張應(yīng)猛

(中航貴州飛機有限責(zé)任公司，貴州 安順 561018)

機上地面試驗測試等工作中，經(jīng)常需要提供某些必要的系統(tǒng)信號、激勵參數(shù)、交聯(lián)環(huán)境等狀態(tài)模擬仿真條件[1]。如：傳感器信號，輪載、輪速、起落架等狀態(tài)信號，載荷激勵信號，系統(tǒng)通信總線信號等。

飛機發(fā)動機低壓渦輪后燃氣溫度(T4溫度)是監(jiān)測飛機發(fā)動機工作的重要信號[2-3]。主要通過機上測溫單元(熱電偶及調(diào)理電路)進行轉(zhuǎn)換，由飛控、飛管、機電、飛參等系統(tǒng)進行采集、記錄和輸出。在飛機設(shè)計生產(chǎn)中，需要在不開車條件下對機上相關(guān)系統(tǒng)開展地面試驗進行標定和測試，以保證飛機飛行或發(fā)動機工作中，對動力系統(tǒng)工作的監(jiān)測以及控制響應(yīng)的可靠性。需要一種可對機上測溫單元信號輸出進行模擬的專用試驗裝置。

何健等[4]在航空發(fā)動機溫度信號自動標定技術(shù)研究中，對傳統(tǒng)的發(fā)動機溫度信號標定方法進行了研究。針對傳統(tǒng)方法一般通過電阻箱手動給定標準電阻值對機上熱電阻進行模擬，或通過校驗儀手動給定標準毫伏信號對熱電偶信號進行模擬，工作效率低，出錯率高等問題，在航空發(fā)動機高溫燃氣溫度測量一般采用的 K 型熱電偶，正常工作時輸出電動勢約為 0～50 mV的信號模擬實現(xiàn)中，通過采用NI Crio控制器、高速開關(guān)量輸入輸出模塊(NI 9401)、12位MAX532 轉(zhuǎn)換芯片和信號衰減運放等設(shè)計的發(fā)動機溫度模擬裝置，顯著提高了溫度模擬信號輸出準確度。在溫度信號標定工作中實現(xiàn)了多通道同時自動標定的作用，極大地提高了航空發(fā)動機外場試車的效率。然而，對于飛機常規(guī)生產(chǎn)試驗使用來說，該方法設(shè)計采用的NI Crio控制器、高速開關(guān)量輸入輸出模塊(NI 9401)等組件仍較為昂貴。且需要便攜式計算機、控制器及上位機軟件等配套支持，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝效費比較低。

針對某型機發(fā)動機低壓渦輪后燃氣溫度采集、記錄和輸出等系統(tǒng)機上地面試驗需求，采用AT89C2051單片機、MAX541高速16位串行D/A轉(zhuǎn)換器為核心開發(fā)設(shè)計的發(fā)動機溫度模擬器，對機上測溫單元工作輸出信號進行模擬，實現(xiàn)了1.52～53.48 mV輸出范圍、分辨率1 μV、精度優(yōu)于±5 μV的系統(tǒng)作用。滿足了飛機科研生產(chǎn)對試驗裝置提出的結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、工藝效費比高的需求，在發(fā)動機溫度標定等機上地面試驗中實現(xiàn)了較高的精度和效率。

1 設(shè)計方案

1.1 設(shè)計要求

為滿足飛機系統(tǒng)機上地面試驗的發(fā)動機溫度信號標定需求，對發(fā)動機低壓渦輪后燃氣溫度機上測溫單元的溫度-小電壓信號轉(zhuǎn)換輸出工作，需要通過試驗裝置的替代，實現(xiàn)在發(fā)動機不開車條件下對全溫度范圍內(nèi)的信號輸出模擬作用。所需發(fā)動機溫度模擬器的技術(shù)指標設(shè)計要求如表1所示。

1.2 應(yīng)對措施

為滿足設(shè)計和使用要求，經(jīng)分析研究，主要采取以下設(shè)計原理方法。

表1 發(fā)動機溫度模擬器技術(shù)指標設(shè)計要求

① 采用D/A轉(zhuǎn)換器、電壓基準、衰減緩沖及單片機等設(shè)計的單片機控制的D/A電壓轉(zhuǎn)換電路[7]和相應(yīng)軟件，設(shè)計構(gòu)成一種基于D/A信號轉(zhuǎn)換技術(shù)和單片機控制的高精度小電壓信號輸出電路系統(tǒng)。其電路設(shè)計原理結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 電路原理結(jié)構(gòu)框圖

