孫景濤，胡永紅

（西北工業(yè)大學 第365研究所，陜西 西安 710065）

發(fā)動機是無人機的動力核心，其工作穩(wěn)定性直接影響無人機的空中飛行安全[1]，定期對發(fā)動機參數(shù)進行測試是保證飛機發(fā)動機性能的正常發(fā)揮和飛行安全的必要手段[2]。因此，為確保發(fā)動機研制、生產(chǎn)、調(diào)試及檢驗過程中對發(fā)動機工況的實時監(jiān)控，必需研發(fā)一種便攜式發(fā)動機綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以便對發(fā)動機的油壓、缸溫以及燃油流量等參數(shù)進行實時監(jiān)控，以保證在發(fā)動機研制、生產(chǎn)、調(diào)試、檢驗與使用過程中實行量化監(jiān)控、快速檢驗故障并實施故障定位，便于操作人員和調(diào)試人員對發(fā)動機的工作狀態(tài)實時掌控，確保將發(fā)動機調(diào)至最佳狀態(tài)。

在發(fā)動機的這些參數(shù)中，對油壓數(shù)據(jù)的準確采集至關(guān)重要，發(fā)動機燃油供給系統(tǒng)的油壓高低直接影響燃油噴射的精確性，從而影響發(fā)動機的工作性能[3]。因此，發(fā)動機油壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是發(fā)動機綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要組成部分。

1 系統(tǒng)概述

發(fā)動機油壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要是對發(fā)動機燃油壓力數(shù)據(jù)進行實時采集、顯示與存儲，由壓力信號采集電路板和手持計算機組成。其中壓力信號采集電路板完成油壓數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換和串口收發(fā)功能；手持計算機完成系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲功能。在實際使用中，將壓力信號采集電路板和壓力傳感器安裝在測量盒內(nèi)，通過電纜和手持計算機相連。壓力信號采集原理框圖如圖1所示。由圖可見：首先將壓力傳感器產(chǎn)生的電流信號通過精密電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后將該電壓信號經(jīng)過放大濾波處理后送給C8051F005型單片機，最后在單片機內(nèi)完成A/D轉(zhuǎn)換并采用RS232串口通信方式發(fā)送給手持計算機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、顯示和保存功能。

2 工作原理

壓力信號采集原理框圖如圖1所示。

圖1 壓力信號采集原理框圖Fig.1 The principle diagram of pressure signal acquisition

其中，壓力傳感器采用國產(chǎn)的MPM430型微壓變送器[4]，其輸出電流范圍為4～20 mA，壓力傳感器的供電由壓力信號采集電路板提供。發(fā)動機油壓測量范圍為5～15 kPa，壓力傳感器產(chǎn)生的電流信號經(jīng)過精密電阻R后，電流信號就轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過濾波放大后轉(zhuǎn)換為適合單片機A/D輸入范圍的電壓U，在單片機內(nèi)完成A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)以X表示，則有：

將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)X通過串口送給手持計算機。手持計算機需要將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為油壓值P顯示出來，由于壓力和電流信號之間是線性關(guān)系，所以，只要測量出兩組壓力和串口數(shù)據(jù)的對應(yīng)值，利用公式：

可以解算出a和b，從而將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為油壓值。

設(shè)計油壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是壓力信號采集電路設(shè)計及C8051F005單片機系統(tǒng)軟硬件設(shè)計。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 壓力信號采集電路設(shè)計

壓力信號采集電路主要完成將壓力傳感器產(chǎn)生的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并將之經(jīng)過濾波和放大后送給下一級電路處理，所以這部分電路是整個油壓采集系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，直接決定了壓力測量的精度。壓力信號采集電路主要由運算放大器及其外圍電路組成，主要完成電流/電壓轉(zhuǎn)換和濾除噪聲的功能，其電路原理圖如圖3所示。

