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        基于MSP430和ST16C554的JetCat發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)控制器設(shè)計(jì)

        2013-09-12 07:50:20偉,陳迪,胡強(qiáng)
        兵器裝備工程學(xué)報(bào) 2013年12期
        關(guān)鍵詞:接收器油門寄存器

        李 偉,陳 迪,胡 強(qiáng)

        (中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院,北京 100074)

        JetCat系列發(fā)動(dòng)機(jī)是目前航模領(lǐng)域采用較多的一款渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。每套JetCat P200發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)包括1個(gè)P200發(fā)動(dòng)機(jī)、1個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU)、1個(gè)LED指示板、1個(gè)地面支持單元(GSU)、2個(gè)電磁閥和2個(gè)壓力傳感器。本文介紹的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)控制器需要同時(shí)監(jiān)測(cè)并控制3臺(tái)P200發(fā)動(dòng)機(jī)為某型飛行器提供4~65 Kgf的動(dòng)力,3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)按照正三角形的方式排列,即正三角型的每個(gè)角固定一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。該型發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)控制器需要監(jiān)測(cè)每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)并根據(jù)轉(zhuǎn)速/推力曲線控制3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以保持推力均衡,同時(shí)把監(jiān)測(cè)到的推力數(shù)據(jù)和其他發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到飛行器的飛行控制計(jì)算機(jī)用于飛行控制計(jì)算機(jī)控制飛行器飛行。

        1 系統(tǒng)原理

        由于JetCat P200系列發(fā)動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用于航模領(lǐng)域,發(fā)動(dòng)機(jī)的控制模式主要為ECU解算來(lái)自RC接收機(jī)的2組PWM控制信號(hào)(THR和AUX),同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的只能通過(guò)地面支持單元(GSU)或通過(guò)計(jì)算機(jī)上的專用監(jiān)控軟件進(jìn)行設(shè)置和對(duì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。發(fā)動(dòng)機(jī)的ECU與地面支持單元和計(jì)算機(jī)的通訊方式為TTL電平的RS232串行通信。因此該型發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)控制器要想同時(shí)控制和監(jiān)測(cè)3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并把參數(shù)反饋給飛行控制計(jì)算機(jī),必須具備輸出6路PWM控制信號(hào)的能力用以控制發(fā)動(dòng)機(jī),同時(shí)具備4路RS232串行通信接口以便同時(shí)與3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)和飛行控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。動(dòng)力系統(tǒng)組成原理圖如圖1所示。

        2 監(jiān)測(cè)控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2.1 硬件設(shè)計(jì)

        根據(jù)對(duì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)控制器進(jìn)行的需求分析,選定MSP430F149作為監(jiān)測(cè)控制器的控制核心。MSP430F149芯片是美國(guó)TI公司推出的超低功耗微處理器,是1款16位的單片機(jī),具有獨(dú)立16位硬件乘法器,帶有2個(gè)串行通信接口,其16位定時(shí)器支持 PWM輸出。同時(shí)還選定ST16C554DCJ68作為串口擴(kuò)展芯片,以滿足監(jiān)測(cè)控制器的4路串口通訊的需求。ST16C554是美國(guó)XREXAR公司生產(chǎn)的通用異步通信芯片,其與Intel8250兼容,是常用的串口擴(kuò)展芯片。含有4個(gè)增強(qiáng)型16C550。支持FIFO模式,每個(gè)發(fā)送器和接收器都帶有16字節(jié)的FIFO緩沖器。

        ST16C554D與Intel8250兼容,因此其內(nèi)部寄存器分布和設(shè)置與Intel8250類似。ST16C554D有16模式和68模式2種,本設(shè)計(jì)中選擇68模式。該模式下需要用到的管腳如下:讀寫信號(hào)控制線R/-W,低電平有效,該信號(hào)線僅在68模式下啟用??刂萍拇嫫鬟x擇線A0~A2,可理解為寄存器地址線,能夠選擇的寄存器有接收寄存器 RHR、發(fā)送寄存器THR、中斷使能寄存器IER、FIFO控制寄存器FCR、中斷狀態(tài)寄存器ISR,行控制寄存起LCR、行狀態(tài)寄存器LSR、波特率設(shè)置寄存器DLL和DLM等。串口選擇線A3~A4,可選擇4路串口。使能信號(hào)線-CS,低電平有效,控制4個(gè)UART AD的使能狀態(tài)。中斷請(qǐng)求線-IRQ,在68模式下,來(lái)自4個(gè)UART A-D的中斷是“Wire-OR”的關(guān)系,該管腳必須接一上拉電阻與VCC相連。復(fù)位信號(hào)線-RESET,在68模式下為低電平有效,觸發(fā)時(shí)會(huì)清空內(nèi)部寄存器和所有輸出,在RESET期間,發(fā)送器和接收器將被禁用。

