基于MSP430的ROTAX914發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 偉，胡 強(qiáng)，陳 迪

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

ROTAX 系列航空發(fā)動(dòng)機(jī)是由加拿大龐巴迪- ROTAX發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司制造，具有一流的性能和卓越的功重比，為全世界75% 以上的超輕型飛行器所選用。其中的ROTAX914 發(fā)動(dòng)機(jī)是一款活塞式四沖程四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，廣泛應(yīng)用于“蚋蚊”、“捕食者”和“蒼鷺”等無(wú)人機(jī)。針對(duì)ROTAX914設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)也是應(yīng)用于一款中空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)，該型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含1 個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)單元(EMU)和6 組不同類(lèi)型的傳感器。該型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)的2 路缸溫和2 路廢氣溫度以及1 路滑油溫度和1 路滑油壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)系統(tǒng)中的EMU 還需要與發(fā)動(dòng)機(jī)的TCU 進(jìn)行通訊，把解算下來(lái)的包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油門(mén)開(kāi)度等參數(shù)傳遞給無(wú)人機(jī)的飛行控制計(jì)算機(jī)，幫助飛行控制計(jì)算機(jī)了解發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以便控制無(wú)人機(jī)飛行。

1 系統(tǒng)原理

ROTAX914 發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸溫、廢氣溫度、油壓等進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)還要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、油門(mén)開(kāi)度等信息進(jìn)行收集以保證對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)有一個(gè)全面、準(zhǔn)確及時(shí)的監(jiān)視。為達(dá)到這些需求ROTAX914 發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要采用多種類(lèi)型的傳感器以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)不同的需求，其中發(fā)動(dòng)機(jī)的缸溫和滑油溫度最大不超過(guò)140℃，所以選擇接觸式的鉑電阻傳感器PT1000，廢氣溫度最大不超過(guò)950℃，因此選擇接觸式的K 型熱電偶傳感器。滑油壓力監(jiān)測(cè)采用HoneyWell 壓力傳感器組件，監(jiān)測(cè)范圍0 ～10 bar。系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)單元(EMU)通過(guò)采集這些傳感器換算成相應(yīng)的數(shù)值即可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度和壓力等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)EMU 還要與發(fā)動(dòng)機(jī)的TCU 進(jìn)行通信，把發(fā)動(dòng)機(jī)的其他參數(shù)如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油門(mén)開(kāi)度等信息解算出來(lái)并和監(jiān)測(cè)到的溫度、壓力等參數(shù)一起發(fā)送給飛行控制計(jì)算機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理框圖

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

由于ROTAX914 發(fā)動(dòng)機(jī)的缸溫和油溫最大不超過(guò)140℃，因此選擇鉑電阻傳感器PT1000 測(cè)量其溫度參數(shù)。鉑電阻傳感器是利用金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度變化而變化的物理特性而制成的溫度傳感器。其測(cè)溫精度高、性能穩(wěn)定、易于連續(xù)測(cè)量、無(wú)需參比溫度。對(duì)于中低溫場(chǎng)合，它是一種很好的選擇?，F(xiàn)在常用的PT1000(R0=1 000 Ohm)是以溫度系數(shù)TCR=0.003 851 為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的鉑電阻。其溫度電阻特性在范圍0 ～850℃時(shí)適應(yīng)公式:

其中:Rt是溫度為t 時(shí)的電阻(Ohm);R0是0℃時(shí)的標(biāo)稱電阻;α=3.908 3 ×10-3℃;β=-5.775 ×10-7℃。

從式(1)中可以看出鉑電阻PT1000 的特性表達(dá)式為二次多項(xiàng)式，具有明顯的非線性，由于ROTAX914 發(fā)動(dòng)機(jī)的缸溫溫度變化范圍相對(duì)較小，因此對(duì)鉑電阻的非線性校正采用硬件擬合和軟件校正相結(jié)合的方式。鉑電阻PT1000 的信號(hào)調(diào)理電路主要包含非平衡電橋和差動(dòng)放大器及相關(guān)電路。信號(hào)調(diào)理電路中加入正反饋電阻進(jìn)行校正補(bǔ)償。同時(shí)為了避免由鉑電阻自身發(fā)熱引起溫度變化而產(chǎn)生測(cè)量誤差，流經(jīng)鉑電阻的電流不應(yīng)過(guò)大。放大器選擇OP27，OP27 具有低失調(diào)電壓和漂移特性與高速、低噪聲特性。同時(shí)在調(diào)理放大電路后一級(jí)增加電壓跟隨器以提高輸入負(fù)載，保證測(cè)量中電壓電流不受負(fù)載的影響?；蛪毫ΡO(jiān)測(cè)采用HoneyWell 壓力傳感器組件，輸出信號(hào)為電阻阻值，其所測(cè)量壓力與阻值對(duì)應(yīng)關(guān)系與鉑電阻傳感器類(lèi)似，因此采用類(lèi)似的調(diào)理電路。鉑電阻傳感器調(diào)理電路和跟隨器電路原理圖如圖2 所示。