圖2 油壓采集電路原理圖Fig.2 The circuit principle diagram of oil pressure acquisition

如圖所示：信號輸入in為壓力傳感器產(chǎn)生的電流信號，經(jīng)過精密電阻R1后轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后通過濾波、放大后送給單片機。為了保證在全溫度范圍工作時的測量精度，圖中電阻R1必須為精度高、溫度特性好的精密電阻，濾波電路中的所有電阻電容也要選擇溫度特性好的器件。

3.2 C8051F005單片機系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，還要將采集到的模擬電壓型的壓力信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過串口送給手持計算機顯示。選擇低功耗C8051F005型單片機作為A/D轉(zhuǎn)換和串口通信的核心芯片。

本工程采用BIM技術(shù)對核心筒爬模工具進行了建模并與實體結(jié)構(gòu)模型進行了整合，確定了各專業(yè)與爬模的碰撞，并模擬人員行走和疏散路線（見圖23～圖25）。

3.2.1 C8051F005單片機原理

Silicon公司的C8051F005單片機集成在一塊芯片上的混合信號系統(tǒng)級單片機，是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)[5]。具有與MCS－51系列單片機完全兼容的高速CIP－51內(nèi)核；峰值速度可達25MIPS；在一個芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個單片機數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件（包括 PGA、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、UART、SPI、定時器、可編程計數(shù)器/定時器陣列等）；具有大容量的FLASH存儲器[6]。

3.2.2 C8051F005單片機硬件配置電路

C8051F005單片機的硬件配置電路如圖3所示。為提高A/D轉(zhuǎn)換的精度，ADC的參考電壓不使用內(nèi)部參考電壓，而是由外部高精度電壓源來做為外部參考電壓。

在使用時需要注意：盡管RST引腳在內(nèi)部有弱上拉，但最好還要提供一個外部上拉，并對RST引腳去耦以防止強噪聲引起復位。如圖3所示，在RST引腳加一個10 kΩ的上拉電阻和0.1μF的去耦電容。

將壓力信號采集電路輸出的兩路模擬電壓型油壓信號送到C8051F005單片機的ADC模擬輸入管腳AIN0和AIN1，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后通過串口發(fā)送給手持計算機。

3.2.3 串口通信電路設(shè)計

串口通信采用RS232串口收發(fā)芯片ADM3202，采用單+3.3 V電源供電，僅需外接幾個電容即可完成從LVTTL電平到RS－232電平的轉(zhuǎn)換，其硬件配置圖如圖4所示。圖中，RX_in為手持計算機所發(fā)送的自檢指令，TXin是單片機所發(fā)的油壓數(shù)據(jù)。

4 軟件設(shè)計

C8051F005的軟件設(shè)計包括芯片配置、A/D轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計、定時器設(shè)計和RS232串口通信軟件設(shè)計。軟件設(shè)計的整體流程如圖5所示。由圖5可見，主程序開始后，需要先對C8051F005單片機進行初始化，這主要包括振蕩器和I/O端口初始化，初始化完成后，單片機就可以正常工作。然后再調(diào)用3個功能子程序：定時器中斷子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序和串口通信子程序。

4.1 芯片配置

為了正確的使用C8051F005單片機，必須對其進行正確的配置，主要包括配置振蕩器、配置端口I/O的工作方式和配置端口I/O的交叉開關(guān)譯碼器。

1）配置振蕩器。主要是配置內(nèi)部振蕩器控制寄存器OSCICN和外部振蕩器控制寄存器OSCXCN，等待1 ms后如果晶體振蕩器穩(wěn)定標志位有效，則時鐘正常，可以開始執(zhí)行程序。

2）配置端口I/O的工作方式。I/O口的工作方式有漏極開路和推挽兩種方式，可通過對端口配置寄存器置1的方式將相應(yīng)的端口設(shè)為推挽方式。

3）配置端口I/O的交叉開關(guān)譯碼器。由于需要完成串口通信，所以要對I/O口的交叉開關(guān)譯碼器進行配置，也就是將P0.0連到TX，將P0.1連到RX。

