航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能溫度傳感器的設(shè)計(jì)

引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）是現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)飛行/推進(jìn)系統(tǒng)綜合控制的發(fā)展趨勢(shì)，憑借計(jì)算機(jī)強(qiáng)大而快速的數(shù)字運(yùn)算和邏輯判斷能力來實(shí)現(xiàn)比機(jī)械液壓式控制系統(tǒng)更先進(jìn)、更復(fù)雜、更可靠的控制方法，提高了飛行/推進(jìn)綜合系統(tǒng)的控制品質(zhì)。但是，如果使用傳統(tǒng)傳感器的模擬信號(hào)為輸出，整個(gè)飛行/推進(jìn)綜合系統(tǒng)的傳感器輸入信號(hào)多達(dá)30 多路，中央處理器將花費(fèi)50﹪~70﹪的資源消耗在對(duì)模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)處理、余度管理和故障診斷上，大大削弱了數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。智能傳感器的出現(xiàn)，為解決了這一問題開辟了廣闊地前景。運(yùn)用在航空控制系統(tǒng)中的智能傳感器，除了發(fā)送/接收數(shù)字信號(hào)外，還執(zhí)行信號(hào)采集和處理、故障自診斷、故障隔離及故障容錯(cuò)等任務(wù)，分擔(dān)了FADEC 系統(tǒng)的繁重低級(jí)任務(wù)，騰出大量CPU 資源來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、精確的控制算法和監(jiān)控管理，用以提高飛行/推進(jìn)綜合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和整體性能。傳感器作為獲取信息的重要工具，位于信息系統(tǒng)的最前端。其特性的好壞、輸出信息的可靠性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量至關(guān)重要。對(duì)比傳統(tǒng)的傳感器，智能傳感器用數(shù)字信號(hào)取代了原有的電壓或電流標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，進(jìn)而提高了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃约翱垢蓴_能力。而且，智能傳感器的總線采用同一標(biāo)準(zhǔn)，使系統(tǒng)更具備開放性和通用性。智能傳感器代表了傳感器的發(fā)展方向，這種智能傳感器帶有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字總線接口，能夠自己管理自己。它將所檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過變換處理后，以數(shù)字量形式通過現(xiàn)場總線與中央處理器進(jìn)行信息通信與傳遞。

本文提出了一種基于分布式控制、用AD595和TMS320C2407A DSP 構(gòu)成的航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能溫度傳感器，主要實(shí)現(xiàn)了熱電偶工作過程中的冷端溫度補(bǔ)償、故障報(bào)警以及非線性校正，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

1、溫度傳感器的原理

渦輪后燃?xì)鉁囟萒4 是某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)主燃油控制系統(tǒng)的重要狀態(tài)參數(shù)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制計(jì)劃處于戰(zhàn)斗狀態(tài)或訓(xùn)練-戰(zhàn)斗狀態(tài)（含最大和加力）且發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度288K373K 時(shí)，電子控制器通過調(diào)節(jié)供油量mf，使T4隨T1 升高而直線增加15℃。因而，對(duì)渦輪后燃?xì)鉁囟萒4 的精確測(cè)量與控制對(duì)于提高整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后燃?xì)鉁囟萒4的敏感測(cè)溫部件為K 型熱電偶。熱電偶的原理是利用物理中的塞內(nèi)克效應(yīng)制成的溫敏傳感器。當(dāng)兩個(gè)不同的導(dǎo)體A 和B 組成閉合回路時(shí)，若兩端結(jié)點(diǎn)溫度不同（分別為T0 和T ），則回路中產(chǎn)生電流，相應(yīng)的電勢(shì)稱為熱電勢(shì)。它是由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部分組成，其大小和兩端溫差有關(guān)，還和材料性質(zhì)有關(guān)。要求材料的熱性能要穩(wěn)定，電阻系數(shù)小，導(dǎo)電率高，熱電效應(yīng)強(qiáng)，復(fù)制性好。

