某型飛機發動機參數采集系統的硬件設計

張靜+彭剛鋒+劉冰+張琬珍

摘 要： 針對飛機發動機信號數量多、附屬系統越來越復雜，所要測量的參數及需要進行數據交聯的設備越來越多的特點，從硬件系統設計出發，設計了以DSP+ CPLD 的嵌入式參數采集系統。該系統電路結構簡單、集成度高、可靠性高、數據傳輸速度快，可用于滑油溫度、滑油壓力、燃油流量、發動機轉速、汽缸頭溫度和發電機溫度等數據的采集。

關鍵詞： 飛機發動機； DSP； CPLD； 參數采集

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）22?0067?03

Hardware design of data acquisition system for a certain aircraft engine

ZHANG Jing， PENG Gang?feng， LIU Bing， ZHANG Wai?zhen

（Xian Aeronautics Computing Technique Research Institute， AVIC， Xian 710119， China）

Abstract： According to the characteristics of too many engine signals， more and more complex affiliated systems， increasing parameters needing to be measured， and increasing equipments which need data interaction， an embedded data acquisition system based on DSP+CPLD was designed. This system has the advantages of simple circuit structure， high integration， high reliability and high data transmission speed. It can be used for data acquisition of lubrication oil temperature， lubrication oil pressure， fuel flow， engine rotational speed cylinder head temperature， engine temperature， etc.

Keyword： aircraft engine； DSP； CPLD； data acquisition

0 引 言

隨著航空技術的飛速發展 ，航空儀表中越來越多地使用嵌入式系統。航空發動機是飛機上的最重要部件之一， 它所需要測量的各項參數比較多，而這些參數數據對駕駛員來說是至關重要的，而且這些參數的精度和實時性要求也很高， 傳統的單片機已經無法滿足這些參數的采集和處理工作。本系統結合當前先進的數字信號處理器TMS320F2812，以DSP和CPLD的結構組成滿足實時性要求的參數采集系統[1?3]。

1 工作原理

發動機參數采集系統主要采集發動機的溫度、壓力、流量和轉速等狀態信息、接收燃油油量計算機的油量數據幀，對采集、接收到得信息進行解析和組包，通過RS 422 串口發送到外部。根據需求，發參采集系統由電源部分、數據采集處理（DSP）部分、溫度信號采集部分、壓力信號采集部分、流量信號采集部分、轉速信號采集部分、火警信號采集部分和串口通信部分等功能部分組成。發參采集系統由DSP 模塊和I/O 模塊組成，DSP 模塊負責電源轉換、信號采集和數據的傳輸，I/O 模塊負責溫度、壓力、轉速和流量等信號的調理[4?5]。發參采集系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2 硬件設計

2.1 處理器模塊

發參采集器DSP芯片選擇TI嵌入式DSP芯片產品TMS320F2812GHHS，外接512 KB的RAM存儲器，1 MB的FLASH存儲器。TMS320F2812GHHS處理器主頻可達150 MHz，低功耗，內核電壓1.8 V，I/O接口電壓3.3 V，片內FLASH編程電壓3.3 V，32位的高性能CPU，哈佛總線結構，工作溫度范圍-40～125 ℃，擁有3個32位的CPU定時器，兩個事件管理器等豐富資源。使用30 MHz的晶體作為DSP的時鐘輸入，經內部鎖相環倍頻到120 MHz作為DSP工作的時鐘；使用一片TPS70351電壓調整器為DSP提供3.3 V的I/O電壓和1.8 V的內核電壓，提供上電復位和電源監控復位2種復位方式[6]。

2.2 CPLD模塊

CPLD即復雜可編程邏輯器件，本設計選用Xilinx的XC95288XL實現發參采集器的控制邏輯。它具有288個宏單元， 最大I/O數為168個。含JTAG測試接口，具有可測性； 具有5 V和3.3 V在系統可編程（ISP）能力， 且達到最小1萬次編程/擦除次數； 所有信號都有相同的延時，而且與其路徑無關；驅動負載能力強，輸人/輸出口的負載電流可達[1]24 mA。

CPLD主要完成的控制功能有：實現串口芯片TL16C554的片選、譯碼及控制功能；實現ADS1258的選擇和控制功能；實現對轉速信號頻率量的濾波；實現對板上狀態指示用開關量的輸入/輸出控制。

2.3 電源轉換模塊

發參采集系統電源輸入范圍為18～32 V，經過電源轉換部分轉換成+15 V，+10 V，數字5 V和模擬5 V。

+15 V用于電壓參考芯片的供電，+10 V用于外部燃油流量傳感器的供電，數字5 V經過電壓調整器TPS70351轉換成3.3 V和1.8 V的電壓，用于DSP，CPLD，存儲器和光耦等的供電，模擬5 V用于A/D轉換芯片、運放等的供電。

