基于D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度模擬器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張應(yīng)猛

(中航貴州飛機(jī)有限責(zé)任公司，貴州 安順 561018)

機(jī)上地面試驗(yàn)測(cè)試等工作中，經(jīng)常需要提供某些必要的系統(tǒng)信號(hào)、激勵(lì)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(hào)，輪載、輪速、起落架等狀態(tài)信號(hào)，載荷激勵(lì)信號(hào)，系統(tǒng)通信總線信號(hào)等。

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪后燃?xì)鉁囟?T4溫度)是監(jiān)測(cè)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的重要信號(hào)[2-3]。主要通過(guò)機(jī)上測(cè)溫單元(熱電偶及調(diào)理電路)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由飛控、飛管、機(jī)電、飛參等系統(tǒng)進(jìn)行采集、記錄和輸出。在飛機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，需要在不開(kāi)車(chē)條件下對(duì)機(jī)上相關(guān)系統(tǒng)開(kāi)展地面試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定和測(cè)試，以保證飛機(jī)飛行或發(fā)動(dòng)機(jī)工作中，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)工作的監(jiān)測(cè)以及控制響應(yīng)的可靠性。需要一種可對(duì)機(jī)上測(cè)溫單元信號(hào)輸出進(jìn)行模擬的專用試驗(yàn)裝置。

何健等[4]在航空發(fā)動(dòng)機(jī)溫度信號(hào)自動(dòng)標(biāo)定技術(shù)研究中，對(duì)傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度信號(hào)標(biāo)定方法進(jìn)行了研究。針對(duì)傳統(tǒng)方法一般通過(guò)電阻箱手動(dòng)給定標(biāo)準(zhǔn)電阻值對(duì)機(jī)上熱電阻進(jìn)行模擬，或通過(guò)校驗(yàn)儀手動(dòng)給定標(biāo)準(zhǔn)毫伏信號(hào)對(duì)熱電偶信號(hào)進(jìn)行模擬，工作效率低，出錯(cuò)率高等問(wèn)題，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫燃?xì)鉁囟葴y(cè)量一般采用的 K 型熱電偶，正常工作時(shí)輸出電動(dòng)勢(shì)約為 0～50 mV的信號(hào)模擬實(shí)現(xiàn)中，通過(guò)采用NI Crio控制器、高速開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊(NI 9401)、12位MAX532 轉(zhuǎn)換芯片和信號(hào)衰減運(yùn)放等設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度模擬裝置，顯著提高了溫度模擬信號(hào)輸出準(zhǔn)確度。在溫度信號(hào)標(biāo)定工作中實(shí)現(xiàn)了多通道同時(shí)自動(dòng)標(biāo)定的作用，極大地提高了航空發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)試車(chē)的效率。然而，對(duì)于飛機(jī)常規(guī)生產(chǎn)試驗(yàn)使用來(lái)說(shuō)，該方法設(shè)計(jì)采用的NI Crio控制器、高速開(kāi)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(jì)算機(jī)、控制器及上位機(jī)軟件等配套支持，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝效費(fèi)比較低。

針對(duì)某型機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪后燃?xì)鉁囟炔杉⒂涗浐洼敵龅认到y(tǒng)機(jī)上地面試驗(yàn)需求，采用AT89C2051單片機(jī)、MAX541高速16位串行D/A轉(zhuǎn)換器為核心開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度模擬器，對(duì)機(jī)上測(cè)溫單元工作輸出信號(hào)進(jìn)行模擬，實(shí)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(jī)科研生產(chǎn)對(duì)試驗(yàn)裝置提出的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、工藝效費(fèi)比高的需求，在發(fā)動(dòng)機(jī)溫度標(biāo)定等機(jī)上地面試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了較高的精度和效率。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)要求

為滿足飛機(jī)系統(tǒng)機(jī)上地面試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度信號(hào)標(biāo)定需求，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪后燃?xì)鉁囟葯C(jī)上測(cè)溫單元的溫度-小電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換輸出工作，需要通過(guò)試驗(yàn)裝置的替代，實(shí)現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)不開(kāi)車(chē)條件下對(duì)全溫度范圍內(nèi)的信號(hào)輸出模擬作用。所需發(fā)動(dòng)機(jī)溫度模擬器的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)要求如表1所示。

1.2 應(yīng)對(duì)措施

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

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)溫度模擬器技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)要求