② 根據(jù)機上測溫單元的溫度-小電壓轉(zhuǎn)換輸出曲線，合理選用設(shè)計D/A轉(zhuǎn)換器二進制轉(zhuǎn)換位數(shù)n和緩沖衰減電路的衰減系數(shù)S，使裝置的信號輸出范圍和準確度得以同時滿足設(shè)計的要求。該裝置設(shè)計的D/A信號轉(zhuǎn)換數(shù)字量按式(1)進行計算設(shè)定。

D=Vtmp·S·Δu

(1)

式中，D為一定溫度-小電壓信號轉(zhuǎn)換的數(shù)字量；Vtmp為一定溫度-小電壓信號轉(zhuǎn)換的模擬量；Δu為D/A信號轉(zhuǎn)換電路的分辨率，由式(2)計算決定。

Δu=Vref/2n

(2)

式中，Vref為D/A轉(zhuǎn)換電路的參考電壓。

③ 通過按鍵操作和顯示輸出單元電路的設(shè)計，以使裝置具有獨立操作使用的能力；通過RS232程控串行接口電路設(shè)計，以使裝置具有程控輸出使用的能力。設(shè)計采用寬電壓DC/DC模塊進行供電，以適應(yīng)DC 28 V供電的使用需求環(huán)境。

2 硬件設(shè)計

2.1 主要器件選型

根據(jù)設(shè)計方案，該裝置硬件系統(tǒng)電路設(shè)計中，對D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)等選型設(shè)計至為重要，對系統(tǒng)信號輸出范圍和準確度等關(guān)鍵指標的影響重大。該裝置硬件設(shè)計中，D/A轉(zhuǎn)換器選用高速16位的MAX541串行D/A轉(zhuǎn)換器[5-6]作為D/A轉(zhuǎn)換電路的核心器件，接口結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)換輸出信號非線性小、精度高；選用MAX6225電壓基準芯片為該D/A轉(zhuǎn)換器提供精確、穩(wěn)定的外部參考電壓信號，確保D/A信號轉(zhuǎn)換輸出準確度；選用共模抑制比高，增益誤差和非線性小，輸出負載能力強的INA105比例運算放大器，與其他外圍器件構(gòu)成D/A信號轉(zhuǎn)換輸出的衰減緩沖電路，可將系統(tǒng)電路輸出的信號整定至設(shè)計要求范圍內(nèi)，對改善裝置的信號輸出分辨率和準確度至為關(guān)鍵；由4位LED顯示模塊、74HC139二-四譯碼驅(qū)動器、74248數(shù)碼段位驅(qū)動器、MAX232串行接口芯片、按鈕開關(guān)、發(fā)光二極管等設(shè)計構(gòu)成操作顯示及程控接口電路，D/A轉(zhuǎn)換及顯示操作等控制選用AT89C2051單片機為核心設(shè)計實現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)應(yīng)用成熟、實現(xiàn)成本低廉。

2.2 電路設(shè)計

(1) 單片機控制D/A轉(zhuǎn)換電路。

該電路由AT89C2051單片機、MAX541高速低功耗串行16位D/A轉(zhuǎn)換器、MAX6225電壓基準芯片和MAX232串口驅(qū)動器等設(shè)計構(gòu)成。電路原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單片機控制D/A轉(zhuǎn)換電路原理圖

單片機AT89C2051通過I/O端口P1.6、P1.7、P3.7與D/A轉(zhuǎn)換器MAX541數(shù)據(jù)輸入(管腳6)、串行時鐘輸入(管腳5)、片選輸入(管腳4)端連接，通過軟件運行對D/A轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)寫入和轉(zhuǎn)換輸出控制。

MAX6225電壓基準芯片為D/A轉(zhuǎn)換器MAX541工作提供高精度的信號轉(zhuǎn)換參考電壓，該電路參考電壓設(shè)計為2.048 V，通過式(2)計算可知：D/A轉(zhuǎn)換信號輸出理論分辨率達31.25 μV。

MAX232串口驅(qū)動器構(gòu)建的RS232串行接口電路，可滿足裝置程控使用需求。

(2) 衰減緩沖輸出電路。

該電路采用INA105比例運算放大器、電阻R7、R8、W1等設(shè)計構(gòu)成。電路結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

