航空波段接收机故障诊断系统设计

实验题目：航空波段接收机故障诊断系统设计

课程简要信息

课程名称：机载电子设备故障诊断模块设计S

课程学时：课内48学时（理论16、实践32），课外48学时

适用专业：电子信息工程、通信工程

学生年级：本科三年级、第二学期

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

为保障民航飞机的安全运行及可靠维护，飞机机载电子设备具有BIT（机内测试）故障检测功能。本项目针对飞机VHF（甚高频）通信接收机或其它硬件接收机，设计具有接收、检测、诊断、控制与显示等功能于一体的接收机，培养学生按照CDIO（构思、设计、实现、运作）工程教育要求分组协作完成工程项目的能力。

1. 以飞机航空波段接收机为对象，设计一个能够接收频率范围在87.0～135.0MHz的航空波段接收机；

2. 设计接收机检测点，在工作电源、功放、电压信号输入、信号输出、频率等模块中任选3个检测点，计算/仿真分析故障点正常/故障时信号特征；

3. 设计检测电路，根据检测点信号特征，采用适合的器件和算法采集检测点信号，诊断接收机正常/故障2种状态；

4. 整合接收机、检测电路，采用STM32/AVR微处理器、AD转换和频率测量等芯片实现检测点电压、电流、频率信号的采集，编写采集程序；

5. 使用串口/USB接口电路，编写与上位机间的接口通讯程序，实现检测数据的上传，通讯协议仿真航空ARINC429标准；

6. 设计上位机界面和通讯接口程序，接收下位机上传的数据，设计故障诊断算法，诊断检测点的工作状态。

实验过程及要求（限300字）

1. 学生自主分组组队，每组4名人员，确定1名组长，明确各自分工，协作完成；

2. 设计方案，根据实验要求，查找资料，构思比较各模块实现方法，分析确定接收机、检测点、处理器、检测电路、电源、接口电路、采集程序、上位机界面等功能模块最优方案，完成设计方案文档；

3. 制定分工计划，按照设计方案，4名人员确认各自分工、阶段任务、完成时间等，形成分工计划表；

4. 电路设计，使用Multisim、Protues、Altium Designer等软件仿真电路功能，确定元器件参数，完成电路原理图设计，可以辅助Keil软件完成部分程序仿真设计；

5. 设计PCB，考虑电磁干扰，高频部分抗干扰等事项，在预算额度里自主采购元器件，完成元器件焊接；

6. 系统调试，按模块调试电路，设计BIT算法，编写下位机和上位机程序，整体联调，记录过程中的问题及解决方法，完成实验功能；

7. 完成实验报告及答辩，测试系统，记录实验数据，撰写总结报告，参加验收演示及答辩。

相关知识及背景（限150字）

飞机机载电子设备的BIT功能对保障民航飞机的安全运行及可靠维护至关重要。本项目以CDIO工程理念为指引，综合运用单片机、高频、数字和模拟电子技术仿真飞机BIT测试的设计案例，需要综合运用单片机电路设计、编程、高频接收机、传感器及检测、信号处理、模数转换、通讯接口等相关知识与技术方法。并涉及电路设计软件、单片机程序、上位机程序、串口/USB接口协议、ARINC429标准等工程概念与方法。

实验环境条件

本项目依托天津市航空电子电气实验教学示范中心，在CDIO工作坊完成实作，实验室提供多套图形工作站、示波器、电源、信号发生器、数字万用表、电烙铁、工作台、常用元器件及工具，具有Multisim、Protues、Altium Designer、Keil、Visual Studio、LabVIEW、Matlab等多种工程软件。

教学目标与目的（限150字）

1. 熟练运用相关知识，将其理论和方法应用到专业实践项目中（知识，能力）

2. 根据实际需求，准确获取并分析数据、确定工程问题的解决方案，并对方案可行性进行研究和评价。（能力）

3. 能够在团队中做出积极贡献、承担团队角色（能力，素质）

4. 能运用专业术语进行写作和口头交流（素质）

5. 具有自主学习的意识，了解拓展知识和能力的途径（素质）

教学设计与实施进程

本实验项目遵循CDIO工程项目教学要求，完成一套具有BIE测试功能的接收机，项目全程以学生为主，老师辅助指导，经历自主组队、学习研究、方案论证、电路仿真设计、PCB电路制作、电路系统调试、检测算法设计、程序编写、整体联调、项目总结等过程。在实验教学中，重点在以下几个方面加强对学生的引导：