4.2 A/D轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計

圖3 C8051F005硬件配置圖Fig.3 Hardware configuration diagram of C8051F005

圖4 ADM3202硬件配置圖Fig.4 Hardware configuration diagram of ADM3202

圖5 軟件設(shè)計流程圖Fig.5 Flow chart the software design

C8051F005可以分時完成外部8路A/D轉(zhuǎn)換，ADC子系統(tǒng)包括一個9通道的可配置模擬多路開關(guān)（AMUX），一個可編程增益放大器和一個100 ksps、12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC中還集成有跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器。

A/D的轉(zhuǎn)換過程依據(jù)C8051F005單片機的A/D轉(zhuǎn)換時序圖。由圖6可見，在進行A/D轉(zhuǎn)換前需對ADC進行初始化，這主要包括配置ADC的輸入方式為單端還是雙端、配置AMUX配置寄存器AMX0CF、配置AMUX通道選擇寄存器AMUX0SL、配置 ADC配置寄存器 ADC0CF、配置ADC控制寄存器ADC0CN，對ADC正確初始化后就可以啟動A/D轉(zhuǎn)換，等到A/D轉(zhuǎn)換完成后，將轉(zhuǎn)換出的數(shù)據(jù)放入設(shè)定的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，供其他子程序調(diào)用。

圖6 A/D轉(zhuǎn)換流程圖Fig.6 Flow chart of A/D transformation converter

4.3 定時器設(shè)計

C8051F005內(nèi)部有4個定時/計數(shù)器，這里采用定時器3，采用自動重裝載方式，每25 ms產(chǎn)生一個定時器中斷，其中斷向量為73 H。先配置時鐘控制寄存器CKCON，使定時器使用系統(tǒng)時鐘，在清定時器3的溢出標志后向寄存器TMR3RLL和TMR3RLH寫入初始值。

4.4 串口通信軟件設(shè)計

串口通信軟件設(shè)計包括串行口初始化子程序和串口發(fā)送子程序，其中串口發(fā)送采用查詢方式，其流程圖如圖7所示。

圖7 串口發(fā)送流程圖Fig.7 Flow chart of serial port sending

串口初始化主要包括配置寄存器SCON、CKON和SMOD；定時器置初值；啟動定時器。串口發(fā)送的主要流程是先將數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的首地址分別送給寄存器R0和R1，然后將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送到SBUF，然后開始發(fā)數(shù)。由于單片機的串口是按字節(jié)來操作的，所以必須等到發(fā)送一個字節(jié)結(jié)束后，再發(fā)送下一個字節(jié)，直到把數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)全部發(fā)送出去為止。

5 結(jié) 論

便攜式發(fā)動機油壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為無人機發(fā)動機生產(chǎn)、調(diào)試、使用過程中所需的配套產(chǎn)品，具備參數(shù)精準測量、測量數(shù)據(jù)實時顯示和數(shù)據(jù)記錄功能，并具備便攜式的優(yōu)點。這就避免了以往無法量化和保留現(xiàn)場數(shù)據(jù)以供后期分析等方面的缺陷，擺脫了發(fā)動機調(diào)試必須由專業(yè)設(shè)計人員靠經(jīng)驗來進行調(diào)試的傳統(tǒng)模式，徹底解放了發(fā)動機設(shè)計人員，使用戶或調(diào)試人員可以通過該設(shè)備實時監(jiān)控發(fā)動機狀態(tài)并將發(fā)動機調(diào)至良好的最終使用狀態(tài)。

該發(fā)動機油壓測量系統(tǒng)已經(jīng)通過了系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和產(chǎn)品定型鑒定，其各項指標在全溫度范圍內(nèi)均達到了研制要求，其中測量精度可達滿量程的±2%，同時設(shè)備運行穩(wěn)定可靠，目前已作為發(fā)動機的配套產(chǎn)品裝備在某型號無人機中。

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