① 采用D/A轉(zhuǎn)換器、電壓基準(zhǔn)、衰減緩沖及單片機(jī)等設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制的D/A電壓轉(zhuǎn)換電路[7]和相應(yīng)軟件，設(shè)計(jì)構(gòu)成一種基于D/A信號(hào)轉(zhuǎn)換技術(shù)和單片機(jī)控制的高精度小電壓信號(hào)輸出電路系統(tǒng)。其電路設(shè)計(jì)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(jī)上測(cè)溫單元的溫度-小電壓轉(zhuǎn)換輸出曲線，合理選用設(shè)計(jì)D/A轉(zhuǎn)換器二進(jìn)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(hào)輸出范圍和準(zhǔn)確度得以同時(shí)滿足設(shè)計(jì)的要求。該裝置設(shè)計(jì)的D/A信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)字量按式(1)進(jìn)行計(jì)算設(shè)定。

D=Vtmp·S·Δu

(1)

式中，D為一定溫度-小電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換的數(shù)字量；Vtmp為一定溫度-小電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換的模擬量；Δu為D/A信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的分辨率，由式(2)計(jì)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(guò)按鍵操作和顯示輸出單元電路的設(shè)計(jì)，以使裝置具有獨(dú)立操作使用的能力；通過(guò)RS232程控串行接口電路設(shè)計(jì)，以使裝置具有程控輸出使用的能力。設(shè)計(jì)采用寬電壓DC/DC模塊進(jìn)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(jì)

2.1 主要器件選型

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，該裝置硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中，對(duì)D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)等選型設(shè)計(jì)至為重要，對(duì)系統(tǒng)信號(hào)輸出范圍和準(zhǔn)確度等關(guān)鍵指標(biāo)的影響重大。該裝置硬件設(shè)計(jì)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(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)非線性小、精度高；選用MAX6225電壓基準(zhǔn)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(hào)，確保D/A信號(hào)轉(zhuǎn)換輸出準(zhǔn)確度；選用共模抑制比高，增益誤差和非線性小，輸出負(fù)載能力強(qiáng)的INA105比例運(yùn)算放大器，與其他外圍器件構(gòu)成D/A信號(hào)轉(zhuǎn)換輸出的衰減緩沖電路，可將系統(tǒng)電路輸出的信號(hào)整定至設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，對(duì)改善裝置的信號(hào)輸出分辨率和準(zhǔn)確度至為關(guān)鍵；由4位LED顯示模塊、74HC139二-四譯碼驅(qū)動(dòng)器、74248數(shù)碼段位驅(qū)動(dòng)器、MAX232串行接口芯片、按鈕開(kāi)關(guān)、發(fā)光二極管等設(shè)計(jì)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(jī)為核心設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)應(yīng)用成熟、實(shí)現(xiàn)成本低廉。

2.2 電路設(shè)計(jì)

(1) 單片機(jī)控制D/A轉(zhuǎn)換電路。

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

圖2 單片機(jī)控制D/A轉(zhuǎn)換電路原理圖

單片機(jī)AT89C2051通過(guò)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(shí)鐘輸入(管腳5)、片選輸入(管腳4)端連接，通過(guò)軟件運(yùn)行對(duì)D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)寫(xiě)入和轉(zhuǎn)換輸出控制。

MAX6225電壓基準(zhǔn)芯片為D/A轉(zhuǎn)換器MAX541工作提供高精度的信號(hào)轉(zhuǎn)換參考電壓，該電路參考電壓設(shè)計(jì)為2.048 V，通過(guò)式(2)計(jì)算可知：D/A轉(zhuǎn)換信號(hào)輸出理論分辨率達(dá)31.25 μV。

MAX232串口驅(qū)動(dòng)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(yùn)算放大器、電阻R7、R8、W1等設(shè)計(jì)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(hào)經(jīng)R7、R8分壓衰減，W1衰減系數(shù)微調(diào)，通過(guò)INA105比例運(yùn)放芯片進(jìn)行緩沖，使系統(tǒng)最終實(shí)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(guò)式(3)計(jì)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(jìn)制位數(shù)；S為衰減系數(shù)由式(4)近似計(jì)算。

S=R8/(R7+R8)

(4)

由于INA105輸出驅(qū)動(dòng)電流較大，用于機(jī)上在線輸出試驗(yàn)時(shí)能夠保證足夠的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。

為保證模擬器信號(hào)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(hào)輸出采用抗干擾良好的雙絞屏蔽電纜與機(jī)上系統(tǒng)連接，能夠保證輸出信號(hào)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(dòng)器、74HC139二-四譯碼驅(qū)動(dòng)器、4位LED顯示模塊設(shè)計(jì)構(gòu)成；通過(guò)AT89C2051單片機(jī)P1.0～P1.5端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。界面操作由按鍵開(kāi)關(guān)K1、K2、K3，電阻R4、R5、R6和按鍵操作指示燈D1、D2、D3設(shè)計(jì)構(gòu)成，按鍵操作及響應(yīng)通過(guò)單片機(jī)端口P3.2、P3.3、P3.4進(jìn)行掃描監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(kāi)關(guān)、插座及指示燈等設(shè)計(jì)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(jì)