1. 任务布置：教师下发实验任务，说明项目内容、分组要求、成果形式、考核方法和项目报告要求等，讲解接收机、检测点、检测电路及算法、通讯接口、上位机界面等内容的重难点，介绍常用仿真软件、工具的使用。

2. 学生分组：学生根据实验任务，结合各自专长和兴趣，自主组队，每组4名学生，自行协商确定1名组长，讨论确定各自分工，每人任务要明确，工作量饱和，并制定分工计划表，作为答辩时个人完成任务情况的考核对照。

3. 方案设计：学生按照分工，查找资料，分工协作，分析讨论接收机、检测点、处理器、检测电路、电源、接口电路、采集程序、上位机界面等功能模块的实现方法，比较各种方法的优缺点，确定适合本项目的最优方案，完成项目设计文档；在这过程中，教师通过每周见面和微信，解答学生的疑惑，引导学生对多种实现方法进行对比分析，强化理论计算和仿真，细化系统参数和设计方案。

4. 方案检查：学生提交项目设计方案，教师检查方案，评估方案内容是否满足实验要求，能否完成项目规定任务，反馈方案修改意见以及是否同意开展后续工作。

5. 电路设计及制作：学生设计方案定稿后，使用Multisim、Protues、Altium Designer等软件分模块仿真电路功能，辅助Keil软件完成部分检测算法和程序仿真设计，确定元器件参数，元器件采购，完成整体原理图设计，PCB制作、外加工及焊接；教师解答学生仿真软件使用过程中的问题，指导学生注意电路设计时注意不同元器件工作电压、电源稳定性、高频抗干扰、AD芯片精度、数字地与模拟地连接、电磁干扰等问题，引导学生遵循高频电路布线规范。

6. 程序编写：学生按照分工，在电路设计及制作期间，编写检测和BIT算法及下位机程序，使用Visual Studio、LabVIEW或Matlab等软件实现上位机界面功能，同时，小组成员间相互协作，确定上位机与下位机间数据格式、通讯接口等内容；教师指导学生多沟通、明确各自任务间的联系、合理设计上位机程序结构、界面要简洁明了，解答学生程序编写过程中的问题。

7. 系统调试：学生按模块调试，分别测试接收机、检测、电源、发送、上位机界面等模块功能，各部分功能完好后再整体联调，记录过程中的问题及解决方法；教师指导学生分步调试，引导学生使用常用的调试技巧、观察故障现象、对照理论分析现象、分段排查可能的原因、定位解决问题。

8. 答辩验收：项目调试完成后，学生设计提交项目测试方案，列明项目测试条件、测试工具、测试参数、测试步骤等，并提交项目总结报告、成本核算表和小组成员自评打分表，参加答辩验收；教师按照测试方案，要求学生现场验收功能，测试各项指标，并根据小组分工表，提问每位学生，考察每人实际工作情况及完成程度。组织学生观摩各小组的项目成果，交流演示，旁听答辩，了解不同实现方案及其特点，拓宽学生知识面。

9. 考核打分：教师检查项目总结报告的完整性，包括设计方案、仿真实现、测试结果、问题解决方法等内容，最终根据学生现场答辩验收情况、自评打分、成员任务难度及贡献值、总结报告等内容综合打分。

在设计中，教师要注意学生设计的规范性，引导学生模块化设计；理清各模块的接口关系，通讯接口方式及内容；在调试中，要注意电源品质、抗干扰对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要观察故障现象、理论分析现象、分段排查可能的原因。

实验原理及方案

1. 系统结构

本项目具有多种实现方案，此处介绍其中一种方案。

图1 系统结构图

高频接收机故障诊断系统总体结构如图1所示，包括直流电源、调频接收机、信号检测、信号转换、控制器、通讯接口和数据显示。直流电源为下位机系统提供稳定可靠d额直流电源；调频接收机作为故障诊断对象，能接收87-108MHz范围里的调频广播，可以工作电源、功放、电压信号输入、信号输出、频率等检测点；信号检测采用各类型传感器采集检测点的电源、电流、频率等信号，为故障诊断提供数据；信号转换将模拟信号转换成数字信号后送给控制器；控制器存储检测点正常工作的数据，控制采样周期，处理采样信号，分析系统工作情况，诊断系统故障类型；通讯接口把控制器诊断出的故障类型发送给数据显示模块；数据显示模块接收诊断数据，显示故障类型并给出警告提示。

