1 前言

航空發(fā)動機常規(guī)壓力綜合測量系統(tǒng)項目來源于XX專項。系統(tǒng)由常規(guī)壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集器組成，用于在飛行試驗期間獲取發(fā)動機的壓力數(shù)據(jù)，通過遙測系統(tǒng)將上述壓力數(shù)據(jù)下傳至地面，并滿足設備艙對其機械安裝、電氣連接、數(shù)據(jù)接口、環(huán)境條件等要求。本文檔根據(jù)《航空發(fā)動機壓力測量系統(tǒng)設計技術要求》，從研制指導思想、技術實現(xiàn)、測試配套、可靠與安全性、環(huán)境試驗、維修性以及質(zhì)量保證措施等多個方面對航空發(fā)動機壓力測量系統(tǒng)進行了總體方案設計。

2 總體要求及技術指標

2.1 工作條件：存儲環(huán)境溫度：－40℃～＋50℃；工作環(huán)境溫度：－35℃～＋70℃；相對濕度：不小于98％ （＋25℃）；振動環(huán)境： 使用過載：20g。

2.2 技術指標：尺寸：見結(jié)構(gòu)圖；重量：小于4.5Kg；功耗：不大于27V@1A；可靠性（置信度≮0.7）：≮0.99（暫定）；測試性：通過RS422和仿真測試平臺可測試；電磁兼容性要求：滿足GJB151A-97；供配電要求：滿足GJB181A要求。壓力測量需求見下表：

數(shù)據(jù)采集器實時采集傳感器數(shù)據(jù)，并將全部數(shù)據(jù)通過RS-422接口實時發(fā)送給遙測系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集器具有數(shù)據(jù)記憶重發(fā)功能；數(shù)據(jù)采集器向航空發(fā)動機子系統(tǒng)3個壓力傳感器供電，并采集其輸出，信號特征為0～5V；航空發(fā)動機電氣系統(tǒng)向數(shù)據(jù)采集器供電，設備上電自動初始化后自動開始數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸，設備掉電即自動停止工作。設備固定安裝在航空發(fā)動機體內(nèi)，外形尺寸及機械連接與總體協(xié)商確定。航空發(fā)動機電氣系統(tǒng)向設備提供配電（27VDC）；與電控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口（RS-422）要求及數(shù)據(jù)格式由雙方協(xié)商確定；所有接插件采用小體積并滿足航天標準（航天級）的接插件。系統(tǒng)具備完整的自檢測和監(jiān)控措施，向總體提供所需的地面測試接口要求；系統(tǒng)正常或故障情況下，均不能影響其它系統(tǒng)的正常工作；系統(tǒng)滿足發(fā)動機風洞試驗環(huán)境條件、電磁兼容性、三性、目標重量分配等技術指標。

3 研制指導思想

航空發(fā)動機壓力測量系統(tǒng)用于獲取航空發(fā)動機飛行試驗期間的發(fā)動機的關鍵參數(shù)信息，在整個工程中具有非常重要的作用，其安全可靠與否直接關系到飛行試驗能否圓滿完成。從技術選擇方面，本項目采用國內(nèi)外成熟技術，一方面降低了技術實現(xiàn)的風險，同時有利于加快研發(fā)進度，減少研發(fā)成本。傳感器采用澤天傳感成熟的壓力敏感芯體作為壓力感測元件，采取成熟電路對溫度補償和非線性校正，使傳感器的溫漂和非線性滿足要求。另一方面，采用集成度高的元器件，降低實現(xiàn)的復雜度，提供系統(tǒng)的可靠性，采用帶ADC微處理器對信號進行處理、存儲，接受外部控制信號和命令，完成系統(tǒng)與航空發(fā)動機的通訊和數(shù)據(jù)傳輸。最后，加強質(zhì)量控制，強化項目過程管理。項目相關的元器件要進行二次篩選，外購件，外協(xié)件按照相關流程加強控制。

4 總體設計方案

4.1 系統(tǒng)概述

從功能上，航空發(fā)動機壓力測量系統(tǒng)主要由三個部分組成，壓力傳感器陣列用來獲取發(fā)動機進氣道、燃燒室的壓力信號；數(shù)據(jù)采集器采集這些壓力信號，同時通過對外電氣接口獲取燃料供應子系統(tǒng)的三路壓力傳感器信號，為噪聲傳感器提供4～20mA接口并采集其信號。數(shù)據(jù)采集器還需完成對采集的信號的調(diào)理、濾波、多路數(shù)據(jù)選擇、A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)的分析，處理，存儲，接收飛控分系統(tǒng)的指令信號，通過RS422接口完成對數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙δ堋ν怆姎饨涌诠δ苤饕≧S422接口，控制信號接口，電源接口，4～20mA接口，調(diào)試測試接口。這些接口在物理上采用一個25芯的電連接器，有些接口在管腳上功能是復用的。