D/A轉(zhuǎn)換輸出信號經(jīng)R7、R8分壓衰減，W1衰減系數(shù)微調(diào)，通過INA105比例運放芯片進行緩沖，使系統(tǒng)最終實現(xiàn)分辨率1 μV、范圍0～65.536 mV的理論輸出作用。系統(tǒng)轉(zhuǎn)換輸出分辨率Δu和最大輸出Umax可通過式(3)計算。

圖3 調(diào)整輸出電路原理圖

Umax=S·Δu·2n

(3)

式中，n為所選用D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)二進制位數(shù)；S為衰減系數(shù)由式(4)近似計算。

S=R8/(R7+R8)

(4)

由于INA105輸出驅(qū)動電流較大，用于機上在線輸出試驗時能夠保證足夠的負載驅(qū)動能力。

為保證模擬器信號輸出的精度和穩(wěn)定性，緩沖輸出電路的R7、R8及W1選用溫度系數(shù)較小的金屬電阻，該裝置信號輸出采用抗干擾良好的雙絞屏蔽電纜與機上系統(tǒng)連接，能夠保證輸出信號具有較高的精度。

(3) 顯示及按鍵控制電路。

該電路由74248數(shù)碼段位驅(qū)動器、74HC139二-四譯碼驅(qū)動器、4位LED顯示模塊設(shè)計構(gòu)成；通過AT89C2051單片機P1.0～P1.5端口進行驅(qū)動，控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示。界面操作由按鍵開關(guān)K1、K2、K3，電阻R4、R5、R6和按鍵操作指示燈D1、D2、D3設(shè)計構(gòu)成，按鍵操作及響應(yīng)通過單片機端口P3.2、P3.3、P3.4進行掃描監(jiān)控，以實現(xiàn)信號輸出調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)顯示切換功能。電路原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 調(diào)整輸出電路原理圖

(4) 供電電路。

該電路由DC/DC電源模塊、開關(guān)、插座及指示燈等設(shè)計構(gòu)成，以滿足DC 28 V電源供電的使用環(huán)境需求。

3 軟件設(shè)計

主要根據(jù)電路結(jié)構(gòu)及接口關(guān)系進行軟件開發(fā)設(shè)計，包含主程序和若干功能子程序模塊。重點根據(jù)飛機生產(chǎn)試驗需要，對300 ℃，350 ℃，…，1000 ℃共15個溫度進行模擬輸出控制。同時為兼顧其他復(fù)雜系統(tǒng)標定試驗需要，由工控機等通過RS232接口進行程控，實現(xiàn)溫度信號模擬輸出作用。主要功能如下：

① 對模擬溫度的輸出進行數(shù)字-電壓轉(zhuǎn)換控制；

② 對模擬溫度及電壓信號數(shù)據(jù)進行顯示控制；

③ 對模擬器按鍵操作進行監(jiān)控和響應(yīng)，實現(xiàn)常規(guī)試驗所需溫度信號的模擬輸出作用；

④ 響應(yīng)外部程控指令，實現(xiàn)溫度信號模擬作用。

3.1 主程序設(shè)計

主程序包含系統(tǒng)初始化、按鍵掃描監(jiān)控、動態(tài)數(shù)據(jù)顯示控制、按鍵功能子程序調(diào)用和程控調(diào)用等系統(tǒng)控制管理功能。程序初始化啟動完成后，即進入程控狀態(tài)查詢和按鍵操作掃描主模式。若有響應(yīng)，即控制調(diào)用相應(yīng)子程序進行數(shù)據(jù)設(shè)定、D/A轉(zhuǎn)換和顯示切換等控制，完成后恢復(fù)掃描查詢主模式。數(shù)據(jù)輸出顯示采用動態(tài)顯示控制方式，由單片機內(nèi)部定時器T0進行定時中斷控制。主程序流程結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3.2 子程序功能模塊設(shè)計

子程序主要包含按鍵掃描、D/A轉(zhuǎn)換控制、數(shù)據(jù)動態(tài)顯示控制及切換等功能子程序模塊。

(1) 按鍵操作掃描。

圖6 按鍵掃描識別

(2) D/A轉(zhuǎn)換控制。

圖7 D/A轉(zhuǎn)換控制

(3) 動態(tài)顯示控制。

圖8 動態(tài)顯示定時中斷

(4) 數(shù)據(jù)顯示切換。

正常設(shè)計的信號輸出顯示為溫度，單位為℃；若主程序掃描有mV/℃按鍵操作，則切換顯示對應(yīng)小電壓數(shù)據(jù)，單位為mV；數(shù)秒后恢復(fù)顯示溫度。流程結(jié)構(gòu)如圖5、圖8所示。