2. 实现方案

图2 系统原理图

①调频接收机

调频收音机由输入电路（调谐电路）接收无线电信号，送给变频级中的混频电路。混频将输入电路送来的已调幅调信号变为中频调幅信号，而所携带的信号是不变的，即调幅信号的频率变为中频，但其幅值变化规律不改变。不管输入的高频信号的频率如何，混频后的频率是固定的。中放将中频调幅信号放大到检波器所要求的大小。由检波器将中频调幅信号所携带的音频信号取下来，送给前置低放。前置低放将检波出来的音频信号进行电压放大。再由功放将音频信号放大，放大到其功率能够推动扬声器或耳机的水平，扬声器或耳机将音频信号转变为声音。

②故障检测

在故障检测电路模块中，设置了五个检测点，分别是收音机电流检测，电池电压检测、功放电源检测、MCU检测和功放芯片检测。

发生故障时，下位机发现故障，并通过判断检测点的位置检测出是何种故障，将这一情况反映给上位机，后上位机显示出故障类型。

在电路中加入拨码开关，模拟电源断开，本振断开，高频小信号放大器断开等故障，并计划通过分频电路测量本振频率去判断收音机是否工作正常。在焊接了分频电路测试板后接入信号源测试得分频电路可行，也可以通过电压的变化来判断收音机是否故障。

通过判断电池电压检测电池电压故障。当电池电压在3.5v到4.2V之间认为是正常，在这个范围外故障。TDA2822功放芯片的电压低于1.8v为不正常，认为出现功放电源故障。

收音机电流检测是通过在电路中串联一个10欧姆的电阻，然后测量两侧电压，计算得到电流。经过实际测试得电流在10ma-50ma为正常范围，超出此范围，收音机电路可能发生短路或烧毁的故障，当电流低于10ma时，收音机电路可能发生断路故障，因此可通过电流检测判断收音机电路发生故障。

检测功放芯片和下位机采用了环绕bit技术，是利用自动测试系统的硬件资源和附加少量电路构成信号回路，实现对系统的自检。另外，在设定好的测试点对输出信号回采，判断其工作状态，形成回路测试，例如，在功放芯片前输入1K赫兹的方波信号，在功放输出点检测输出信号的幅值和频率。若功放输出位置检测到幅值大于1V,频率为1K赫兹，则代表功放芯片没有出现故障问题，反之，则代表功放芯片出现故障。

单片机输出测试信号，将信号输入到被测电路，检测被测电路输出状态，与正常情况下的输出电路状态进行比较，从而实现环绕bit技术。在使用期间，处理器输出从数字信号变为模拟信号，输入从模拟信号变成数字信号，当bit启动时，模拟输出被连接到模拟输入，从而使单片机对信号进行检验，实现项目中bit技术。

在进行故障测试时，各个测量点均进行多次的测量的方法，减少虚警。此外，下位机的故障检测也采用环绕BIT技术。当上位机点击按键后会向下位机发送测试指令，正常情况下上位机会收到下位机发出的指定数据，如果上位机收不到或接受数据错误则认为下位机故障。

3. 实现方案

实验报告要求

需要学生在报告中反应以下工作：

1. 项目设计方案：

明确项目的详细方案，可以量化的各分系统或部件的技术、质量指标要求，对子系统或部件的计划进度要求，以及程序设计框图、电路图等，符合技术文件书写方案。

2. 分工计划表：

明确小组成员任务分工，任务完成的要求，任务进度计划表等。

3. 项目验收测试方案：

对应项目设计方案中的主要技术指标和质量指标确定验收实验设计，指定测试参数、对应的相关指标要求和影响因素分析；验收实验设计包括测试条目、测试仪器仪表、测试数据量和测试步骤等；验收后的数据分析及结论。

4. 项目总结报告：

从产品、过程和系统的CDIO全生命周期交出处出发，对项目成果进行对比分析、总结项目目标的完成度。对项目计划的进度、人力、资源、成本等方面进行项目风险的复盘分析，总结项目的重要成果、成功经验和失败教训等。

5. 自评打分表：

各成员根据所承担的任务和实施过程，分析个人贡献率并给出自评分值。

6. 成本核算表：

对项目的经费使用情况进行分析总结。

考核要求与方法（限300字）

为全面、客观的评价学生的学习成果，本课程采取基于过程评价的考核方式：

项目特色或创新（可空缺，限150字）

1. 工程性：项目以民航飞机机载电子设备故障诊断功能为对象，以CIDO工程教育理念为指引；

2. 综合性：项目需要综合运用电子技术、单片机、软件编程等相关知识；

3. 多样性：接收机、检查点、故障诊断方法、控制器、通讯、显示等功能模块都具有多种实现方式。

佐证材料

原理图

PCB图

测试数据

实物成果