航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

湖北三江航天紅峰控制有限公司 吳旭亮 岳惠峰 余曉舟 雷戰(zhàn)克 張 明

1.引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集在無人直升機(jī)控制系統(tǒng)中占據(jù)重要地位，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制與狀態(tài)監(jiān)測的重要的技術(shù)工作，貫穿于整個(gè)試驗(yàn)研究全過程。無人直升機(jī)飛行試驗(yàn)過程中，依靠數(shù)據(jù)采集獲得精確可靠的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，用來判斷和識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)是否工作正常，如果沒有穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，將對(duì)無人直升機(jī)飛行控制與安全控制帶來嚴(yán)重影響。隨著無人航空技術(shù)的不斷發(fā)展，軍民用飛機(jī)型號(hào)和數(shù)量越來越多，亟需功能完善、性能可靠、維護(hù)使用方便的航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[1]。

從項(xiàng)目的需求來看，航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是以高性能微處理器為核心，配以相應(yīng)的傳感器前置信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控，并將發(fā)動(dòng)機(jī)信息通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給無人機(jī)飛管計(jì)算機(jī)。

2.發(fā)動(dòng)機(jī)采集單元總體設(shè)計(jì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)是要完成無人直升機(jī)試驗(yàn)過程中各個(gè)工作參數(shù)的測量，并對(duì)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。這個(gè)過程要完成各個(gè)工作參數(shù)從原始信號(hào)到工程值的轉(zhuǎn)換[2]，需要經(jīng)過以下三個(gè)步驟：

1）由傳感器把原始測量信號(hào)轉(zhuǎn)化為易于傳輸和轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)或脈沖信號(hào)；

2）數(shù)據(jù)采集設(shè)備把傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)；

3）計(jì)算機(jī)通過軟件來對(duì)這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，以得到原始測量信號(hào)的工程值大小，并通過通訊接口發(fā)送至飛行管理計(jì)算機(jī)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是進(jìn)行傳感器信號(hào)檢測及通訊，包含K型熱電偶溫度檢測、PT100溫度檢測、4mA～20mA電流信號(hào)檢測、1V～5V電壓信號(hào)檢測、脈沖信號(hào)檢測，相關(guān)信息通過異步串口交互。主要涉及電氣設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。整機(jī)采用密封殼體結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)部放置一塊檢測用印制板。軟件采用嵌入式C設(shè)計(jì)可滿足要求。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)采集單元組成圖

3.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 MCU處理器及外圍電路設(shè)計(jì)

MCU選用飛思卡爾公司生產(chǎn)的汽車用MPC5604，該芯片采用可擴(kuò)展的e200z0內(nèi)核，工作頻率高達(dá)64MHZ，內(nèi)部Flash高達(dá)512KB, 內(nèi)部SRAM高達(dá)32KB,含有64K Data Flash EEPROM，內(nèi)部擁有10bit AD轉(zhuǎn)換器，具有4路I2C，4路USART，3路SPI，3路CAN，工作電壓為2.7～3.6V，溫度范圍為：–40℃～+125℃。

MPC5604微控制器（MCU）包含了用于汽車車身電子應(yīng)用的最新集成器件。這款先進(jìn)高效的處理器內(nèi)核充分利用了Power Architecture的優(yōu)勢，例如處理功能、片上存儲(chǔ)、模擬功能、時(shí)鐘系統(tǒng)及處理復(fù)雜控制和診斷系統(tǒng)所需的一些其他特性。此外，這些擴(kuò)展功能由生態(tài)系統(tǒng)提供支持，它包括軟件驅(qū)動(dòng)，操作系統(tǒng)和配置代碼，以加速設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)主要使用MPC5604的ADC模塊、I2C功能模塊、SPI功能模塊、輸入信號(hào)采集模塊、UART模塊等，擴(kuò)展采集接口、外部存儲(chǔ)器接口以及通訊接口，實(shí)現(xiàn)采集多路模擬信號(hào)和脈沖信號(hào)，并且按照規(guī)定通訊協(xié)議發(fā)送至飛行管理計(jì)算機(jī)。

3.2 電源電路設(shè)計(jì)

為了滿足無人直升機(jī)系統(tǒng)耐尖峰電壓和耐電壓浪涌的供電特性要求，航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電源電路設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

電源電路設(shè)計(jì)由輸入電源濾波器，極性保護(hù)電路，上電浪涌抑制電路及電源轉(zhuǎn)換電路等，直流24V以及15V用于為傳感器供電。

圖2 電源電路原理

3.3 脈沖采集電路設(shè)計(jì)

TCU增壓告警及故障告警信號(hào)為幅值12V脈沖信號(hào)，該信號(hào)采集為了隔離外部干擾，通過光耦MOCD213隔離采集后，經(jīng)過斯密特反向器濾波整形及邏輯調(diào)整后，輸入至MCU控制器，通過MCU內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行脈寬檢測。