2.4 信號調整模塊

本系統可采集的信號包括20路溫度信號、8路壓力信號、1路燃油流量信號、1路轉速信號、8路油位信號。

2.4.1 溫度信號處理

本系統采集熱電偶傳感器的信號，信號為幅值0～50 mV的電壓信號，為了對熱電偶進行冷端補償，在連接器上靠近冷端的位置焊接一個測溫二極管，測量熱電偶冷端的溫度，認為所有熱電偶冷端的溫度相同。

信號進入該系統后通過一個T型濾波電路后直接進入ADS1258進行測量；冷端測溫選用測溫二極管1N4148，二極管兩端壓降隨溫度變化而變化，二極管兩端壓降經濾波后接入運算放大器進行跟隨后進入ADS1258進行采集。

2.4.2 壓力信號處理

壓力傳感器有電壓型壓力傳感器和電流型壓力傳感器2種。對于電壓型壓力傳感器，發參采集系統向其提供+5 V的工作電壓，傳感器電壓信號進入發參采集系統經過一級跟隨和T型濾波電路后，進入ADS128進行采集，T型濾波選用1 kΩ的電阻、0.1 μF的電容；對于信號為4～20 mA的電流型壓力傳感器，信號進入后先經過流壓轉換電路，將信號轉成0.88～4.4 V的電壓信號，再經過一級儀用運放，進入ADS1258進行采集，儀用運放的增益選用默認。

2.4.3 燃油流量信號處理

燃油流量傳感器是一個有源傳感器，發參采集系統給其提供+10 V的工作電壓。傳感器的OC門信號進入發參采集器先進行上拉，然后功過一級光耦對信號進行整形，整形后經驅動器片后進入DSP的事件捕獲單元對頻率進行計數，完成對燃油流量數據的采集。上拉電阻和限流都選用1 kΩ的電阻，光耦前端加一反向的BAS32L二極管做保護。

2.4.4 轉速信號處理

發動機轉速的測量有使用磁電機信號、MT?20傳感器或1?9AX傳感器測量3種方式。

使用磁電機信號進行測量時，有左磁電機、右磁電機共兩路信號，其中右磁電機信號與MT?20傳感器、1?9AX傳感器復用管腳，左磁電機使用專用管腳，兩路磁電機信號硬件處理電路完全相同，軟件上對兩路信號同時采集，采集完成后進行容錯判斷，得出發動機的轉速。信號進入后首先對幅值進行衰減（在外部信號線上需要串聯一個47 kΩ的電阻進行分壓），然后將衰減后信號0電平以下的信號全部反向，0電平以上信號保持，并用二極管對電壓進行鉗位，對鉗位后1 V左右的電壓進行放大，放大后的信號通過一個光耦整形后進入CPLD進行濾波，濾波后的信號最后進入到DSP的捕獲單元進行計數，軟件中根據發動機轉動一圈磁電機打火三次的關系計算出發動機的轉速。

使用MT?20傳感器測量轉速的時候，信號進入發參采集器后經過RC濾波和運放（做過零比較器使用）后，通過一個光耦整形后進入DSP的捕獲單元進行計數，軟件中根據發動機轉動一圈產生149個正弦波的對應關系計算出發動機的轉速。使用1?9AX傳感器測量轉速信號時，信號進入發參采集器經過分壓和運放的跟隨后，經過光耦整形后進入DSP的捕獲單元進行計數，軟件中根據發動機轉動一圈產生1.5個脈沖信號的對應關系計算出發動機的轉速。轉速信號從同一管腳進入發動機參數采集器后，根據不同的轉速傳感器的類型，硬件上通過焊接不同的選通電阻來實現對處理電路選擇。軟件上根據外部兩路離散量K1，K2的狀態來選擇處理程序，完成對發參采集器轉速的采集。

2.4.5 油位測量信號處理

油位信號測量可以使用阻性油量傳感器和容性油量傳感器2種傳感器進行測量。使用阻性油量傳感器時，信號為0～18 V的單端電壓信號，信號進入發參采集器后先對電壓衰減到0～3.9 V，經過一級運放跟隨和RC濾波電路后，進入ADS1258進行采集使用容性油量傳感器時，信號特征為幅值5 V的方波信號，頻率范圍0～6 kHz，信號進入發參采集器后經過光耦和244芯片驅動后，進入到DSP的捕獲單元進行信號采集。

