配线设备为核心，真件与仿真灵活切换：燃油电子系统集成试验台的设计逻辑

摘要：燃油电子系统作为飞机燃油系统的核心组成部分，其功能可靠性直接关系到飞行安全与性能。传统试验方法在燃油电子系统与航电系统的交联验证中存在效率低下、场景覆盖不全面、动态仿真能力缺失等突出问题。本文从全机电子集成角度出发，设计并开发了一套集成化燃油电子系统试验台。试验台以配线设备为核心枢纽，整合了人机交互、试验网络、仿真系统、数据采集、信号汇接及激励等多个功能模块，构建了高度模块化和集成化的测试平台。通过开展燃油量动态仿真与显示功能测试，验证了试验台能够连续仿真油量传感器电容值，电容连续切换范围达34.1—46.6pF，采集设备显示电容值变化连续且稳定。试验台已在某型号飞机燃油系统与航电系统交联试验中得到充分验证，支持了多个版本燃油电子系统和航电系统的试验室试验。

一、飞机燃油电子系统的作用与试验挑战

1.1 燃油电子系统的核心功能

燃油系统是飞机的核心子系统之一，承担着存储燃油并向发动机可靠供油的重要功能。根据适航规章要求，飞机燃油系统需完成四大核心任务：存储飞行任务所需的全部燃油（含紧急复飞和着陆后的备用燃油）、在各飞行姿态和工况下可靠供油、作为冷却介质为机上设备提供热管理、以及精确测量和显示燃油量以保障飞行安全。

燃油电子系统（Fuel Electronic System）作为燃油系统的关键组成部分，其核心功能涵盖燃油量测量与管理、燃油泵和阀门的控制与状态监控、油温监测与告警、燃油系统状态显示以及故障记录等。在现代民用飞机中，燃油电子系统通过ARINC 429、CAN总线等航空数据总线与航电系统实现数据交联，将燃油量、油温、系统状态等信息实时传输至驾驶舱显示系统，同时接收航电系统下发的控制指令。国际航空无线电委员会制定的ARINC 611-1标准明确规定了商用飞机燃油量测量系统的精度和可靠性指标，对燃油量系统组件和设计技术提出了系统性的指导要求。

燃油电子系统的功能可靠性直接关系到飞机的飞行安全和性能。以燃油量测量为例，电容式油量传感器通过测量燃油与空气介电常数差异引起的电容变化来计算油量，其测量精度受传感器特性、激励信号品质、信号处理算法等多因素影响。国内飞机燃油测量采用的传感器大部分是电容式油位传感器，需要测试设备发出正弦激励信号才能正常工作，测量精度受到正弦激励信号幅值大小的限制。这些技术特性决定了燃油电子系统在装机前必须经过充分的集成验证试验。

1.2 传统试验方法的困境与挑战

在民用飞机研制过程中，航电系统试验因其与其他系统的交联程度大、复杂性高而备受关注。传统的燃油电子系统试验方法在燃油电子系统与航电系统及其他电子系统的交联验证中，逐渐暴露出以下突出问题：

第一，交联验证效率低下。传统试验方法通常采用分散的、单点测试的方式，各子系统之间的接口验证需要人工逐一配置和切换，试验准备时间长、效率低，难以满足现代飞机多系统并行研制的进度要求。

第二，试验场景覆盖不全面。燃油电子系统在实际飞行中面临从地面滑行、起飞、爬升、巡航、下降到进近着陆的全飞行包线工况，传统的静态测试方法难以模拟燃油量动态变化、传感器连续输出等真实工况，导致试验覆盖率不足。

第三，动态仿真能力缺失。传统方法无法开展燃油量动态仿真及显示功能测试，难以验证燃油电子系统在燃油消耗、重心变化等动态过程中的响应特性。电容式油量传感器的输出电容值随油量连续变化，其二进制编码切换过程中可能产生中间态，导致实际电容值突变，这一问题在传统试验中难以被有效发现。

第四，信号类型的多样性带来集成难题。燃油电子系统涉及ARINC 429、离散量、模拟量、RS422和CAN总线等多种信号类型，不同信号之间的电气特性差异大，传统试验台在信号汇接和切换过程中容易破坏原有电气特性，影响测试结果的准确性。

