航空發(fā)動機(jī)智能溫度傳感器的設(shè)計

引言

航空發(fā)動機(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，憑借計算機(jī)強(qiáng)大而快速的數(shù)字運算和邏輯判斷能力來實現(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)傳感器的模擬信號為輸出，整個飛行/推進(jìn)綜合系統(tǒng)的傳感器輸入信號多達(dá)30 多路，中央處理器將花費50﹪~70﹪的資源消耗在對模擬信號的數(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。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)字信號外，還執(zhí)行信號采集和處理、故障自診斷、故障隔離及故障容錯等任務(wù)，分擔(dān)了FADEC 系統(tǒng)的繁重低級任務(wù)，騰出大量CPU 資源來實現(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整個系統(tǒng)質(zhì)量至關(guān)重要。對比傳統(tǒng)的傳感器，智能傳感器用數(shù)字信號取代了原有的電壓或電流標(biāo)準(zhǔn)信號，進(jìn)而提高了信號傳輸?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。它將所檢測到的信號經(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)動機(jī)智能溫度傳感器，主要實現(xiàn)了熱電偶工作過程中的冷端溫度補(bǔ)償、故障報警以及非線性校正，具有重要的實用價值。

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)動機(jī)主燃油控制系統(tǒng)的重要狀態(tài)參數(shù)。當(dāng)發(fā)動機(jī)控制計劃處于戰(zhàn)斗狀態(tài)或訓(xùn)練-戰(zhàn)斗狀態(tài)（含最大和加力）且發(fā)動機(jī)進(jìn)口溫度288K373K 時，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，對渦輪后燃?xì)鉁囟萒4 的精確測量與控制對于提高整個航空發(fā)動機(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)動機(jī)渦輪后燃?xì)鉁囟萒4的敏感測溫部件為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)兩個不同的導(dǎo)體A 和B 組成閉合回路時，若兩端結(jié)點溫度不同（分別為T0 和T ），則回路中產(chǎn)生電流，相應(yīng)的電勢稱為熱電勢。它是由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成，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 位定點的低功耗DSP 芯片，片內(nèi)帶Flash程序儲存器，“A”是代表芯片代加密位。其程序儲存器（DARAM、SARAM、ROM 和閃存）和數(shù)據(jù)存儲器（三個DARAM 塊）有各自獨立的單元和總線結(jié)構(gòu)（哈佛結(jié)構(gòu)），即可同時訪問程序指令和數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)讀寫可以在一個時鐘周期進(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狀態(tài)寄存器。

TMS320LF2407A 片內(nèi)外設(shè)含蓋許多模塊：看門狗定時模塊(WDM)、數(shù)字輸入/輸出模塊(I/OM)、兩個事件管理模塊(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)模塊中的通用定時器(GPT)用于脈沖計數(shù)，核心是16 位的可讀/寫定時器計數(shù)器TxCNT，它是轉(zhuǎn)速智能傳感器計頻單元。

3、轉(zhuǎn)速智能傳感器設(shè)計

3.1 硬件電路設(shè)計

智能轉(zhuǎn)速傳感器的電路設(shè)計原理如圖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，上電自檢電路接通；當(dāng)DSP 的通用IO 引腳IOPA5 輸出低電平時，熱電偶測溫信號被引入信號調(diào)理電路。

熱電偶信號調(diào)理電路主要由AD595 芯片和運算放大器組成。AD595 是專門為K 型熱電偶設(shè)計的信號放大芯片，經(jīng)激光修整配合K 型熱電偶工作，具有冷端溫度自動補(bǔ)償、熱電偶斷線實時報警、輸出線性度高、低功耗、供電電壓范圍寬等特點。當(dāng)熱電偶發(fā)生斷線或者超溫時，報警信號通過光隔接入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)缶盘柾ㄟ^CAN 總線發(fā)送到中央處理器。熱電偶信號經(jīng)AD595 芯片放大調(diào)理后，再經(jīng)過可變電位計的熱電偶冷端溫度補(bǔ)償，最后經(jīng)運算放大器送入DSP 2407A 的模擬量輸入通道ADC0，完成對熱電偶信號的采樣。

熱電偶測溫信號經(jīng)過DSP 2407A 的內(nèi)部處理（包括信號濾波、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)計原理圖

3.2 測量軟件設(shè)計

軟件主要實現(xiàn)對傳感器來信號進(jìn)行信號濾波、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，DSP 鎖存當(dāng)前溫度值而不發(fā)送。值得提出的是，發(fā)動機(jī)溫度傳感器是雙余度的，所以計算中將測得的兩個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輸出另一傳感器故障信號。

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
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；計數(shù)器1 清零
LOOP ：
SPLK #0F42h，T1CON；使能定時器計數(shù)，輸入時
鐘為CPU 時鐘的1/128 分頻
SPLK #2711h，T1PR；設(shè)置周期寄存器值為10001
LACL T1CNT ；將計數(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、實驗結(jié)果

為了驗證溫度智能傳感器的測量效果，根據(jù)其設(shè)計原理來模擬實物轉(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 實驗結(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方面：傳感器自身測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替代FADEC系統(tǒng)實現(xiàn)信號激勵、數(shù)字濾波、A／D 轉(zhuǎn)換、時間平均、測量、線性化、溫度補(bǔ)償?shù)纫恍┖唵喂δ埽瑫r實現(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)計可以把FADEC 系統(tǒng)從執(zhí)行低級功能中解放出來，更有能力實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，從而提高了發(fā)動機(jī)的動態(tài)特性和整體性能。