2、TMS320LF2407A 簡介

TMS320LF2407A 是TI 公司生產(chǎn)的供電電壓為3.3V、16 位定點(diǎn)的低功耗DSP 芯片，片內(nèi)帶Flash程序儲(chǔ)存器，“A”是代表芯片代加密位。其程序儲(chǔ)存器（DARAM、SARAM、ROM 和閃存）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（三個(gè)DARAM 塊）有各自獨(dú)立的單元和總線結(jié)構(gòu)（哈佛結(jié)構(gòu)），即可同時(shí)訪問程序指令和數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)讀寫可以在一個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行。

CPU 指令周期為25ns,32 位算術(shù)邏輯單元、32位累加器、16 位×16 位乘法器、8×16 位輔助寄存器和兩個(gè)狀態(tài)寄存器。

TMS320LF2407A 片內(nèi)外設(shè)含蓋許多模塊：看門狗定時(shí)模塊(WDM)、數(shù)字輸入/輸出模塊(I/OM)、兩個(gè)事件管理模塊(EVM)、10 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADCM)、高速同步串行外設(shè)模塊(SPIM)、可編程串行通信模塊(SCIM)、局域網(wǎng)控制模塊(CANM),便于開發(fā)不同類型的控制和通信方式。其中，事件管理器(EV)模塊中的通用定時(shí)器(GPT)用于脈沖計(jì)數(shù)，核心是16 位的可讀/寫定時(shí)器計(jì)數(shù)器TxCNT，它是轉(zhuǎn)速智能傳感器計(jì)頻單元。

3、轉(zhuǎn)速智能傳感器設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

智能轉(zhuǎn)速傳感器的電路設(shè)計(jì)原理如圖3 所示。智能溫度傳感器的構(gòu)成主要包含上電自檢電路、熱電偶信號(hào)處理電路、DSP 與CAN 總線接口電路以及電源電路幾部分。智能溫度傳感器具有上電自檢功能，電子模擬開關(guān)選用MAX319 芯片，當(dāng)DSP 的通用IO 引腳IOPA5 輸出高電平時(shí)，上電自檢電路接通；當(dāng)DSP 的通用IO 引腳IOPA5 輸出低電平時(shí)，熱電偶測(cè)溫信號(hào)被引入信號(hào)調(diào)理電路。

熱電偶信號(hào)調(diào)理電路主要由AD595 芯片和運(yùn)算放大器組成。AD595 是專門為K 型熱電偶設(shè)計(jì)的信號(hào)放大芯片，經(jīng)激光修整配合K 型熱電偶工作，具有冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償、熱電偶斷線實(shí)時(shí)報(bào)警、輸出線性度高、低功耗、供電電壓范圍寬等特點(diǎn)。當(dāng)熱電偶發(fā)生斷線或者超溫時(shí)，報(bào)警信號(hào)通過光隔接入DSP 2407A 的外部中斷引腳XINT1，觸發(fā)外部中斷，調(diào)用中斷程序?qū)?bào)警信號(hào)通過CAN 總線發(fā)送到中央處理器。熱電偶信號(hào)經(jīng)AD595 芯片放大調(diào)理后，再經(jīng)過可變電位計(jì)的熱電偶冷端溫度補(bǔ)償，最后經(jīng)運(yùn)算放大器送入DSP 2407A 的模擬量輸入通道ADC0，完成對(duì)熱電偶信號(hào)的采樣。

熱電偶測(cè)溫信號(hào)經(jīng)過DSP 2407A 的內(nèi)部處理（包括信號(hào)濾波、熱電偶的線性擬合以及非線性校正）后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入2407A 中CAN 控制器，通過發(fā)送郵箱發(fā)送到CAN 總線上，實(shí)現(xiàn)與中央處理器之間的數(shù)據(jù)交換。

