基于數字控制器的燃油測量系統設計與實現

張曉敏　孫保良

摘 要： 燃油測量是保證飛機燃油系統正常、準確運行的一個關鍵環節，燃油測量系統的測量精度、可靠性和維護性對飛機的整體性能有著重要的影響。隨著微電子技術發展，燃油測量系統數字化趨勢明顯，使其在故障分析和測試及故障隔離重構等技術上有了發展的空間。設計了基于機載數字控制器的燃油測量系統，經過實踐驗證，該測量系統具有工作可靠、測試準確等優點。

關鍵詞： 數字控制器； 燃油測量； 傳感器； 故障分析

中圖分類號： TN06?34； TP216 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）11?0129?03

Abstract： Fuel measurement is an important step to ensure the fuel system of airplane to run formally and precisely. Its measurement precision， reliability and maintainability have great influence on the performance of the whole airplane. The digital tendency of the fuel quantity measurement system is more and more obvious with the development of microelectronic technique. Therefore， there is a room to develop it in the technologies of fault analysis， testing and fault isolation and so on. A fuel measurement system based on airborne digital controller was designed. It is proved by many tests that the system has the advantages of working reliability and accurate measurement.

Keywords： digital controller； fuel quantity detection； sensor； fault analysis

0 引 言

燃油測量系統通過對傳感器輸出信號進行變換，處理傳感器所感受的油位、燃油介電常數為數字信號，進而在機載數字控制器上解算出油箱內油面的油位高低，同時根據油箱油位和油面姿態從質量特性數據庫中解算出燃油體積，再通過燃油密度傳感器實時解算油箱內燃油密度，最終測量出各油箱燃油質量（重量），從而實現高精度的油量測量。其系統框圖如圖1所示。

燃油測量系統的CIM（電容接口模塊）采用UCP機箱的專用標準，總線采用RS 422A標準設計，通過RS 422A通信協議和燃油UCP機箱總線接口模塊（BIM）交換數據。燃油測量系統接收傳感器數據以及航姿信號，在傳感器處理專用模塊轉換信號，在機載數字控制器中對油位介電常數處理模塊以及密度溫度等測量模塊進行邏輯和時序控制、故障診斷等，并結合航姿信號等數據計算油量。一個基于機載數字控制器的燃油測量平臺需要實現如下功能：

（1） 測量飛機各油箱的燃油油量、全機總油量；

（2） 測量飛機各油箱的燃油介電常數，用于修正油位高度測量誤差；

（3） 測量飛機油箱的燃油密度，用于修正燃油質量測量誤差；

（4） 測量飛機油箱的燃油溫度，用于供油箱、熱油箱溫度監控；

（5） 左、右機翼油箱組油量不平衡時，發出不平衡告警信號；

（6） 具有燃油異常消耗、燃油泄漏等危險狀態的判斷及告警功能；

（7） 系統具有機內自檢測（BIT）功能。

為實現上述功能，本文主要對傳感器信號處理模塊和機載數字控制器進行設計。

1 傳感器信號處理模塊設計

1.1 油位、介電常數處理模塊

油位、介電常數都屬于電容信號，為了能夠增強傳感器部件的可靠性，電容信號轉換采用數字電橋處理技術（數字式零位平衡技術）。它是一種交流平衡式測量技術，利用控制器控制下的數字器件完成平衡。數字電橋處理技術原理框圖如圖2所示。

1.2 溫度/密度傳感器信號處理模塊

溫度傳感器信號大多為PT100或PT1000的電阻信號，電阻信號轉換采用電阻電橋處理，原理框圖如圖3所示。

待測電阻為非平衡電阻電橋的一個橋臂，加入電壓基準后輸出壓差信號。數字控制單元控制A/D器件，將壓差信號轉換為數字量。密度傳感器為諧振式直接測量密度傳感器，主要通過頻率信號的變化來表示燃油密度的變化。故在本系統中將頻率周期信號經過調理、放大、濾波后形成周期方波，通過在一定時間內計算方波個數來得到密度數據。

2 機載數字控制器設計

飛機燃油測量系統將向高精度、高可靠性，智能化、綜合化方向發展，即需要具備較大的程序和數據存儲單元，提供系統海量數據處理和分析的能力；較高的工作頻率以適應實時測量環境和快速相應中斷的能力；較強的外部接口擴展能力，以適應不同的測量平臺應用以及在線檢測平臺；較強算法處理器單元，滿足燃油測量系統中日趨多樣的算法和數據要求；并且具有快速可更換和模塊自檢測的能力。

