基于ARM的PT泵試驗(yàn)臺燃油計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(防空兵學(xué)院 導(dǎo)彈系, 河南 鄭州　450052)

引言

現(xiàn)代電子控制技術(shù)在發(fā)動機(jī)噴射系統(tǒng)中的應(yīng)用大大改善了發(fā)動機(jī)性能。電噴發(fā)動機(jī)噴油器噴油量特性是決定噴油器性能的重要因素。因此對噴油器噴油量的高精度、高效率測量是噴油器技術(shù)性能評定的重要環(huán)節(jié)[1]，同時(shí)也是對有故障的噴油器進(jìn)行故障分析的依據(jù)。PT噴油器噴油量實(shí)驗(yàn)主要檢測在不同的供油壓力、不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)載條件下精確流量，沖擊壓力達(dá)1200大氣壓，每秒20次，流量只有每分鐘幾十毫升，屬于高沖擊、非連續(xù)微小流量檢測，精確檢測難度較大。針對這一問題，本研究設(shè)計(jì)了基于嵌入式系統(tǒng)的噴油量計(jì)量系統(tǒng)，利用ARM的數(shù)據(jù)采集、電平輸出控制，油脈沖變截面衰減與穩(wěn)壓、累積計(jì)量、光電液面監(jiān)測等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了定容高沖擊、非連續(xù)微小流量的光電檢測，并設(shè)計(jì)了多用途流量檢測裝置，實(shí)現(xiàn)了不同流量范圍的檢測，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1　燃油計(jì)量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

燃油計(jì)量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括：處理器模塊，控制器模塊，光電監(jiān)測模塊，電源模塊，存儲模塊、外圍接口。

圖1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1　處理器模塊

為滿足測量裝置功耗低、體積小，便于攜帶的要求，本測量系統(tǒng)選用S3C6410A芯片作為主處理器。該芯片工作頻率最高可達(dá)667 MHz，并含有以下部件：LCD 顯示屏接口、標(biāo)準(zhǔn)RS232串口、USB Host 1.1接口、117個(gè)通用I/O、8路A/D通道、5路32 Bit PWM和1個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘控制器、24路外部中斷等，能夠與常用的外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)無縫連接。

1.2　電源模塊

ARM開發(fā)板內(nèi)核的工作電壓是1.8 V，儲存器、LCD觸摸屏以及A/D采集通道接口工作電壓均為3.3 V，其他外圍電路則使用5 V電源。基于各模塊供電電壓的不同，設(shè)備采用117系列低壓直流穩(wěn)壓芯片將5 V的直流供電電源分別轉(zhuǎn)為1.8 V和3.3 V。電源模塊電路設(shè)計(jì)時(shí)均采用電容濾波，減少高頻于擾。

1.3　光電監(jiān)測模塊

此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊包括光電液面?zhèn)鞲衅?、速度傳感器、運(yùn)算放大電路、A/D采集模塊。A/D采集模塊是芯片內(nèi)部集成的8通道模擬輸入的10/12位A/D轉(zhuǎn)換器，輸入電壓為3.3 V，具有片上采樣保持功能，并支持掉電模式，最大工作時(shí)鐘為5 MHz，最大轉(zhuǎn)換速率可達(dá)1 Msps，能夠快速捕獲0～3.3 V之間的模擬電壓并將其轉(zhuǎn)換為10/12位數(shù)字量。

1.4　控制器模塊

控制器模塊包括計(jì)量指示燈和電磁換向閥以及光電驅(qū)動電路。系統(tǒng)工作時(shí)需要通過控制微處理器的GPIO端口輸出電平來控制計(jì)量指示燈和電磁閥換向閥的繼電器開關(guān)。由于微處理器的GPIO輸出口無法直接驅(qū)動繼電器，所以需要加入驅(qū)動電路。考慮到繼電器可能出現(xiàn)反向電壓的現(xiàn)象，故采用能耐高反向電壓的三極管作為驅(qū)動元件，繼電器選用具有體積小、動作迅速等特點(diǎn)的小型電磁繼電器JZX-18F。其工作電壓為12 V，最大電流3 A。如圖2所示。

圖2　光電隔離驅(qū)動電路

為了抗干擾，在信號輸入端加入光電耦合電路，這是一種以光為耦合媒介，通過光信號的傳遞來實(shí)現(xiàn)輸入與輸出間電隔離的器件，可在電路或系統(tǒng)之間傳遞電信號，同時(shí)確保這些電路或系統(tǒng)之間的電隔絕。當(dāng)GPH1口輸入高電平時(shí)，光耦輸入端產(chǎn)生電流，發(fā)光二極管開始發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通[2]，繼電器線圈通電，觸電閉合。當(dāng)GPH1口輸入低電平時(shí)，觸電斷開，繼電器的反向電勢可通過二極管DI放電，起到了續(xù)流的作用，保護(hù)了繼電器的線圈。