圖1 智能溫度傳感器電路設(shè)計(jì)原理圖

3.2 測(cè)量軟件設(shè)計(jì)

軟件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器來信號(hào)進(jìn)行信號(hào)濾波、熱電偶的線性擬合以及非線性校正，并保存結(jié)果。當(dāng)傳感器系統(tǒng)收到FADEC 的中央處理單元的接收數(shù)據(jù)指令時(shí)DSP 開始發(fā)出當(dāng)前溫度值；當(dāng)收到中央處理單元的中斷或屏蔽指令時(shí)，DSP 鎖存當(dāng)前溫度值而不發(fā)送。值得提出的是，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度傳感器是雙余度的，所以計(jì)算中將測(cè)得的兩個(gè)溫度值中值大者作為有效頻率值。如果兩值相差超過值大者的10﹪，選擇出有效值的同時(shí)輸出另一傳感器故障信號(hào)。

圖2 智能溫度傳感器主程序流程圖

限于篇幅，這里僅給出一段程序：

.title “Sensor _CP” ；文件名
.bss GPR0，1 ；選通寄存器
.include 2407A.h ；調(diào)用寄存器頭文件
.copy “2407Avector.h” ；中段矢量頭文件
.def d_into ；定義斷點(diǎn)
D1 .equ 7000h ；定義暫存單元D1
.text
d_into：LDP #0h
SETC INTM ；禁止中斷
SPLK SXM
SPLK #0000h，IMR ；屏蔽所有中段
LACC IFR ；讀中斷標(biāo)志
SACL IFR ；清中斷標(biāo)志
LDP #00E0h ；設(shè)置DP=E0h
SPLK #006Fh，WDCR ；禁止看門狗
SPLK #0000h，T1CNT；計(jì)數(shù)器1 清零
LOOP ：
SPLK #0F42h，T1CON；使能定時(shí)器計(jì)數(shù)，輸入時(shí)
鐘為CPU 時(shí)鐘的1/128 分頻
SPLK #2711h，T1PR；設(shè)置周期寄存器值為10001
LACL T1CNT ；將計(jì)數(shù)器1 值裝入累加器
SFR ；將累加器右移一位
SACL T1CNT，D1 ；將結(jié)果存入D1
SPLK #0000h，T1CNT；計(jì)數(shù)器1 清零
SFR ；將累加器右移一位
SACL T1CNT，D1 ；將結(jié)果存入D1
SPLK #0000h，T1CNT；計(jì)數(shù)器1 清零
LACL D1 ；將D1 值裝入累加器
SACL 2407A.h；將結(jié)果存入寄存器
LOOP
.end

4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證溫度智能傳感器的測(cè)量效果，根據(jù)其設(shè)計(jì)原理來模擬實(shí)物轉(zhuǎn)速傳感器工作，得到其輸入輸出特性曲線，結(jié)果見圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

其最小二乘擬合式及誤差結(jié)果如下表 Y = A + B * X

表1

可見該智能傳感器精度很高。實(shí)際工作中的智能傳感器到中央處理單元的誤差來源主要有兩個(gè)方面：傳感器自身測(cè)量誤差和在惡劣的飛行條件或強(qiáng)電磁干擾下產(chǎn)生的誤差，至于如何進(jìn)一步消除誤差，這是需待進(jìn)一步研究的問題。

5、結(jié)論

綜上所述，該溫度智能傳感器信號(hào)替代FADEC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)激勵(lì)、數(shù)字濾波、A／D 轉(zhuǎn)換、時(shí)間平均、測(cè)量、線性化、溫度補(bǔ)償?shù)纫恍┖唵喂δ?，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和狀態(tài)信息的收發(fā)。它一方面減輕了整個(gè)控制系統(tǒng)，特別是電纜部分的重量；另一方面，智能傳感器的設(shè)計(jì)可以把FADEC 系統(tǒng)從執(zhí)行低級(jí)功能中解放出來，更有能力實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性和整體性能。