在結(jié)構(gòu)上，航空發(fā)動機壓力測量系統(tǒng)設計成由傳感器安裝盒和數(shù)據(jù)采集器安裝盒兩個獨立的安裝結(jié)構(gòu)，每個部分采用LY4鋁金屬整體封裝，兩個安裝盒之間的電氣連接采用了耐惡劣環(huán)境抗輻J29A系列微型矩形電連接器，這樣，既可屏蔽外來電磁輻射，也可防止電路本身對外界產(chǎn)生電磁輻射。

4.2 系統(tǒng)組成與功能（略）；4.3 系統(tǒng)基本參數(shù) （略）；.4 工作流程與設想（略）。

5 各子系統(tǒng)技術方案

5.1 傳感器設計方案：見《航空發(fā)動機壓力測量系統(tǒng)壓力傳感器設計方案》和《航空發(fā)動機壓力測量系統(tǒng)溫度傳感器設計方案》。

5.2 數(shù)據(jù)采集器設計方案：數(shù)據(jù)采集器是航空發(fā)動機壓力測量系統(tǒng)的一個重要組成部分，用于在航空發(fā)動機飛行試驗期間對從傳感器輸出的信號進行采集、處理、存儲和傳輸。根據(jù)《航空發(fā)動機壓力測量與數(shù)據(jù)采集設計技術要求》的指標要求，下面對對數(shù)據(jù)采集器的幾個參數(shù)進行分析計算，以便選擇合適的器件來滿足設計要求。

1、FLASH存儲器容量計算：在FLASH中一條記錄的存儲格式如表所示。

一條記錄占用的FLASH空間為：24×2＝48字節(jié)；當采樣頻率為50HZ/CH時，每一秒鐘的數(shù)據(jù)量為50×48＝2400字節(jié)；記憶時長為15s時，記錄數(shù)為50×15＝750條，需要的存儲空間為：750×48＝36000字節(jié)，即大約35.2 K字節(jié)的空間。因此FLASH需要選用64K×8Bit的器件。

2、通信量的計算:通信幀格式如表：

當啟動記憶重發(fā)方式時一幀數(shù)據(jù)為2＋1＋24×2＋1＝52字節(jié)。當采用11位串行異步通訊格式時，位流量為52×11＝572。當通信波特率為19200時，完成一幀數(shù)據(jù)的傳輸需要29.79毫秒。而當采樣頻率為50HZ/CH時，完成一幀數(shù)據(jù)的采集時間為20毫秒，因此，采集到的數(shù)據(jù)無法及時完成傳輸，需要對數(shù)據(jù)進行緩沖處理。

3．AD精度計算：對于一個滿度為5000mV的輸入信號，采用SJM320F240 (以下簡稱F240)DSC內(nèi)部集成的10位AD轉(zhuǎn)換器，其AD總的轉(zhuǎn)換精度為±1.5LSB，當AD的參考電壓差為5V時，對此信號轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的誤差為±7.3mV，采用AD584作為ADC的電壓參考，當AD584輸出參考電壓為5.00V時，其精度為±6mV。AD584的溫度系數(shù)為±15PPM/℃，在整個工作范圍內(nèi)，輸出變化為1mV。綜合考慮這些誤差，總的誤差約為±14.3mV，采集器總的精度不小于0.3％，因此，系統(tǒng)的精度由傳感器決定，采用F240內(nèi)部集成的AD可以滿足任務書提出的要求。

4. AD轉(zhuǎn)換時間的計算：當采樣頻率為50HZ/CH時，即總的采樣頻率為50×24＝1200HZ。即ADC的采樣頻率要大于1.2 K，轉(zhuǎn)換時間要小于833.33uS。本方案中，ADC采用F240 DSC片內(nèi)集成的10位AD轉(zhuǎn)換器，該ADC的轉(zhuǎn)換時間加上采樣和保持時間最小為6.1uS，可以滿足要求采樣頻率的要求。