        圖1 動(dòng)力系統(tǒng)組成原理

        MSP430F149與ST16C554D連接原理圖如圖2所示。

        圖2 MSP430F149與ST16C554D連接原理

        由于MSP430F149的定時(shí)器具有捕獲/比較和輸出PWM波的功能,因此可通過(guò)MSP430F149直接產(chǎn)生PWM脈沖波形,同時(shí)由于MSP430F149是3.3 V電平的邏輯系統(tǒng),而Jet-Cat P200發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的PWM接收器是5 V電平的邏輯系統(tǒng),因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,同時(shí)為了加強(qiáng)PWM脈沖的驅(qū)動(dòng)能力以增加整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力,在MSP430F149后增加了電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC07,它的每路通道使用一個(gè)漏極開路緩沖器,在實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換功能的同時(shí)增加了驅(qū)動(dòng)能力。MSP430F149與ECU的PWM接收器連接原理圖如圖3所示。

        圖3 MSP430F149與ECU的PWM接收器連接原理

        2.2 軟件設(shè)計(jì)

        JetCat P200發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)控制器軟件設(shè)計(jì)主要可分為2個(gè)部分,一個(gè)部分的主要功能是通過(guò)ST16C554擴(kuò)展的串口對(duì)3路發(fā)動(dòng)機(jī)的串口數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和解算,并把數(shù)據(jù)發(fā)送給飛行控制計(jì)算機(jī)。另一個(gè)部分的主要功能是根據(jù)解算出來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速結(jié)合試驗(yàn)測(cè)得的轉(zhuǎn)速-推力曲線通過(guò)調(diào)節(jié)PWM波控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力進(jìn)行控制,以滿足飛行控制計(jì)算機(jī)的要求。

        通過(guò)ST16C554進(jìn)行串口擴(kuò)展主要是通過(guò)對(duì)其內(nèi)的各個(gè)寄存器如接收寄存器RHR、發(fā)送寄存器THR、中斷使能寄存器IER、FIFO控制寄存器FCR等進(jìn)行設(shè)置和讀/寫操作來(lái)實(shí)現(xiàn),這部分功能與在DOS下對(duì)Intel8250進(jìn)行C語(yǔ)言編程時(shí)類似,需要注意的是在編寫底層讀/寫驅(qū)動(dòng)時(shí)的各個(gè)操作的時(shí)序要考慮好。具體讀/寫驅(qū)動(dòng)的編寫以讀操作為例其流程如圖4所示。

        圖4 讀操作流程

        通過(guò)對(duì)JetCat發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)其ECU的通訊方式為應(yīng)答式,即上位機(jī)如地面支持單元(GSU)發(fā)送查詢命令,ECU回告相應(yīng)的參數(shù)信息。通訊的編碼格式為ASCII,主要的查詢命令有以下 2 種:“1,RFI,0”和“1,RAC,1”。通過(guò)這2個(gè)命令可以查詢到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、缸溫、電池電壓等信息。如發(fā)送“1,RFI,0”命令后 ECU 將會(huì)回告“1,HS,OK,0,500,0,6.93,87”其中的“6.93”即為當(dāng)前電池電壓。根據(jù)ST16C554的特點(diǎn)結(jié)合JetCat發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的通訊方式,設(shè)計(jì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)控制器與ECU的通訊模式為以一定時(shí)間為周期,對(duì)3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)分別發(fā)送查詢命令,并把解算后的信息傳送給飛行控制計(jì)算機(jī)。具體通訊程序流程如圖5所示。

        由于采用3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)按正三角形進(jìn)行排列,即三角型的每個(gè)角固定一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī),因此要保證推力盡量靠近中心,需要使3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力盡可能的接近。由于只在低空飛行該型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的推力主要決定因素為轉(zhuǎn)速,因此設(shè)計(jì)時(shí)首先測(cè)量了3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力與轉(zhuǎn)速曲線,同時(shí)油門以10%為步進(jìn)進(jìn)行調(diào)節(jié),測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生變化后的穩(wěn)定時(shí)間,由于發(fā)動(dòng)機(jī)油門每變化10%的穩(wěn)定時(shí)間是隨著油門的增加而逐漸減小,且比例接近線性關(guān)系,因此最后決定采用PI控制調(diào)節(jié)3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的油門以保證3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力相近。轉(zhuǎn)速與油門的模型如圖6所示。

        圖5 通訊程序流程

        圖6 轉(zhuǎn)速與油門的模型

        3 結(jié)束語(yǔ)

        本文基于MSP430F149和ST16C554設(shè)計(jì)了一型針對(duì)3臺(tái)JetCat P200型小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的監(jiān)測(cè)控制器。該型監(jiān)測(cè)控制器通過(guò)大量前期試驗(yàn)測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的通信協(xié)議以及推力和轉(zhuǎn)速曲線,很好的實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并協(xié)調(diào)控制的功能,為飛行控制計(jì)算機(jī)控制飛行提供了有力的保證。

        [1]董燕飛.基于MSP430的直流電機(jī)PWM調(diào)速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2010,31(6):206-208.

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