已有工程实践表明，现代飞机燃油系统的半实物仿真涉及各种压力传感器和流量传感器信号的采集、控制算法的实时运行、多子系统的协同仿真控制以及与转台系统等伙伴系统的协同，对试验平台提出了极高的集成化要求。因此，设计一套高度集成化、模块化的燃油电子系统试验台，成为解决上述试验困境的关键路径。

1.3 国内外技术研究现状

在国内外学术界和工程界，围绕燃油系统半实物仿真试验技术已开展了一系列研究工作。在燃油系统半实物仿真方面，已有研究建立了涡扇发动机气动热力学模型和综合电子调节器、主燃油泵调节器的实验室工作环境，该半实物仿真试验系统能有效对该型发动机燃油进行静态和动态控制。在燃油附件试验方面，围绕运转试验、调整试验、寿命摸底试验等典型验证需求，多系统集成的燃油附件试验台总体方案已得到系统研究，形成了一套适用于批产化项目的试验台设计与选型方法。

在电容式油量传感器仿真方面，有研究利用Pspice进行电路仿真，通过改变电容器值模拟燃油量变化情况。也有研究采用电容式油量传感器、DAQ板卡和LabVIEW软件构建燃油量测量系统，通过滤波器提升测量精度。

总体而言，现有研究在单一功能验证方面取得了较多成果，但在面向全机电子集成的多系统交联验证平台方面仍有较大提升空间。湖南泰德航空基于十余年航空流体控制领域的技术积累，在燃油泵试验台、燃油供油系统、燃油喷嘴试验台等方面形成了系统性的工程能力。公司研制的燃油泵试验台填补了国内民航维修领域的关键设备空白，其测试数据可直接对接国产大飞机燃油系统的适航认证体系。在此基础上，本文将模块化设计理念和智能化测试技术进一步拓展至燃油电子系统集成验证领域。

二、集成化燃油电子系统试验台架构设计

2.1 总体架构设计

集成化燃油电子系统试验台以配线设备为核心枢纽，从全机电子集成的角度出发，整合了人机交互模块、试验网络模块、仿真系统模块、数据采集模块、信号汇接模块及激励模块等多个功能模块，构建了一个高度模块化和集成化的测试平台。试验台的整体架构遵循“硬件模块化、软件层次化、接口标准化”的设计原则，可根据不同试验需求灵活构建被测真件与仿真激励之间的切换构型。

试验台支持两种核心试验模式：当配线系统切换至航电系统仿真时，开展燃油电子系统集成试验，验证燃油电子系统的接口和功能是否符合设计要求；当配线系统切换至航电系统真件时，开展燃油系统与航电系统交联试验，验证燃油系统与交联系统的接口以及共同实现的功能是否达到预定的设计要求。这种灵活的构型切换能力，使试验台能够覆盖从子系统级到系统级的多层次试验需求。

试验台采用标准19英寸机柜式结构设计，各功能模块以插入式硬铝型材箱体形式集成，便于安装、维护和功能扩展。

2.2 通用硬件系统

2.2.1 配线系统

配线系统是试验台实现灵活测试的核心枢纽，通过智能控制和可靠设计满足燃油电子系统集成试验台的多样化测试需求。其支持的信号类型包括ARINC 429、离散量、模拟量、RS422和CAN总线，确保系统在不同测试场景中的兼容性和适用性。

配线系统通过上位机软件实现智能化控制，采用三路可选的控制方式，可远程配置信号并切换真件和仿真件。信号切换采用继电器实现，避免破坏原有电气特性。系统初始状态为断开，提供真件接入、仿真接入和断开三种状态，确保试验过程的安全可控。

配线箱支持2线切换，具备3个双刀双掷或6个单刀单掷继电器。供电为交流220V市电，前面板配备状态指示灯和电源开关，后面板包括220V插座、接地柱、网口和多种接口。箱体采用插入式硬铝型材，表面经喷砂打磨氧化处理，具备良好的电磁屏蔽性能和机械强度。指示灯清晰显示信号状态，绿色表示真件接入，蓝色表示仿真件接入，红色为全开状态。设计充分考虑电气安全和抗干扰能力，确保在复杂电磁环境下的信号完整性和操作安全性。

2.2.2 断路测试面板

断路测试面板主要实现对内部仿真板卡发出的信号与外部信号的汇接，同时提供对ARINC 429、模拟量和离散量等信号的断路测试与故障注入能力。通过标准化的机械结构和便捷的接口设计，高效实现了信号的断路测试与故障注入功能。

