發布日期：2022-10-09 點擊率：60
引言
航空發動機全權限數字式電子控制（FADEC）是現代戰機飛行/推進系統綜合控制的發展趨勢，憑借計算機強大而快速的數字運算和邏輯判斷能力來實現比機械液壓式控制系統更先進、更復雜、更可靠的控制方法，提高了飛行/推進綜合系統的控制品質。但是，如果使用傳統傳感器的模擬信號為輸出，整個飛行/推進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勢。智能傳感器的出現，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中的智能傳感器，除了發送/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，分擔了FADEC 系統的繁重低級任務，騰出大量CPU 資源來實現復雜、精確的控制算法和監控管理，用以提高飛行/推進綜合系統的動態特性和整體性能。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系統質量至關重要。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，智能傳感器的總線采用同一標準，使系統更具備開放性和通用性。智能傳感器代表了傳感器的發展方向，這種智能傳感器帶有標準的數字總線接口，能夠自己管理自己。它將所檢測到的信號經過變換處理后，以數字量形式通過現場總線與中央處理器進行信息通信與傳遞。
本文提出了一種基于分布式控制、用AD595和TMS320C2407A DSP 構成的航空發動機智能溫度傳感器，主要實現了熱電偶工作過程中的冷端溫度補償、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
渦輪后燃氣溫度T4 是某型渦扇發動機主燃油控制系統的重要狀態參數。當發動機控制計劃處于戰斗狀態或訓練-戰斗狀態（含最大和加力）且發動機進口溫度288K373K 時，電子控制器通過調節供油量mf，使T4隨T1 升高而直線增加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航空發動機分布式控制系統的工作穩定性和可靠性至關重要。航空渦扇發動機渦輪后燃氣溫度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。當兩個不同的導體A 和B 組成閉合回路時，若兩端結點溫度不同（分別為T0 和T ），則回路中產生電流，相應的電勢稱為熱電勢。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，還和材料性質有關。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 簡介
TMS320LF2407A 是TI 公司生產的供電電壓為3.3V、16 位定點的低功耗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DARAM 塊）有各自獨立的單元和總線結構（哈佛結構），即可同時訪問程序指令和數據，并且數據讀寫可以在一個時鐘周期進行。
CPU 指令周期為25ns,32 位算術邏輯單元、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寄存器。
TMS320LF2407A 片內外設含蓋許多模塊：看門狗定時模塊(WDM)、數字輸入/輸出模塊(I/OM)、兩個事件管理模塊(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)、局域網控制模塊(CANM),便于開發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，核心是16 位的可讀/寫定時器計數器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，電子模擬開關選用MAX319 芯片，當DSP 的通用IO 引腳IOPA5 輸出高電平時，上電自檢電路接通；當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 是專門為K 型熱電偶設計的信號放大芯片，經激光修整配合K 型熱電偶工作，具有冷端溫度自動補償、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。當熱電偶發生斷線或者超溫時，報警信號通過光隔接入DSP 2407A 的外部中斷引腳XINT1，觸發外部中斷，調用中斷程序將報警信號通過CAN 總線發送到中央處理器。熱電偶信號經AD595 芯片放大調理后，再經過可變電位計的熱電偶冷端溫度補償，最后經運算放大器送入DSP 2407A 的模擬量輸入通道ADC0，完成對熱電偶信號的采樣。
熱電偶測溫信號經過DSP 2407A 的內部處理（包括信號濾波、熱電偶的線性擬合以及非線性校正）后，轉換成數字量送入2407A 中CAN 控制器，通過發送郵箱發送到CAN 總線上，實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
軟件主要實現對傳感器來信號進行信號濾波、熱電偶的線性擬合以及非線性校正，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DSP 開始發出當前溫度值；當收到中央處理單元的中斷或屏蔽指令時，DSP 鎖存當前溫度值而不發送。值得提出的是，發動機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 ；讀中斷標志
SACL IFR ；清中斷標志
LDP #00E0h ；設置DP=E0h
SPLK #006Fh，WDCR ；禁止看門狗
SPLK #0000h，T1CNT；計數器1 清零
LOOP ：
SPLK #0F42h，T1CON；使能定時器計數，輸入時
鐘為CPU 時鐘的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，根據其設計原理來模擬實物轉速傳感器工作，得到其輸入輸出特性曲線，結果見圖3。
圖3 實驗結果
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電磁干擾下產生的誤差，至于如何進一步消除誤差，這是需待進一步研究的問題。
5、結論
綜上所述，該溫度智能傳感器信號替代FADEC系統實現信號激勵、數字濾波、A／D 轉換、時間平均、測量、線性化、溫度補償等一些簡單功能，同時實現數據的傳輸和狀態信息的收發。它一方面減輕了整個控制系統，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，更有能力實現復雜的控制算法，從而提高了發動機的動態特性和整體性能。(end)
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