航空發(fā)動(dòng)機智能溫度傳感器的設計

引言

航空發(fā)動(dòng)機全權限數字式電子控制（FADEC）是現代戰機飛行/推進(jìn)系統綜合控制的發(fā)展趨勢，憑借計算機強大而快速的數字運算和邏輯判斷能力來(lái)實(shí)現比機械液壓式控制系統更先進(jìn)、更復雜、更可靠的控制方法，提高了飛行/推進(jìn)綜合系統的控制品質(zhì)。但是，如果使用傳統傳感器的模擬信號為輸出，整個(gè)飛行/推進(jìn)綜合系統的傳感器輸入信號多達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據處理、余度管理和故障診斷上，大大削弱了數字控制系統的優(yōu)勢。智能傳感器的出現，為解決了這一問(wèn)題開(kāi)辟了廣闊地前景。運用在航空控制系統中的智能傳感器，除了發(fā)送/接收數字信號外，還執行信號采集和處理、故障自診斷、故障隔離及故障容錯等任務(wù)，分擔了FADEC 系統的繁重低級任務(wù)，騰出大量CPU 資源來(lái)實(shí)現復雜、精確的控制算法和監控管理，用以提高飛行/推進(jìn)綜合系統的動(dòng)態(tài)特性和整體性能。傳感器作為獲取信息的重要工具，位于信息系統的最前端。其特性的好壞、輸出信息的可靠性對整個(gè)系統質(zhì)量至關(guān)重要。對比傳統的傳感器，智能傳感器用數字信號取代了原有的電壓或電流標準信號，進(jìn)而提高了信號傳輸的可靠性及抗干擾能力。而且，智能傳感器的總線(xiàn)采用同一標準，使系統更具備開(kāi)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準的數字總線(xiàn)接口，能夠自己管理自己。它將所檢測到的信號經(jīng)過(guò)變換處理后，以數字量形式通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)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 構成的航空發(fā)動(dòng)機智能溫度傳感器，主要實(shí)現了熱電偶工作過(guò)程中的冷端溫度補償、故障報警以及非線(xiàn)性校正，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

1、溫度傳感器的原理

渦輪后燃氣溫度T4 是某型渦扇發(fā)動(dòng)機主燃油控制系統的重要狀態(tài)參數。當發(fā)動(dòng)機控制計劃處于戰斗狀態(tài)或訓練-戰斗狀態(tài)（含最大和加力）且發(fā)動(dòng)機進(jìn)口溫度288K373K 時(shí)，電子控制器通過(guò)調節供油量mf，使T4隨T1 升高而直線(xiàn)增加15℃。因而，對渦輪后燃氣溫度T4 的精確測量與控制對于提高整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機分布式控制系統的工作穩定性和可靠性至關(guān)重要。航空渦扇發(fā)動(dòng)機渦輪后燃氣溫度T4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克效應制成的溫敏傳感器。當兩個(gè)不同的導體A 和B 組成閉合回路時(shí)，若兩端結點(diǎn)溫度不同（分別為T(mén)0 和T ），則回路中產(chǎn)生電流，相應的電勢稱(chēng)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定，電阻系數小，導電率高，熱電效應強，復制性好。

2、TMS320LF2407A 簡(jiǎn)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）和數據存儲器（三個(gè)DARAM 塊）有各自獨立的單元和總線(xiàn)結構（哈佛結構），即可同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)程序指令和數據，并且數據讀寫(xiě)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 片內外設含蓋許多模塊：看門(mén)狗定時(shí)模塊(WDM)、數字輸入/輸出模塊(I/OM)、兩個(gè)事件管理模塊(EVM)、10 位的模數轉換模塊(ADCM)、高速同步串行外設模塊(SPIM)、可編程串行通信模塊(SCIM)、局域網(wǎng)控制模塊(CANM),便于開(kāi)發(fā)不同類(lèi)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)用于脈沖計數，核心是16 位的可讀/寫(xiě)定時(shí)器計數器TxCNT，它是轉速智能傳感器計頻單元。

3、轉速智能傳感器設計

3.1 硬件電路設計

智能轉速傳感器的電路設計原理如圖3 所示。智能溫度傳感器的構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(xiàn)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(kāi)關(guān)選用MAX319 芯片，當DSP 的通用IO 引腳IOPA5 輸出高電平時(shí)，上電自檢電路接通；當DSP 的通用IO 引腳IOPA5 輸出低電平時(shí)，熱電偶測溫信號被引入信號調理電路。

