張曉敏　孫保良

摘 要： 燃油測量是保證飛機(jī)燃油系統(tǒng)正常、準(zhǔn)確運(yùn)行的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，燃油測量系統(tǒng)的測量精度、可靠性和維護(hù)性對飛機(jī)的整體性能有著重要的影響。隨著微電子技術(shù)發(fā)展，燃油測量系統(tǒng)數(shù)字化趨勢明顯，使其在故障分析和測試及故障隔離重構(gòu)等技術(shù)上有了發(fā)展的空間。設(shè)計(jì)了基于機(jī)載數(shù)字控制器的燃油測量系統(tǒng)，經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，該測量系統(tǒng)具有工作可靠、測試準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字控制器； 燃油測量； 傳感器； 故障分析

中圖分類號： TN06?34； TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）11?0129?03

Abstract： Fuel measurement is an important step to ensure the fuel system of airplane to run formally and precisely. Its measurement precision， reliability and maintainability have great influence on the performance of the whole airplane. The digital tendency of the fuel quantity measurement system is more and more obvious with the development of microelectronic technique. Therefore， there is a room to develop it in the technologies of fault analysis， testing and fault isolation and so on. A fuel measurement system based on airborne digital controller was designed. It is proved by many tests that the system has the advantages of working reliability and accurate measurement.

Keywords： digital controller； fuel quantity detection； sensor； fault analysis

0 引 言

燃油測量系統(tǒng)通過對傳感器輸出信號進(jìn)行變換，處理傳感器所感受的油位、燃油介電常數(shù)為數(shù)字信號，進(jìn)而在機(jī)載數(shù)字控制器上解算出油箱內(nèi)油面的油位高低，同時根據(jù)油箱油位和油面姿態(tài)從質(zhì)量特性數(shù)據(jù)庫中解算出燃油體積，再通過燃油密度傳感器實(shí)時解算油箱內(nèi)燃油密度，最終測量出各油箱燃油質(zhì)量（重量），從而實(shí)現(xiàn)高精度的油量測量。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

燃油測量系統(tǒng)的CIM（電容接口模塊）采用UCP機(jī)箱的專用標(biāo)準(zhǔn)，總線采用RS 422A標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，通過RS 422A通信協(xié)議和燃油UCP機(jī)箱總線接口模塊（BIM）交換數(shù)據(jù)。燃油測量系統(tǒng)接收傳感器數(shù)據(jù)以及航姿信號，在傳感器處理專用模塊轉(zhuǎn)換信號，在機(jī)載數(shù)字控制器中對油位介電常數(shù)處理模塊以及密度溫度等測量模塊進(jìn)行邏輯和時序控制、故障診斷等，并結(jié)合航姿信號等數(shù)據(jù)計(jì)算油量。一個基于機(jī)載數(shù)字控制器的燃油測量平臺需要實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1） 測量飛機(jī)各油箱的燃油油量、全機(jī)總油量；

（2） 測量飛機(jī)各油箱的燃油介電常數(shù)，用于修正油位高度測量誤差；

（3） 測量飛機(jī)油箱的燃油密度，用于修正燃油質(zhì)量測量誤差；

（4） 測量飛機(jī)油箱的燃油溫度，用于供油箱、熱油箱溫度監(jiān)控；

（5） 左、右機(jī)翼油箱組油量不平衡時，發(fā)出不平衡告警信號；

（6） 具有燃油異常消耗、燃油泄漏等危險狀態(tài)的判斷及告警功能；

（7） 系統(tǒng)具有機(jī)內(nèi)自檢測（BIT）功能。

為實(shí)現(xiàn)上述功能，本文主要對傳感器信號處理模塊和機(jī)載數(shù)字控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 傳感器信號處理模塊設(shè)計(jì)