断路测试面板采用标准的19英寸机箱结构，总高度为9U，便于安装于19英寸机架中。面板采用香蕉端子模块和桥接器，以实现信号的断路测试和故障注入。香蕉端子的间距小于12毫米，桥接器用于测试电路的通断控制，双排香蕉插头插针直径为2mm，确保了良好的接触可靠性。

每一路信号的断开设计（如A1-B1为一路）采用了左右分离的接入方式，其中左侧接入配线设备，右侧接入系统设备（如LRU、航电接口、物理设备）。在安装状态下，前测试面板的香蕉端子处于信号输入和输出短接状态，配线设备的信号直接连接至真件的输入端，而香蕉端子上的测试孔则处于三通状态，便于完成信号的旁路测试。这种设计使操作人员可以在不中断信号链路的情况下，便捷地完成信号的断路测试与故障注入操作。断路测试面板上的香蕉座进行了清晰的通道标识，并明确标示了信号的输入输出方向，便于操作和维护。

2.2.3 对外接口面板

为了便于试验台与外部设备连接，对外接口均部署于试验台对外接口面板上。对外接口面板上安装RJ45连接器、D38999连接器和EDAC120连接器。以太网信号和试验网络信号传输采用超五类以太网线，面板上两端均为RJ45接插件进行直连。ARINC 429、离散量和模拟量信号以EDAC连接器形式汇接，D38999连接器则用于高可靠性信号传输场景。标准化的接口设计确保了试验台与航电系统真件、各类LRU设备之间的即插即用连接。信号汇接箱背后配备了多种标准接口，包括EDAC120、DB9、DB25和RJ45，确保系统与外部设备的良好连接。

2.2.4 电源管理模块

电源管理模块由电源总控设备、28V电源和配电设备组成，为试验台各功能模块和试验件提供安全、稳定的供电保障。

电源总控箱主要用于测试设备总电源的配置管理，可以提高测试设备的自动化测试程度，保障测试过程的用电安全，控制220V市电总供电的接通和断开。采用漏电保护器，实现过流、短路、断路保护功能；发生异常情况时具备声光报警功能，确保试验过程的安全可靠。

28V电源为试验件提供28V供电。直流电源通过配电箱分配出10路28V直流供电，支持远程通讯，可以通过人机交互界面控制，显示电压和电流等信息，方便试验人员实时掌握供电状态。

配电设备主要用于分配28V直流电源管理，可以输出一共10路28V供电，每路28V供电均可通过按钮开关单独控制。同时可通过电源选择旋钮，选择内部28V电源或者外部28V电源，满足不同试验场景下的供电需求。

2.3 系统软件

系统软件采用C/S（Client/Server）架构设计，分别运行于上位机与下位机中。其中上位机软件为用户操作提供人机界面，运行各种应用软件和功能；下位机分为两部分，一部分作为接口服务，主要实现模型服务和自动化测试服务等功能；另一部分直接与硬件板卡进行交互，实现硬件驱动功能。软件根据层级由低到高的顺序，依次为硬件驱动层、接口服务层和人机交互层。

2.3.1 硬件驱动层

硬件驱动层是最底层，直接与硬件进行交互，运行于PXI工控机。软件通过对各类硬件板卡（模拟量输入/输出板卡、数字量输入/输出板卡、CAN通信卡、RS-422通信卡、ARINC 429通信卡和反射内存卡等）的驱动API进行配置和调用，完成对硬件板卡的配置、控制和数据访问等操作，从而实现硬件驱动服务功能。该层为上层软件提供了统一的硬件抽象接口，屏蔽了不同板卡之间的差异，便于系统的扩展和维护。采用PXI总线的硬件架构，具备快速的数据传输能力、灵活性高、兼容性好、开放式构架等优势。

2.3.2 接口服务层

中间层为接口服务层，运行于服务器中。服务器具有较高的运算性能，可以运行仿真模型，因此要求软件具有模型接口功能，即实现仿真模型的加载、运行和控制，同时将模型接口与硬件接口进行数据链接。该层是实现硬件在环仿真的关键环节，PXI工控机与服务器之间通过反射内存数据接口实现硬件数据通道与仿真模型之间的高带宽、低时延数据通信。反射内存网络通过光纤将多台计算机连接成一个实时数据共享网络，可实现微秒级的确定性数据传输，满足飞行仿真的实时性要求。