熱電偶信號調理電路主要由AD595 芯片和運算放大器組成。AD595 是專(zhuān)門(mén)為K 型熱電偶設計的信號放大芯片，經(jīng)激光修整配合K 型熱電偶工作，具有冷端溫度自動(dòng)補償、熱電偶斷線(xiàn)實(shí)時(shí)報警、輸出線(xiàn)性度高、低功耗、供電電壓范圍寬等特點(diǎn)。當熱電偶發(fā)生斷線(xiàn)或者超溫時(shí)，報警信號通過(guò)光隔接入DSP 2407A 的外部中斷引腳XINT1，觸發(fā)外部中斷，調用中斷程序將報警信號通過(guò)CAN 總線(xiàn)發(fā)送到中央處理器。熱電偶信號經(jīng)AD595 芯片放大調理后，再經(jīng)過(guò)可變電位計的熱電偶冷端溫度補償，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(guò)DSP 2407A 的內部處理（包括信號濾波、熱電偶的線(xiàn)性擬合以及非線(xiàn)性校正）后，轉換成數字量送入2407A 中CAN 控制器，通過(guò)發(fā)送郵箱發(fā)送到CAN 總線(xiàn)上，實(shí)現與中央處理器之間的數據交換。

圖1 智能溫度傳感器電路設計原理圖

3.2 測量軟件設計

軟件主要實(shí)現對傳感器來(lái)信號進(jìn)行信號濾波、熱電偶的線(xiàn)性擬合以及非線(xiàn)性校正，并保存結果。當傳感器系統收到FADEC 的中央處理單元的接收數據指令時(shí)DSP 開(kāi)始發(fā)出當前溫度值；當收到中央處理單元的中斷或屏蔽指令時(shí)，DSP 鎖存當前溫度值而不發(fā)送。值得提出的是，發(fā)動(dòng)機溫度傳感器是雙余度的，所以計算中將測得的兩個(gè)溫度值中值大者作為有效頻率值。如果兩值相差超過(guò)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。

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 ；讀中斷標志
SACL IFR ；清中斷標志
LDP #00E0h ；設置DP=E0h
SPLK #006Fh，WDCR ；禁止看門(mén)狗
SPLK #0000h，T1CNT；計數器1 清零
LOOP ：
SPLK #0F42h，T1CON；使能定時(shí)器計數，輸入時(shí)
鐘為CPU 時(shí)鐘的1/128 分頻
SPLK #2711h，T1PR；設置周期寄存器值為10001
LACL T1CNT ；將計數器1 值裝入累加器
SFR ；將累加器右移一位
SACL T1CNT，D1 ；將結果存入D1
SPLK #0000h，T1CNT；計數器1 清零
SFR ；將累加器右移一位
SACL T1CNT，D1 ；將結果存入D1
SPLK #0000h，T1CNT；計數器1 清零
LACL D1 ；將D1 值裝入累加器
SACL 2407A.h；將結果存入寄存器
LOOP
.end

4、實(shí)驗結果

為了驗證溫度智能傳感器的測量效果，根據其設計原理來(lái)模擬實(shí)物轉速傳感器工作，得到其輸入輸出特性曲線(xiàn)，結果見(jiàn)圖3。

圖3 實(shí)驗結果

其最小二乘擬合式及誤差結果如下表 Y = A + B * X

表1

可見(jiàn)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(lái)源主要有兩個(gè)方面：傳感器自身測量誤差和在惡劣的飛行條件或強電磁干擾下產(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(wèn)題。

5、結論

綜上所述，該溫度智能傳感器信號替代FADEC系統實(shí)現信號激勵、數字濾波、A／D 轉換、時(shí)間平均、測量、線(xiàn)性化、溫度補償等一些簡(jiǎn)單功能，同時(shí)實(shí)現數據的傳輸和狀態(tài)信息的收發(fā)。它一方面減輕了整個(gè)控制系統，特別是電纜部分的重量；另一方面，智能傳感器的設計可以把FADEC 系統從執行低級功能中解放出來(lái)，更有能力實(shí)現復雜的控制算法，從而提高了發(fā)動(dòng)機的動(dòng)態(tài)特性和整體性能。