圖2 鉑電阻傳感器調(diào)理電路和跟隨器電路原理

由于廢氣溫度最高可達(dá)950℃，因此選擇接觸式的K 型熱電偶傳感器測(cè)量其溫度參數(shù)。K 型熱電偶是以鎳鉻合金為正極，鎳硅合金為負(fù)極，兩導(dǎo)體于一端焊接而成。這兩根導(dǎo)體的焊接端稱為K 型的熱電極，其焊接端為熱端，非焊接端為冷端。K 型熱電偶可長(zhǎng)期測(cè)量1 000 ℃的高溫，其重復(fù)性好，產(chǎn)生的熱電勢(shì)大，可到0.041 mV/度。K 型熱電偶傳感器信號(hào)調(diào)理電路主要包括信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償和線性化等幾部分。測(cè)量時(shí)傳感器通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線使測(cè)量端遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)采用冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法，即在調(diào)理電路的電橋中加入PT100 鉑電阻。當(dāng)環(huán)境溫度t0升高時(shí)，電動(dòng)勢(shì)EAB(t，t0)會(huì)減小，但鉑電阻PT100 阻值會(huì)增大，使得電橋輸出電壓UAB同樣會(huì)增大，則EAB(t，t0)+UAB=常數(shù)。UAB計(jì)算公式:

同時(shí)在調(diào)理放大電路后一級(jí)同樣增加電壓跟隨器以提高輸入負(fù)載，保證測(cè)量中電壓電流不受負(fù)載的影響。K 型熱電偶傳感器調(diào)理電路和自動(dòng)補(bǔ)償原理電路圖如圖3 所示。

系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)單元(EMU)除了要采集發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、壓力等各種運(yùn)行參數(shù)外，還需要與發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓控制單元(TCU)進(jìn)行通信，通過(guò)TCU 解算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、油門(mén)開(kāi)度等其他運(yùn)行參數(shù)，并與采集到的信息進(jìn)行整合一起發(fā)送給飛行控制計(jì)算機(jī)，以便飛行控制計(jì)算機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)有一個(gè)全面的監(jiān)視。EMU 中采用MSP430F149 作為處理核心，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)串行通信模塊以及一個(gè)12 位的A/D 轉(zhuǎn)換模塊ADC12。MSP430F149 的ADC12 為SAR 型12 位AD，共有16 路輸入通道，其中8 路獨(dú)立的外部輸入通道，2 路接外部Vref +，Vref-，3 路內(nèi)部通道可分別測(cè)內(nèi)部溫度傳感器、AVCC、和外部參考源。MSP430F149 包含2 個(gè)獨(dú)立的UART 串行通信模塊，其電平為3.3 V 的TTL 電平，而TCU 和飛行控制計(jì)算機(jī)的串口通信為RS232 電平，因此需要增加串口電平轉(zhuǎn)換電路。MSP430F149 的最小系統(tǒng)以及串口電平轉(zhuǎn)換電路圖如圖4 所示。

圖3 K 型熱電偶傳感器調(diào)理電路和自動(dòng)補(bǔ)償原理電路

圖4 MSP430F149 的最小系統(tǒng)以及串口電平轉(zhuǎn)換電路圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

EMU 的軟件設(shè)計(jì)主要包含2 個(gè)部分:A/D 采集及解算部分;串行通信及解算部分。

對(duì)于A/D 采集部分，由于對(duì)傳感器調(diào)理后的電壓與監(jiān)測(cè)的變量不是標(biāo)準(zhǔn)的線性關(guān)系，因此要想精確的測(cè)量需要采集并存儲(chǔ)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可MSP430F149 內(nèi)置的Flash 空間有限，同時(shí)查表過(guò)程會(huì)花費(fèi)單片機(jī)大量時(shí)間，不利于實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，因此采用對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線分段擬合。下面以滑油壓力為例說(shuō)明擬合的方法?；蛪毫鞲衅鳒y(cè)量的油壓與電阻阻值變化以及調(diào)理后的電壓關(guān)系如表1所示。

根據(jù)表1 可以看出滑油壓力與調(diào)理后電壓之間的關(guān)系曲線可以從3 段來(lái)擬合進(jìn)行解算，從而在節(jié)省了存儲(chǔ)空間及解算得時(shí)間的同時(shí)保證了一定的解算精度。滑油壓力與調(diào)理后電壓的擬合原理圖如圖5 所示。

表1 油壓力傳感器油壓、電阻阻值、調(diào)理后電壓關(guān)系

圖5 滑油壓力與調(diào)理后電壓的擬合原理

對(duì)于串口通信與解算部分，TCU 與EMU 之間的通訊為查詢、應(yīng)答方式，即EMU 發(fā)送相關(guān)查詢命令，TCU 予以回告，每次回告2 個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的相關(guān)數(shù)值。查詢命令有10 種，具體查詢命令與回告參數(shù)舉例如表2 所示。

表2 查詢命令與回告參數(shù)舉例

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于MSP430F149 和多種傳感器設(shè)計(jì)了一型針對(duì)ROTAX914 發(fā)動(dòng)機(jī)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)實(shí)際需要進(jìn)行了傳感器的針對(duì)性選型，并針對(duì)這些傳感器設(shè)計(jì)了相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路，同時(shí)通過(guò)大量測(cè)試對(duì)傳感器進(jìn)行了標(biāo)定并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了曲線擬合。該型發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠及時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，為飛行控制計(jì)算機(jī)在飛行過(guò)程中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有全面的了解提供了有力的保證，對(duì)ROTAX 系列發(fā)動(dòng)機(jī)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用。

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