3.4 模擬量采集電路設(shè)計(jì)

通過精密儀表運(yùn)放實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)1V～5V與電流信號(hào)4～20mA的轉(zhuǎn)換。通過合適的分壓電阻將信號(hào)分壓至0.5V～3V范圍內(nèi)，通過AD采集芯片進(jìn)行模擬量采集測試。AD采集芯片與MCU通過SPI接口實(shí)現(xiàn)通訊。

圖3 模擬量采集電路工作原理

3.5 溫度采集電路設(shè)計(jì)

結(jié)合項(xiàng)目背景需求，航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要采集的溫度傳感器有K型熱電偶以及PT100溫度傳感器。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為搭建精密儀表運(yùn)放電路與信號(hào)調(diào)理電路，對(duì)傳感器輸出的敏感信號(hào)（K型熱電偶為電壓信號(hào)，PT100通過精密恒流源轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)）進(jìn)行模擬量采集，實(shí)際應(yīng)用中，可通過計(jì)算實(shí)際值或利用查找表進(jìn)行線性修正后計(jì)算得出采集溫度。

本方案中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)K型熱電偶溫度檢測及PT100溫度檢測采用2片凌力爾特公司（Linear）LTC298x。該器件溫度測量一致性達(dá)0.1℃，測試分辨率達(dá)0.001℃。通過該芯片可以實(shí)現(xiàn)K型熱電偶測溫范圍-265℃～1372℃，PT100測溫范圍-200℃～850℃，測溫范圍滿足系統(tǒng)要求，同時(shí)大大簡化電路復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)可靠性。

LTC298x可與多種溫度傳感器連接，包括B、E、J、K、N、S、R、T型熱電偶；2、3或4線RTD、2.25k?至30k?熱敏電阻器；以及溫度檢測二極管。可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)熱電偶冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償。該芯片中含有針對(duì)所有常見類型傳感器的線性化算法。特定于傳感器的故障檢測功能針對(duì)短路、開路、過熱、溫度過低和 ADC 超出額定范圍向用戶發(fā)出警報(bào)，大大提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)智能化和自動(dòng)化水平，提高故障檢測與診斷能力。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件流程圖

LTC298x的高性能模擬前端采用了低噪聲和低偏移緩沖ADC，具備每個(gè)傳感器必需的所有激勵(lì)和控制電路。測量是在數(shù)字引擎的控制下進(jìn)行，整合了所有算法和每個(gè)所需的線性化功能。該器件可精確地測量來自熱電偶的絕對(duì)微伏級(jí)信號(hào)、對(duì)RTD和熱敏電阻器進(jìn)行比例式電阻測量、進(jìn)行線性化并以°C或°F為單位提供輸出。該器件提供多達(dá)10個(gè)模擬輸入，從而可支持多達(dá)9個(gè)熱電偶、4個(gè)RTD、4個(gè)熱敏電阻器和/或10個(gè)二極管。SPI接口可用于幾乎任何的數(shù)字系統(tǒng)。

4.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

依據(jù)任務(wù)要求，進(jìn)行需求分析，主要工作內(nèi)容包括在CodeWarrior 2.10編程環(huán)境下，完成軟件初始源代碼的編寫，實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)檢測及通訊等功能，配合硬件實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)功能和技術(shù)指標(biāo)（見圖4）。

5.精度測試與分析

軟件和硬件調(diào)試分別通過后，就可在樣機(jī)產(chǎn)品上進(jìn)行軟件和硬件的聯(lián)調(diào)，檢測并監(jiān)測軟件配置參數(shù)以及中斷服務(wù)程序運(yùn)行過程，檢查軟件編譯及輸出的控制結(jié)果是否正確。確認(rèn)得到正確的結(jié)果后，進(jìn)行地面試驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí)，通過FLUKE 725s多功能校準(zhǔn)儀對(duì)K型熱電偶溫度檢測、PT100溫度檢測、4mA～20mA電流信號(hào)檢測、1V～5V電壓信號(hào)檢測通道進(jìn)行校準(zhǔn)測試。通過校準(zhǔn)測試，系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)滿足要求。測試結(jié)果如表1：

表1 校準(zhǔn)測試結(jié)果

6.結(jié)束語

結(jié)合某型無人直升機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控的實(shí)際需求，開展航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究，并進(jìn)行了產(chǎn)品的軟硬件設(shè)計(jì)，通過了性能測試以及校準(zhǔn)檢測，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

[1]朱旭津．航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)控制概念和高穩(wěn)定性發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)研制[J]．燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究,2002,15(3)∶5-10．

[2]C．E．ChambleeandA．E．Burwell．EffectivenessofTurbineEngineDia gnostic[J]．AIAA,1983,0535．