2　燃油計(jì)量原理及裝置

PT噴油器是發(fā)動機(jī)PT系統(tǒng)中的核心部件之一，噴射壓力高達(dá)1200個(gè)大氣壓，進(jìn)入計(jì)量系統(tǒng)后，在油液中形成一股一股的高沖擊震蕩，導(dǎo)致輸出油液無法連續(xù)，而每次噴油量只有0.1～0.2 mL，非常微小，很難進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量。

本研究設(shè)計(jì)的高沖擊、非連續(xù)微小流量光電檢測裝置包括復(fù)合油缸柱塞端部的錐形頭、壓力控制開關(guān)、多級緩壓背壓控制閥、ARM開發(fā)板、光電液面?zhèn)鞲衅?、容積式流量計(jì)、電磁換向閥等。多級緩壓背壓控制閥前后部安裝有3級油脈沖變截面衰減與穩(wěn)壓機(jī)構(gòu)。整個(gè)裝置如圖3所示。

1.球閥　2.螺紋調(diào)節(jié)器　3.壓力開關(guān)　4.多級緩壓背壓控制閥5.ARM開發(fā)板　6.光電液面?zhèn)鞲衅鳌?.容積式流量計(jì)　8.電磁閥圖3　燃油計(jì)量系統(tǒng)原理圖

噴油器裝在試驗(yàn)臺復(fù)合油缸柱塞端部錐形頭內(nèi)時(shí)，在頭部形成密封腔，使所有噴出的油都必須經(jīng)過球閥1，從而模擬氣缸中的背壓，并防止柱塞回程時(shí)已噴出的油流回到噴油器中去。開啟球閥間所需壓力由錐形頭背后的螺紋調(diào)節(jié)器2來調(diào)整。

當(dāng)噴油器噴油時(shí)，壓力開關(guān)閉合，計(jì)量指示燈滅，此時(shí)按下ARM操作界面的計(jì)量啟動按鈕，微處理器GPIO口輸出開關(guān)控制量通過繼電器控制電磁閥DT5斷電，計(jì)量啟動指示燈亮，噴油器噴出的燃油經(jīng)錐形頭、單向閥進(jìn)入容積式流量計(jì)。當(dāng)光電液面?zhèn)鞲衅鳈z測到容積式流量計(jì)中噴油量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，計(jì)量結(jié)束。通過檢測一定容積的噴油次數(shù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)噴油量，并將計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果顯示在AMR實(shí)驗(yàn)板的操作界面上。然后GPH1端口控制DT5通電，流量計(jì)中的燃油釋放到油箱中。延時(shí)一定時(shí)間后，計(jì)量啟動指示燈熄滅，一次完整計(jì)量過程完成。光電檢測部分實(shí)物圖如圖4所示。

圖4　光點(diǎn)檢測部分實(shí)物圖

考慮容積式流量計(jì)的容量一定，影響到了到測量系統(tǒng)的通用性。本研究設(shè)計(jì)了一種多用途的流量測量裝置，該裝置可以同時(shí)滿足小流量和大流量的測量，可用以替換圖3中容積式的流量計(jì)。該裝置可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用增減光面?zhèn)鞲衅鞯膫€(gè)數(shù)和位置以達(dá)到測量范圍的選擇。圖5中光電傳感器采集到信號輸送到ARM的A/D采集端口，電磁閥則由ARM的GPIO端口控制[3]。

圖5　多用途流量測量裝置

3　燃油計(jì)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ARM板上的操作系統(tǒng)選用了Windows CE 操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)是微軟開發(fā)的一個(gè)開放的、可升級的32位嵌入式系統(tǒng)[4]，具有模塊化、結(jié)構(gòu)化和基于Win32 的應(yīng)用程序接口以及與處理器無關(guān)等特點(diǎn)。它繼承了傳統(tǒng)的Windows 圖形界面，用戶不僅可以使用Visual Basic、Visual C++ 等編程工具，也可使用與之相同的函數(shù)、相同界面風(fēng)格。此計(jì)量系統(tǒng)上的應(yīng)用程序都是EVC++4.0環(huán)境下編譯的。

計(jì)量系統(tǒng)軟件應(yīng)用程序主要包括A/D采集程序、流量計(jì)算程序、電磁閥控制程序、命令處理程序。軟件流程圖如圖6所示[5]。

以多用途流量測量裝置為例。光面?zhèn)鞲衅鱾€(gè)數(shù)為3個(gè)，分別接入ARM的A/D采集通道1、2、3。程序開始后，依次檢測通道1、2、3是否有信號輸入。如通道1有輸入，則啟動計(jì)時(shí)器；如通道2、3有信號輸入，則讀取時(shí)間，計(jì)算流量。流量計(jì)算程序流程圖[6]如圖7所示。

圖6　軟件程序流程圖

圖7　流量計(jì)算程序流程圖

4　結(jié)論

該計(jì)量系統(tǒng)采用了ARM嵌入式采集和控制技術(shù)，具有操作簡單、成本低廉、適應(yīng)性強(qiáng)、工作可靠等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了噴油器噴油量的高精度、高效率的檢測，為噴油器的狀態(tài)監(jiān)測提供了有力保障。

參考文獻(xiàn)：

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