1.1 油位、介電常數(shù)處理模塊

油位、介電常數(shù)都屬于電容信號，為了能夠增強(qiáng)傳感器部件的可靠性，電容信號轉(zhuǎn)換采用數(shù)字電橋處理技術(shù)（數(shù)字式零位平衡技術(shù)）。它是一種交流平衡式測量技術(shù)，利用控制器控制下的數(shù)字器件完成平衡。數(shù)字電橋處理技術(shù)原理框圖如圖2所示。

1.2 溫度/密度傳感器信號處理模塊

溫度傳感器信號大多為PT100或PT1000的電阻信號，電阻信號轉(zhuǎn)換采用電阻電橋處理，原理框圖如圖3所示。

待測電阻為非平衡電阻電橋的一個橋臂，加入電壓基準(zhǔn)后輸出壓差信號。數(shù)字控制單元控制A/D器件，將壓差信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。密度傳感器為諧振式直接測量密度傳感器，主要通過頻率信號的變化來表示燃油密度的變化。故在本系統(tǒng)中將頻率周期信號經(jīng)過調(diào)理、放大、濾波后形成周期方波，通過在一定時間內(nèi)計(jì)算方波個數(shù)來得到密度數(shù)據(jù)。

2 機(jī)載數(shù)字控制器設(shè)計(jì)

飛機(jī)燃油測量系統(tǒng)將向高精度、高可靠性，智能化、綜合化方向發(fā)展，即需要具備較大的程序和數(shù)據(jù)存儲單元，提供系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)處理和分析的能力；較高的工作頻率以適應(yīng)實(shí)時測量環(huán)境和快速相應(yīng)中斷的能力；較強(qiáng)的外部接口擴(kuò)展能力，以適應(yīng)不同的測量平臺應(yīng)用以及在線檢測平臺；較強(qiáng)算法處理器單元，滿足燃油測量系統(tǒng)中日趨多樣的算法和數(shù)據(jù)要求；并且具有快速可更換和模塊自檢測的能力。

2.1 機(jī)載數(shù)字控制器組成

針對設(shè)計(jì)需求，機(jī)載數(shù)字控制器主要由CPU，F(xiàn)LASH，F(xiàn)PGA，CPLD，RS 232C串口驅(qū)動器、電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動器、晶振和電源模塊等組成，如圖4所示。

DSP通過外部FLASH加載程序運(yùn)行，通過將FPGA中的雙口RAM資源，譯碼器資源，UART通信模塊資源，控制邏輯資源等用不同的地址總線和DSP的內(nèi)部命令一一映射，以實(shí)現(xiàn)D/A、A/D器件工作控制，電容通道選通，電橋檔位選擇，狀態(tài)監(jiān)控讀入，BIT自檢測啟動命令等功能。

本機(jī)載數(shù)字控制器的通信采取了通過DMA（直接內(nèi)存存?。┓绞竭M(jìn)行通信接口傳輸數(shù)據(jù)，不需要依賴DSP的大量中斷資源，即DMA控制器將通信接口的輸入信息讀入內(nèi)部解碼器解碼后存入內(nèi)部存儲器、或?qū)?nèi)部存儲器的數(shù)據(jù)寫入通信接口輸出給外部，只需要DSP進(jìn)行DMA的傳輸初始化，便可以在FPGA中獨(dú)立完成數(shù)據(jù)的傳輸。由于FPGA內(nèi)部RAM單元有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)存貯能力，數(shù)據(jù)的傳輸更新可以做到盡可能不占用過多的程序周期，加強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性（可以增減UART的數(shù)量，獨(dú)立設(shè)置UART屬性），提高數(shù)字控制器對信號周期處理效率。

2.2 機(jī)載數(shù)字控制器功能

機(jī)載數(shù)字控制器原理框圖如圖5所示。主要包括A/D采集控制，D/A輸出控制，多路開關(guān)信號輸出控制及BIT電路控制和通信控制4個部分。

（1） A/D采集控制

A/D采樣控制在最新的燃油測量系統(tǒng)中主要用于電阻信號，主要是溫度傳感器的信號采集和密度傳感器電阻參數(shù)部分的信號采集。和以往的A/D采樣數(shù)據(jù)存儲在DSP的RAM中不同，該數(shù)字控制器A/D采集時通過FPGA內(nèi)部編程設(shè)計(jì)的A/D采集控制器一次采集所有通道數(shù)據(jù)存入內(nèi)部存儲器。此模式可以將DSP采集A/D的周期時間大大提高，不受限于其他處理任務(wù)。