2.5 串口電路模塊

發參采集器共有6路串口，5路RS 422串口和1路RS 232串口。RS 422串口電路共5路，4路串口電路選用TI公司生產的4通道異步收發器集成芯片TL16C554和4個RS 422接口芯片MAX3490來實現。TL16C554采用3.3 V工作電壓，80引腳TQFP封裝，采用14.745 6 MHz晶振作為輸入時鐘。

MAX3490是一種全雙工的高速RS 422通信接口芯片，它通過抑制由長線引起的內部信號干擾來增加可靠通信的距離與速度，通信速度最高可以達到10 Mb/s，通信距離可達300 m。

第5路RS 422串口電路用F2812本身的SCIA接口（串行通信接口）和接口芯片MAX3490來實現。

1路RS 232調試接口采用SCIB接口和接口芯片MAX3232來實現。

3 結 論

本系統選用高速數字信號處理器件、采用模塊化設計理念，保證了系統實用性、、高精度、高可靠性、小型化且構架簡單、易于維護的要求。通過各項試驗表時，該發動機參數采集系統在實際使用中效果良好，已進行小批量的投產[7]。

參考文獻

[1] 陳亞萍，陳明.基于DSP和CPLD的液晶顯示控制器的設計[J].計算機測量與控制，2007，15（4）：482?484.

[2] 劉軼.基于多個數字信號處理器的航空發動機參數采集系統設計與實現[J].測控技術，2005，24（11）：17?20.

[3] 景德勝，蔣謝剛，呂明.通用飛機發動機參數采集顯示系統研究[J].硅谷，2012，6（10）：92?93.

[4] 劉鴻，李鵬.基于雙DSP的航空發動機參數采集系統設計與實現[J].科學技術與工程，2009，9（17）：4992?4996.

[5] 趙博輝.發動機參數采集器系統設計與研究[D].西安：西北工業大學，2004.

[6] 蘇濤.高性能DSP與高速實時信號處理[M].2版.西安：西安電子科技大學出版社，2002.

[7] 馬明建，周長城.數據采集與處理技術[M].西安：西安交通大學出版社，2001.

+15 V用于電壓參考芯片的供電，+10 V用于外部燃油流量傳感器的供電，數字5 V經過電壓調整器TPS70351轉換成3.3 V和1.8 V的電壓，用于DSP，CPLD，存儲器和光耦等的供電，模擬5 V用于A/D轉換芯片、運放等的供電。

2.4 信號調整模塊

本系統可采集的信號包括20路溫度信號、8路壓力信號、1路燃油流量信號、1路轉速信號、8路油位信號。

2.4.1 溫度信號處理

本系統采集熱電偶傳感器的信號，信號為幅值0～50 mV的電壓信號，為了對熱電偶進行冷端補償，在連接器上靠近冷端的位置焊接一個測溫二極管，測量熱電偶冷端的溫度，認為所有熱電偶冷端的溫度相同。

信號進入該系統后通過一個T型濾波電路后直接進入ADS1258進行測量；冷端測溫選用測溫二極管1N4148，二極管兩端壓降隨溫度變化而變化，二極管兩端壓降經濾波后接入運算放大器進行跟隨后進入ADS1258進行采集。

2.4.2 壓力信號處理

壓力傳感器有電壓型壓力傳感器和電流型壓力傳感器2種。對于電壓型壓力傳感器，發參采集系統向其提供+5 V的工作電壓，傳感器電壓信號進入發參采集系統經過一級跟隨和T型濾波電路后，進入ADS128進行采集，T型濾波選用1 kΩ的電阻、0.1 μF的電容；對于信號為4～20 mA的電流型壓力傳感器，信號進入后先經過流壓轉換電路，將信號轉成0.88～4.4 V的電壓信號，再經過一級儀用運放，進入ADS1258進行采集，儀用運放的增益選用默認。

2.4.3 燃油流量信號處理

燃油流量傳感器是一個有源傳感器，發參采集系統給其提供+10 V的工作電壓。傳感器的OC門信號進入發參采集器先進行上拉，然后功過一級光耦對信號進行整形，整形后經驅動器片后進入DSP的事件捕獲單元對頻率進行計數，完成對燃油流量數據的采集。上拉電阻和限流都選用1 kΩ的電阻，光耦前端加一反向的BAS32L二極管做保護。