4 調(diào)試及驗證

4.1 系統(tǒng)調(diào)試

(1) 硬件系統(tǒng)調(diào)試。

重點對后級衰減緩沖輸出電路單元電阻R7、R8和W1的阻值狀態(tài)進行調(diào)整，以提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換輸出的分辨率，使之達到1 μV左右。由該單元電路R7、R8和W1實現(xiàn)的理論信號衰減系數(shù)應(yīng)為31.25左右，R7、R8和W1的阻值分別為1 kΩ、30 kΩ和2 kΩ。調(diào)試采取程控方式對D/A轉(zhuǎn)換單元寫入最大或一半的轉(zhuǎn)換數(shù)字量，采用0.01級、100 mV量程的高精度直流標準表對溫度模擬器的輸出端信號直接測量的方式進行。調(diào)整W1的值，使輸出測量的電壓與D/A轉(zhuǎn)換參考電壓值(2.048 V)或其一半的比值盡量接近于1/31.25。

(2) 軟件系統(tǒng)調(diào)試。

對主程序和D/A轉(zhuǎn)換控制等關(guān)鍵功能子程序進行調(diào)試，使之滿足系統(tǒng)控制需要。尤其是模擬該溫度模擬器與機上測溫單元等系統(tǒng)在線并接的使用環(huán)境(約3 Ω左右輸出負載)，在按鍵操作狀態(tài)下，采用高精度直流標準表對信號輸出進行測量，通過對比、分析，對各模擬溫度狀態(tài)下的D/A轉(zhuǎn)換數(shù)字量進行修正補償，從而提高信號輸出的精度。

硬、軟件系統(tǒng)調(diào)試采用的裝置及連接如圖9所示。

圖9 實驗室測試系統(tǒng)連接框圖

軟件系統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換數(shù)字量修正前后的信號輸出測量數(shù)據(jù)對比如表2所示。

表2 模擬信號輸出及D/A轉(zhuǎn)換數(shù)字量調(diào)試數(shù)據(jù)對比

通過表2對輸出信號進行的修正前和修正后的測量數(shù)據(jù)與標稱輸出數(shù)據(jù)的分析比較，能夠反映出該裝置設(shè)計的D/A轉(zhuǎn)換和后級輸出電路存在著一定的非線性作用。但經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換數(shù)字量修正等軟件調(diào)試，使得信號輸出準確度得以改善提高，達到了設(shè)計的要求。

4.2 測試驗證

設(shè)計的溫度模擬器裝置經(jīng)調(diào)試驗證后，操作顯示良好、工作狀態(tài)穩(wěn)定，模擬信號輸出范圍和準確度等均滿足設(shè)計指標要求。用機上DC 28 V電源對溫度模擬器進行供電，其信號輸出用雙絞屏蔽電纜與機上系統(tǒng)進行連接，并采用高精度直流毫伏表對其輸出進行監(jiān)測；在機上T4溫度采集測量單元無信號輸出的狀態(tài)下，通過機上T4溫度指示輸出單元的輸出顯示進行觀察試驗。試驗裝置連接關(guān)系如圖10所示。

圖10 機上測試系統(tǒng)連接框圖

測試驗證表明：該溫度模擬器在設(shè)計要求的信號輸出范圍內(nèi)，輸出信號偏差均在±10 μV以內(nèi)；機上T4溫度指示單元輸出的對應(yīng)溫度均與溫度模擬器顯示的輸出狀態(tài)一致。該裝置在機上試驗過程中，具有使用連接方便、控制操作響應(yīng)良好、工作穩(wěn)定等優(yōu)越表現(xiàn)，滿足了相關(guān)系統(tǒng)機上地面試驗使用需求，提高了試驗精度和工作效率。

5 結(jié)束語

相比傳統(tǒng)技術(shù)及裝置，基于D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)動機溫度模擬器在飛機生產(chǎn)中，為發(fā)動機溫度標定試驗提供了使用連接極為方便的專用溫度信號模擬裝置。該溫度模擬器具有結(jié)構(gòu)小、重量輕、信號輸出準確等特性，尤其適于機上試驗使用。設(shè)計采用的硬件和軟件可根據(jù)需要進行簡單的升級改進，以滿足更為復(fù)雜的應(yīng)用需求。