（2） D/A輸出控制

D/A器件控制是數(shù)字電橋電路的核心部分之一，其關(guān)鍵技術(shù)是如何將D/A控制和D/A輸出穩(wěn)定性和數(shù)字電橋的求和電路部分高效的結(jié)合起來。該機(jī)載控制器DAC輸出是由DSP寫數(shù)據(jù)到CPLD內(nèi)部的鎖存器，鎖存器鎖存數(shù)據(jù)直接輸出到D/A器件。同時，數(shù)字電橋?qū)AC輸出的模擬信號加載到平衡電容上，不斷和傳感器電容激勵后的信號求和比較，直到平衡為止（參考圖2），以此和DSP算法模塊共同完成電容信號的采集計(jì)算。

（3） 多路開關(guān)信號輸出控制及BIT電路控制

由于數(shù)字電橋電路的特點(diǎn)，采集多通道的電容信號通常運(yùn)用模擬開關(guān)進(jìn)行通道切換，電阻采集同樣將電阻的信號通過模擬開關(guān)輸入到電橋中，這就需要通過DSP發(fā)出指令并控制指令周期，控制多路開關(guān)的工作狀態(tài)。從DSP中發(fā)出相應(yīng)的指令，經(jīng)過FPGA或者CPLD譯碼后，完成硬件電路的開斷切換，從而為系統(tǒng)BIT測試創(chuàng)造條件。

（4） 通信控制

由圖5可知，該機(jī)載數(shù)字控制器有4個獨(dú)立的收發(fā)接收器（UART）并全部集成在FPGA中，通過DSP向其FPGA內(nèi)相應(yīng)的雙口RAM寫數(shù)，解碼后通過2個DMA單元，交替發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)刷新的同時無需使用DSP的發(fā)送接收SCI中斷。詳細(xì)數(shù)據(jù)流程如圖6所示。

3 結(jié) 語

燃油密度可由密度傳感器直接測量，而燃油總體積算法復(fù)雜，需要將油位高度數(shù)據(jù)和介電常數(shù)補(bǔ)償結(jié)合起來，同時充分考慮燃油分倉處理、姿態(tài)數(shù)據(jù)、邊界條件等數(shù)據(jù)，基于機(jī)載數(shù)字控制器的燃油測量系統(tǒng)具有的強(qiáng)大通信和控制能力來實(shí)現(xiàn)高精度的燃油測量功能。機(jī)載數(shù)字控制器作為將來燃油測量系統(tǒng)的核心處理模塊，具備通用、快速調(diào)試、功能擴(kuò)展、在線檢測等特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)燃油測量、控制、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷隔離、功能重構(gòu)等功能集于一體，大幅度提高了燃油系統(tǒng)的工作效能和飛機(jī)技術(shù)指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] [美]羅伊·蘭頓.飛機(jī)燃油系統(tǒng)[M].顏萬億，譯.上海：上海交通大學(xué)出版社，2010.

[2] 《新航空概論》編寫組.新航空概論[M].北京：航空工業(yè)出版社，2010.

[3] 葉湘濱，熊飛麗，張文娜，等.傳感器與測試技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[4] 田炳麗，胡超，丁風(fēng)雷.基于廣義延拓的Pt1000溫度測量的模塊設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（4）：168?170.

[5] 聶海濤，孫冀璇.基于數(shù)字式飛機(jī)燃油測量系統(tǒng)原理研究[J].電大理工，2011（2）：23?24.

[6] 陳曉軍.機(jī)載數(shù)字式燃油測量控制系統(tǒng)測試技術(shù)[J].測控技術(shù)，2013（4）：18?22.