过ARINC615A协议中的验证机制，确保待加载的软件包是正确的版本且其校验和（checksum）正确。这一步骤可防止由于文件损坏或版本不兼容而导致的系统故障。
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数据传输：一旦软件包验证通过，ARINC615A协议负责控制软件包的数据传输。由于以太网具有较高的传输速率，软件包可以快速传输到EMU。
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校验与确认：传输完成后，系统会对接收到的软件包进行完整性校验（CRC校验），确保数据在传输过程中未损坏。校验成功后，EMU向地面维护设备发送确认信息，指示升级成功。为保证软件升级的安全性，EMU还设计了容错与回滚机制，如果在升级过程中发生错误，ARINC615A协议还支持回滚，允许系统恢复到先前的版本，确保系统能够继续正常运行。这样，即使在软件升级失败的情况下，系统也不会完全失效，从而保障了飞行的安全性。
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系统重启：一旦新软件包成功加载并经过校验，EMU系统将自动重启，加载新的软件版本并开始工作。
ARINC429总线与RS422/RS4585总线验证情况 #
不同于以太网直接使用处理器芯片控制器配合软件实现ARINC615A功能，RS422/RS485及ARINC429是通过自研PL逻辑与PS端软件配合，为了验证自研PL逻辑功能及稳定性，须单独开展通信总线测试工作。具体测试方法如下：在测试设备端通过串口调试工具加载数据源文件，设备定时向EMU发送文件，内容为2 kB数据，9 600 Baud波特率定时周期为5 s，其他通信速率定时周期为1 s，测试时间2 h。表1为RS422/RS485及ARINC429通信总线测试结果。
根据表1测试结果，基于某典型发动机监视装置平台的RS422/RS485及ARINC429总线通信稳定，无数据丢包现象。目前该平台已随发动机开展了大量试车试验，通信总线可靠。
结论与展望 #
本文详细分析了ARINC429、RS422/RS485和以太网等总线的应用及其在EMU中的数据传输实现方法，特别是通过ARINC615A协议进行的以太网软件升级工作，为软件加载和更新提供了标准化、可靠的机制，并结合以太网的高速传输能力，实现了快速、安全的软件升级。
随着EMU技术的发展，更多的智能诊断与通信技术将被引入EMU系统。未来，EMU系统可能会通过结合智能诊断系统，自动检测软件的健康状态，提前识别需要更新的软件模块，并通过ARINC615A自动下载和安装软件补丁。通过这种方式，软件升级过程将更加智能化、自动化，减少人为操作带来的不确定性，进一步提升系统的监控能力和升级效率，为航空发动机的运行和维护提供更加坚实的技术保障。
参考文献 #
[1] 杨建新，彭海军，钱玉莹.机载数据总线拓扑结构的数学描述[J].航空计算技术，2017，47（2）：113-116. [2] 宋丫，李兴智，刘逸涵.机载通信ARINC429协议总线心跳故障案例分析[J].山西电子技术，2021（5）：29-31. [3] 侯小盈，武金睿，冯毅.基于ZYNQ Ultrascale+MPSOC的通用处理模块关键技术研究[J].信息技术与信息化，2023（6）：133-136. [4] 淮治华，田泽，田锋，等.ARINC429总线控制器模块设计与实现[J].计算机技术与发展，2015，25（4）：197-199. [5] 孙永林.基于ARINC615A协议的通用软件架构设计与优化[J].计算机与网络，2021，47（2）：60-64.