2.4.4 轉速信號處理

發動機轉速的測量有使用磁電機信號、MT?20傳感器或1?9AX傳感器測量3種方式。

使用磁電機信號進行測量時，有左磁電機、右磁電機共兩路信號，其中右磁電機信號與MT?20傳感器、1?9AX傳感器復用管腳，左磁電機使用專用管腳，兩路磁電機信號硬件處理電路完全相同，軟件上對兩路信號同時采集，采集完成后進行容錯判斷，得出發動機的轉速。信號進入后首先對幅值進行衰減（在外部信號線上需要串聯一個47 kΩ的電阻進行分壓），然后將衰減后信號0電平以下的信號全部反向，0電平以上信號保持，并用二極管對電壓進行鉗位，對鉗位后1 V左右的電壓進行放大，放大后的信號通過一個光耦整形后進入CPLD進行濾波，濾波后的信號最后進入到DSP的捕獲單元進行計數，軟件中根據發動機轉動一圈磁電機打火三次的關系計算出發動機的轉速。

使用MT?20傳感器測量轉速的時候，信號進入發參采集器后經過RC濾波和運放（做過零比較器使用）后，通過一個光耦整形后進入DSP的捕獲單元進行計數，軟件中根據發動機轉動一圈產生149個正弦波的對應關系計算出發動機的轉速。使用1?9AX傳感器測量轉速信號時，信號進入發參采集器經過分壓和運放的跟隨后，經過光耦整形后進入DSP的捕獲單元進行計數，軟件中根據發動機轉動一圈產生1.5個脈沖信號的對應關系計算出發動機的轉速。轉速信號從同一管腳進入發動機參數采集器后，根據不同的轉速傳感器的類型，硬件上通過焊接不同的選通電阻來實現對處理電路選擇。軟件上根據外部兩路離散量K1，K2的狀態來選擇處理程序，完成對發參采集器轉速的采集。

2.4.5 油位測量信號處理

油位信號測量可以使用阻性油量傳感器和容性油量傳感器2種傳感器進行測量。使用阻性油量傳感器時，信號為0～18 V的單端電壓信號，信號進入發參采集器后先對電壓衰減到0～3.9 V，經過一級運放跟隨和RC濾波電路后，進入ADS1258進行采集使用容性油量傳感器時，信號特征為幅值5 V的方波信號，頻率范圍0～6 kHz，信號進入發參采集器后經過光耦和244芯片驅動后，進入到DSP的捕獲單元進行信號采集。

2.5 串口電路模塊

發參采集器共有6路串口，5路RS 422串口和1路RS 232串口。RS 422串口電路共5路，4路串口電路選用TI公司生產的4通道異步收發器集成芯片TL16C554和4個RS 422接口芯片MAX3490來實現。TL16C554采用3.3 V工作電壓，80引腳TQFP封裝，采用14.745 6 MHz晶振作為輸入時鐘。

MAX3490是一種全雙工的高速RS 422通信接口芯片，它通過抑制由長線引起的內部信號干擾來增加可靠通信的距離與速度，通信速度最高可以達到10 Mb/s，通信距離可達300 m。

第5路RS 422串口電路用F2812本身的SCIA接口（串行通信接口）和接口芯片MAX3490來實現。

1路RS 232調試接口采用SCIB接口和接口芯片MAX3232來實現。

3 結 論

本系統選用高速數字信號處理器件、采用模塊化設計理念，保證了系統實用性、、高精度、高可靠性、小型化且構架簡單、易于維護的要求。通過各項試驗表時，該發動機參數采集系統在實際使用中效果良好，已進行小批量的投產[7]。

參考文獻

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+15 V用于電壓參考芯片的供電，+10 V用于外部燃油流量傳感器的供電，數字5 V經過電壓調整器TPS70351轉換成3.3 V和1.8 V的電壓，用于DSP，CPLD，存儲器和光耦等的供電，模擬5 V用于A/D轉換芯片、運放等的供電。

2.4 信號調整模塊

本系統可采集的信號包括20路溫度信號、8路壓力信號、1路燃油流量信號、1路轉速信號、8路油位信號。

2.4.1 溫度信號處理

本系統采集熱電偶傳感器的信號，信號為幅值0～50 mV的電壓信號，為了對熱電偶進行冷端補償，在連接器上靠近冷端的位置焊接一個測溫二極管，測量熱電偶冷端的溫度，認為所有熱電偶冷端的溫度相同。

信號進入該系統后通過一個T型濾波電路后直接進入ADS1258進行測量；冷端測溫選用測溫二極管1N4148，二極管兩端壓降隨溫度變化而變化，二極管兩端壓降經濾波后接入運算放大器進行跟隨后進入ADS1258進行采集。