2.3.3 人机交互层

最高层为人机交互层，运行于上位机中。人机交互层为用户提供友好的图形化操作界面，实现数据监控、激励管理、构型管理和自动化测试等各项试验功能。通过人机交互界面，试验人员可以实时监控试验过程中的各类信号参数，灵活配置激励信号，一键切换试验构型。上位机与两个下位机之间通过以太网数据接口实现数据与指令的传输，满足灵活的通信需求。软件支持测试用例、测试脚本以及测试报告的自动生成，显著提高了试验效率。

三、传感器与飞行仿真系统设计

3.1 燃油油量传感器仿真

3.1.1 电容切换电路设计

燃油油量传感器仿真的核心是连续变化的电容值输出电路。试验电路选用23pF电容作为初始电容值，电容阵列选用0.1、0.5、1、2、4、8、16、22pF电容组成测试阵列，可实现23—76.6pF的连续切换。试验电路直接采用8位并行输出ADC芯片进行指令编码，输入模拟量指令最大范围0—2V，编码为8位输出，实现8位同步切换。

3.1.2 中间态问题与解决方案

工程应用时，由于二进制编码的变化会导致不同位之间的同步切入和切出。如序列00—01—10—11，01切换至10的过程中，会遇到中间态，有两种可能的中间态——01—00—10或01—11—10——会导致过程中实际电容值的突变。这是电容仿真电路设计中的关键技术难题。

针对这一问题，试验台采用了以下技术方案：电容切换选用ADC芯片进行二进制位的同步切换，ADC输出延时控制在不大于12ns（试验选用ADC08060）。选用继电器切换电容，动作时间不大于3ms。电容模拟电路中，电容中间态的存在时间控制在4ms以内。由于涉及多系统的联合，中间态的影响需要通过试验来确认。该技术方案有效解决了电容模拟电路中二进制编码切换过程中的瞬态电容值突变问题，保证了燃油量仿真信号的连续性和稳定性。

3.1.3 仿真系统联动架构

在仿真系统整体架构中，飞行仿真中的发动机模型接收真实机载设备TCQ油门控制信号，质量及燃油模型接收发动机模型的油耗信号，输出油箱油量以及飞机的重心位置给燃油油量传感器仿真，油量传感器仿真连续变化的油量电容值输出给燃油电子设备，经燃油电子设备内部软件计算后输出燃油值给航电系统。这一链路完整模拟了从飞行状态到燃油量显示的完整信息流，实现了燃油电子系统在全飞行包线内的动态验证。

3.2 飞行仿真

飞行仿真采用MATLAB/Simulink进行建模，依赖飞行仿真模型库，采用模块化建模方法，可以灵活依据用户需求进行逻辑和功能建模。Simulink作为工程应用上广泛应用的仿真环境，与许多实时系统都有接口，能够很好地实现系统的半实物仿真。飞行仿真模型主要提供六自由度运动模型、空气动力学模型、发动机模型、质量系统及燃油系统模型，具体内容如下：

（1）六自由度飞行仿真模型，实现地面滑行、起飞、爬升、巡航、下降、进近和着陆阶段的飞行模拟，提供全飞行包线内的飞行状态参数输出。

（2）空气动力学模型包括气动力计算模块和气动力矩计算模块，用于模拟飞机所受气动力和气动力矩在本体坐标系上的投影，确保飞行仿真的气动特性真实可信。

（3）发动机模型提供通用模型，用于发动机推力、燃油消耗率、排气温度等的模拟，可根据不同型号发动机进行参数配置。

（4）质量系统及燃油系统模型包括质量模块、燃油消耗模块和燃油分配计算模块，用于计算飞机质量、重心、惯量指标，及燃油消耗和各油箱燃油分布，为燃油量传感器仿真提供油箱油量和重心位置的实时输入。

通过反射内存网络，仿真模型与PXI硬件平台之间实现确定性数据交换，保证仿真的实时性和同步性。

四、燃油量动态仿真与显示功能测试

4.1 测试方案

通过配线系统切换至航电系统真件时，开展燃油系统和航电系统交联试验燃油量动态显示功能测试。通过人机交互界面给油量传感器仿真即电容切换电路输入循环的0.35—0.75V和0.75—0.35V指令，达到二进制位中间范围的连续快速切换。

4.2 测试结果

电容切换电路输出电容值传递给燃油电子系统真件，通过采集系统存储燃油电子系统真件发出的电容值。测试结果显示，燃油量电容值随时间变化，电容的连续切换范围预计34.1—46.6pF，采集设备显示电容值变化连续且稳定，未出现跳变值，验证了电容切换电路满足试验需求。