2.1 機載數字控制器組成

針對設計需求，機載數字控制器主要由CPU，FLASH，FPGA，CPLD，RS 232C串口驅動器、電平轉換驅動器、晶振和電源模塊等組成，如圖4所示。

DSP通過外部FLASH加載程序運行，通過將FPGA中的雙口RAM資源，譯碼器資源，UART通信模塊資源，控制邏輯資源等用不同的地址總線和DSP的內部命令一一映射，以實現D/A、A/D器件工作控制，電容通道選通，電橋檔位選擇，狀態監控讀入，BIT自檢測啟動命令等功能。

本機載數字控制器的通信采取了通過DMA（直接內存存取）方式進行通信接口傳輸數據，不需要依賴DSP的大量中斷資源，即DMA控制器將通信接口的輸入信息讀入內部解碼器解碼后存入內部存儲器、或將內部存儲器的數據寫入通信接口輸出給外部，只需要DSP進行DMA的傳輸初始化，便可以在FPGA中獨立完成數據的傳輸。由于FPGA內部RAM單元有較強的數據存貯能力，數據的傳輸更新可以做到盡可能不占用過多的程序周期，加強了數據傳輸的靈活性（可以增減UART的數量，獨立設置UART屬性），提高數字控制器對信號周期處理效率。

2.2 機載數字控制器功能

機載數字控制器原理框圖如圖5所示。主要包括A/D采集控制，D/A輸出控制，多路開關信號輸出控制及BIT電路控制和通信控制4個部分。

（1） A/D采集控制

A/D采樣控制在最新的燃油測量系統中主要用于電阻信號，主要是溫度傳感器的信號采集和密度傳感器電阻參數部分的信號采集。和以往的A/D采樣數據存儲在DSP的RAM中不同，該數字控制器A/D采集時通過FPGA內部編程設計的A/D采集控制器一次采集所有通道數據存入內部存儲器。此模式可以將DSP采集A/D的周期時間大大提高，不受限于其他處理任務。

（2） D/A輸出控制

D/A器件控制是數字電橋電路的核心部分之一，其關鍵技術是如何將D/A控制和D/A輸出穩定性和數字電橋的求和電路部分高效的結合起來。該機載控制器DAC輸出是由DSP寫數據到CPLD內部的鎖存器，鎖存器鎖存數據直接輸出到D/A器件。同時，數字電橋將DAC輸出的模擬信號加載到平衡電容上，不斷和傳感器電容激勵后的信號求和比較，直到平衡為止（參考圖2），以此和DSP算法模塊共同完成電容信號的采集計算。

（3） 多路開關信號輸出控制及BIT電路控制

由于數字電橋電路的特點，采集多通道的電容信號通常運用模擬開關進行通道切換，電阻采集同樣將電阻的信號通過模擬開關輸入到電橋中，這就需要通過DSP發出指令并控制指令周期，控制多路開關的工作狀態。從DSP中發出相應的指令，經過FPGA或者CPLD譯碼后，完成硬件電路的開斷切換，從而為系統BIT測試創造條件。

（4） 通信控制

由圖5可知，該機載數字控制器有4個獨立的收發接收器（UART）并全部集成在FPGA中，通過DSP向其FPGA內相應的雙口RAM寫數，解碼后通過2個DMA單元，交替發送當前數據，保證數據刷新的同時無需使用DSP的發送接收SCI中斷。詳細數據流程如圖6所示。

3 結 語

燃油密度可由密度傳感器直接測量，而燃油總體積算法復雜，需要將油位高度數據和介電常數補償結合起來，同時充分考慮燃油分倉處理、姿態數據、邊界條件等數據，基于機載數字控制器的燃油測量系統具有的強大通信和控制能力來實現高精度的燃油測量功能。機載數字控制器作為將來燃油測量系統的核心處理模塊，具備通用、快速調試、功能擴展、在線檢測等特點，從而實現燃油測量、控制、系統狀態監控、故障診斷隔離、功能重構等功能集于一體，大幅度提高了燃油系統的工作效能和飛機技術指標。

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