2.4.2 壓力信號處理

壓力傳感器有電壓型壓力傳感器和電流型壓力傳感器2種。對于電壓型壓力傳感器，發參采集系統向其提供+5 V的工作電壓，傳感器電壓信號進入發參采集系統經過一級跟隨和T型濾波電路后，進入ADS128進行采集，T型濾波選用1 kΩ的電阻、0.1 μF的電容；對于信號為4～20 mA的電流型壓力傳感器，信號進入后先經過流壓轉換電路，將信號轉成0.88～4.4 V的電壓信號，再經過一級儀用運放，進入ADS1258進行采集，儀用運放的增益選用默認。

2.4.3 燃油流量信號處理

燃油流量傳感器是一個有源傳感器，發參采集系統給其提供+10 V的工作電壓。傳感器的OC門信號進入發參采集器先進行上拉，然后功過一級光耦對信號進行整形，整形后經驅動器片后進入DSP的事件捕獲單元對頻率進行計數，完成對燃油流量數據的采集。上拉電阻和限流都選用1 kΩ的電阻，光耦前端加一反向的BAS32L二極管做保護。

2.4.4 轉速信號處理

發動機轉速的測量有使用磁電機信號、MT?20傳感器或1?9AX傳感器測量3種方式。

使用磁電機信號進行測量時，有左磁電機、右磁電機共兩路信號，其中右磁電機信號與MT?20傳感器、1?9AX傳感器復用管腳，左磁電機使用專用管腳，兩路磁電機信號硬件處理電路完全相同，軟件上對兩路信號同時采集，采集完成后進行容錯判斷，得出發動機的轉速。信號進入后首先對幅值進行衰減（在外部信號線上需要串聯一個47 kΩ的電阻進行分壓），然后將衰減后信號0電平以下的信號全部反向，0電平以上信號保持，并用二極管對電壓進行鉗位，對鉗位后1 V左右的電壓進行放大，放大后的信號通過一個光耦整形后進入CPLD進行濾波，濾波后的信號最后進入到DSP的捕獲單元進行計數，軟件中根據發動機轉動一圈磁電機打火三次的關系計算出發動機的轉速。

使用MT?20傳感器測量轉速的時候，信號進入發參采集器后經過RC濾波和運放（做過零比較器使用）后，通過一個光耦整形后進入DSP的捕獲單元進行計數，軟件中根據發動機轉動一圈產生149個正弦波的對應關系計算出發動機的轉速。使用1?9AX傳感器測量轉速信號時，信號進入發參采集器經過分壓和運放的跟隨后，經過光耦整形后進入DSP的捕獲單元進行計數，軟件中根據發動機轉動一圈產生1.5個脈沖信號的對應關系計算出發動機的轉速。轉速信號從同一管腳進入發動機參數采集器后，根據不同的轉速傳感器的類型，硬件上通過焊接不同的選通電阻來實現對處理電路選擇。軟件上根據外部兩路離散量K1，K2的狀態來選擇處理程序，完成對發參采集器轉速的采集。

2.4.5 油位測量信號處理

油位信號測量可以使用阻性油量傳感器和容性油量傳感器2種傳感器進行測量。使用阻性油量傳感器時，信號為0～18 V的單端電壓信號，信號進入發參采集器后先對電壓衰減到0～3.9 V，經過一級運放跟隨和RC濾波電路后，進入ADS1258進行采集使用容性油量傳感器時，信號特征為幅值5 V的方波信號，頻率范圍0～6 kHz，信號進入發參采集器后經過光耦和244芯片驅動后，進入到DSP的捕獲單元進行信號采集。

2.5 串口電路模塊

發參采集器共有6路串口，5路RS 422串口和1路RS 232串口。RS 422串口電路共5路，4路串口電路選用TI公司生產的4通道異步收發器集成芯片TL16C554和4個RS 422接口芯片MAX3490來實現。TL16C554采用3.3 V工作電壓，80引腳TQFP封裝，采用14.745 6 MHz晶振作為輸入時鐘。

MAX3490是一種全雙工的高速RS 422通信接口芯片，它通過抑制由長線引起的內部信號干擾來增加可靠通信的距離與速度，通信速度最高可以達到10 Mb/s，通信距離可達300 m。

第5路RS 422串口電路用F2812本身的SCIA接口（串行通信接口）和接口芯片MAX3490來實現。

1路RS 232調試接口采用SCIB接口和接口芯片MAX3232來實現。

3 結 論

本系統選用高速數字信號處理器件、采用模塊化設計理念，保證了系統實用性、、高精度、高可靠性、小型化且構架簡單、易于維護的要求。通過各項試驗表時，該發動機參數采集系統在實際使用中效果良好，已進行小批量的投產[7]。

參考文獻

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