4.3 工程应用验证

此燃油电子系统集成试验台在某型号飞机燃油系统与航电系统交联试验中得到了充分的实施，支持了多个版本燃油电子系统和航电系统的试验室试验。实际试验室试验中，根据设计输入编写测试程序，重点测试的功能包括：燃油系统泵、阀、油路状态简图页显示功能；油量油温数据及状态指示（包括低油量、油温告警）功能；飞行机组告警功能；故障状态记录功能；系统参数记录和构型数据记录功能等，判断试验结果是否与预期一致。试验台以更高效的方法和更低的成本提前排除了大量问题，为电子设备的装机进行了大量的前期准备和预演，缩短了机上测试的时间，提高了试飞试验的安全性。

五、试验台优势总结与应用展望

5.1 试验台核心优势

模块化与集成化设计。试验台采用模块化架构，整合了人机交互、试验网络、燃油系统传感器仿真、电源管理、信号采集与激励、配线系统等核心功能模块。各模块通过标准化接口互联，可根据不同试验需求灵活组合和扩展，显著降低了试验台的维护成本和升级难度。

灵活的构型切换能力。以配线设备为枢纽，试验台可灵活构建被测真件与仿真激励之间的切换构型。通过上位机软件远程配置信号，实现真件接入、仿真接入和断开三种状态的智能切换，满足从燃油电子系统集成验证到燃油系统与航电系统交联试验的多样化场景需求。

高精度动态仿真能力。通过电容阵列仿真电路和飞行仿真模型的协同工作，试验台能够连续仿真油量传感器电容值，实现从飞行状态到燃油量显示的完整信息流模拟。ADC同步切换技术将电容切换延时控制在12ns以内，有效解决了二进制编码切换中的中间态问题。

自动化测试能力。软件平台支持测试用例、测试脚本以及测试报告的自动生成，大幅提高了试验效率，减少了人工操作带来的误差和不确定性。

全机电子集成支持。试验台能够通过试验网络与其他电子试验台进行交互，支持全机电子集成试验。通过试验件互联、试验设备互联及试验接地技术，可将不同的综合试验台连接起来，形成全机级集成验证试验平台架构。

5.2 应用场景分析

燃油电子系统集成验证试验。当配线系统切换至航电系统仿真时，试验台可对燃油电子系统进行全面的功能验证和接口测试，确认燃油电子系统在各种工况下的功能和性能是否满足设计要求。

燃油系统与航电系统交联试验。当配线系统切换至航电系统真件时，试验台可验证燃油系统与航电系统之间的接口兼容性和功能协调性，包括燃油量显示、告警功能、故障记录等交联功能的验证。

全机电子集成试验。试验台通过试验网络与其他电子试验台互联，支持全机级电子集成验证，在试验室环境中实现多系统联动的综合验证。

面向eVTOL等新型飞行器的拓展应用。随着eVTOL等新型飞行器的快速发展，其燃油系统（或混合动力系统中的燃油增程系统）的试验验证需求日益增长。湖南泰德航空在eVTOL飞行器燃油系统、润滑系统和冷却系统方面已有深入布局，试验台的模块化架构和灵活的仿真能力，可快速适配新型飞行器的试验需求。

适航验证支持。试验台的设计充分考虑ARINC 611-1等适航标准的要求，能够为燃油电子系统的适航符合性验证提供完整的试验数据和报告支持，加速型号适航取证进程。

本文在充分分析燃油电子系统集成验证试验需求的基础上，设计了集成化燃油电子系统试验台，完成了燃油系统与航电系统交联试验，保障了电子设备的装机试飞。该试验台以配线设备为枢纽，灵活构建被测真件与激励模块切换的试验构型，具备自动化测试功能，支持测试用例、测试脚本以及测试报告的自动生成，提高了试验效率。试验台能够通过试验网络与其他电子试验台进行交互，支持全机电子集成试验，将燃油系统电子设备在试验室得到更充分的验证，从而降低型号研制成本与风险。未来，试验台将进一步扩展对eVTOL及混合动力飞行器燃油系统的试验支持能力，深化与航电系统、飞控系统等全机级集成验证平台的互联互通，为中国航空工业的自主可控和高质量发展提供坚实的技术支撑。

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