主要根據(jù)電路結(jié)構(gòu)及接口關(guān)系進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，包含主程序和若干功能子程序模塊。重點(diǎn)根據(jù)飛機(jī)生產(chǎn)試驗(yàn)需要，對(duì)300 ℃，350 ℃，…，1000 ℃共15個(gè)溫度進(jìn)行模擬輸出控制。同時(shí)為兼顧其他復(fù)雜系統(tǒng)標(biāo)定試驗(yàn)需要，由工控機(jī)等通過(guò)RS232接口進(jìn)行程控，實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)模擬輸出作用。主要功能如下：

① 對(duì)模擬溫度的輸出進(jìn)行數(shù)字-電壓轉(zhuǎn)換控制；

② 對(duì)模擬溫度及電壓信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示控制；

③ 對(duì)模擬器按鍵操作進(jìn)行監(jiān)控和響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)常規(guī)試驗(yàn)所需溫度信號(hào)的模擬輸出作用；

④ 響應(yīng)外部程控指令，實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)模擬作用。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序包含系統(tǒng)初始化、按鍵掃描監(jiān)控、動(dòng)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(dòng)完成后，即進(jìn)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(jìn)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(dòng)態(tài)顯示控制方式，由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器T0進(jìn)行定時(shí)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(jì)

子程序主要包含按鍵掃描、D/A轉(zhuǎn)換控制、數(shù)據(jù)動(dòng)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(shí)別

(2) D/A轉(zhuǎn)換控制。

圖7 D/A轉(zhuǎn)換控制

(3) 動(dòng)態(tài)顯示控制。

圖8 動(dòng)態(tài)顯示定時(shí)中斷

(4) 數(shù)據(jù)顯示切換。

正常設(shè)計(jì)的信號(hào)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(duì)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(yàn)證

4.1 系統(tǒng)調(diào)試

(1) 硬件系統(tǒng)調(diào)試。

重點(diǎn)對(duì)后級(jí)衰減緩沖輸出電路單元電阻R7、R8和W1的阻值狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，以提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換輸出的分辨率，使之達(dá)到1 μV左右。由該單元電路R7、R8和W1實(shí)現(xiàn)的理論信號(hào)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(duì)D/A轉(zhuǎn)換單元寫(xiě)入最大或一半的轉(zhuǎn)換數(shù)字量，采用0.01級(jí)、100 mV量程的高精度直流標(biāo)準(zhǔn)表對(duì)溫度模擬器的輸出端信號(hào)直接測(cè)量的方式進(jìn)行。調(diào)整W1的值，使輸出測(cè)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(duì)主程序和D/A轉(zhuǎn)換控制等關(guān)鍵功能子程序進(jìn)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(jī)上測(cè)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(fù)載)，在按鍵操作狀態(tài)下，采用高精度直流標(biāo)準(zhǔn)表對(duì)信號(hào)輸出進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)比、分析，對(duì)各模擬溫度狀態(tài)下的D/A轉(zhuǎn)換數(shù)字量進(jìn)行修正補(bǔ)償，從而提高信號(hào)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(shí)驗(yàn)室測(cè)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(hào)輸出測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。

表2 模擬信號(hào)輸出及D/A轉(zhuǎn)換數(shù)字量調(diào)試數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)表2對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行的修正前和修正后的測(cè)量數(shù)據(jù)與標(biāo)稱輸出數(shù)據(jù)的分析比較，能夠反映出該裝置設(shè)計(jì)的D/A轉(zhuǎn)換和后級(jí)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(hào)輸出準(zhǔn)確度得以改善提高，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

4.2 測(cè)試驗(yàn)證

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

圖10 機(jī)上測(cè)試系統(tǒng)連接框圖

測(cè)試驗(yàn)證表明：該溫度模擬器在設(shè)計(jì)要求的信號(hào)輸出范圍內(nèi)，輸出信號(hào)偏差均在±10 μV以內(nèi)；機(jī)上T4溫度指示單元輸出的對(duì)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(jī)上試驗(yàn)過(guò)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(jī)上地面試驗(yàn)使用需求，提高了試驗(yàn)精度和工作效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

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(dòng)機(jī)溫度模擬器在飛機(jī)生產(chǎn)中，為發(fā)動(dòng)機(jī)溫度標(biāo)定試驗(yàn)提供了使用連接極為方便的專用溫度信號(hào)模擬裝置。該溫度模擬器具有結(jié)構(gòu)小、重量輕、信號(hào)輸出準(zhǔn)確等特性，尤其適于機(jī)上試驗(yàn)使用。設(shè)計(jì)采用的硬件和軟件可根據(jù)需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的升級(jí)改進(jìn)，以滿足更為復(fù)雜的應(yīng)用需求。