5. 模擬開關的開關速度：采用AD公司的ADG526，開關速度在幾百納秒(典型值為600nS)，加上為消除開關抖動的軟件延時（初步定5uS）。模擬開關本身的接通時間對采樣頻率的影響可以忽略。綜合以上的分析與計算，本設計方案擬采用TI公司的SMJ320F240作為核心處理器來實現(xiàn)本項目。F240是16位定點數(shù)字信號處理器，使用改進哈佛結(jié)構(gòu)，將程序、數(shù)據(jù)讀寫總線分開，大大提高了指令執(zhí)行速度。在內(nèi)部時鐘20MHZ時，指令周期僅為50nS。同時，SMJ320F240具有低功耗、高性能處理能力，芯片內(nèi)部有544字的數(shù)據(jù)/程序RAM，16K的Flash EEPROM，具有對64K程序空間、64K數(shù)據(jù)空間和64K IO空間的尋址能力。本方案中，外擴了64K×8Bit SRAM 作為有效的程序空間，以便于程序的開發(fā)調(diào)試；同時采用分頁技術，外擴了64K×8Bit FLASH 作為有效數(shù)據(jù)空間，用來保存采集的數(shù)據(jù)。下面將從采集器的工作原理、電源設計、多路選擇與AD轉(zhuǎn)換、存儲系統(tǒng)、通信接口設計、CPLD模塊以及軟件設計等幾個方面具體介紹。

5.2.1采集器的原理框圖：8路壓力傳感器輸出的電壓信號通過模擬開關接到DSC的模擬信號輸入端，另外15路壓力傳感器輸出的電壓信號直接接到DSC的模擬信號輸入端，此外，1路噪聲傳感器輸出的電流信號經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換后直接接到DSC的模擬信號輸入端，采集器的DSC控制多路選擇器的選通控制端，從8路壓力傳感器的電壓信號中選擇一路電壓信號輸入進入片內(nèi)的10位A/D轉(zhuǎn)換器進行AD轉(zhuǎn)換，DSC對24路轉(zhuǎn)換結(jié)果按照一定格式進組織，通過RS-422接口實時發(fā)送給遙測分系統(tǒng)。同時，采集器根據(jù)記憶啟動信號決定是否對數(shù)據(jù)進行存儲，根據(jù)重發(fā)啟動信號決定是否對歷史數(shù)據(jù)重發(fā)。

5.2.2 電源設計：外界供給整個系統(tǒng)的總提功耗為27W。下面計算功率分配：20路傳感器采用15V電源供電，單只傳感器的功耗小于150mW，20只傳感器消耗的最大功率為20×0.15=3W；動力分系統(tǒng)的3個傳感器采用15V電源供電，消耗的最大功率為3×0.3=0.9W； 傳感器消耗的總功耗為3.9W，采集器消耗的功率在1.5W左右，電源模塊的轉(zhuǎn)換效率約為70％，系統(tǒng)總共消耗的功耗在7.8W左右。根據(jù)各種芯片對電壓要求的不同以及抗干擾和測量精度的需要，考慮電源的降額設計，系統(tǒng)要產(chǎn)生以下幾種電壓：1、15V/5.6W，向動力分系統(tǒng)的3個傳感器、20路壓力傳感器以及多路模擬開關供電；2、5V/2.1W，向系統(tǒng)數(shù)字電路供電；3、5VA/0.7W，向模擬電路供電；4、5Vr，ADC電壓參考，額定電流不大于10mA；模擬電源與數(shù)字電源采用相互獨立的供電，其電源回線在電源入口處通過一個電感相連。

5.2.3多路選擇與AD轉(zhuǎn)換：集成多路模擬開關是自動數(shù)據(jù)采集、程控增益放大等技術領域的常用器件，其實際使用性能的優(yōu)劣對系統(tǒng)的嚴謹和可靠性有重要影響。在本設計中，模擬多路開關采用AD公司的16通道ADG526A芯片，采用DIP28封裝。該器件具有開關速度快，低導通電阻RON等特點。同時，該器件片內(nèi)集成了鎖存器。工作溫度為－55℃～125℃。壓力信號的輸入方式采用單端輸入，這種接法適用于傳輸信號相對于系統(tǒng)模擬公共地的測量，且信號電平明顯大于系統(tǒng)中的共模干擾。這樣做的優(yōu)點是減少了模擬開關的數(shù)量需求，缺點是系統(tǒng)基本失去了共模抑制能力。

ADG526A導通電阻RON在600Ω左右，比機械開關的接觸電阻（一般為MΩ量級）大得多，而且通道RON隨電源電壓高低、傳輸信號的幅度等的變化而變化，因此，其影響難以進行后期修正。實踐中一般是設法減小RON來降低其對測量精度的影響。根據(jù)具體情況，適當?shù)奶岣吡硕嗦烽_關的電源電壓，以降低其RON影響，在本系統(tǒng)中， ADG526A的供電采用15VDC。和機械開關類似，多路開關在通道切換時也存在抖動過程，會出現(xiàn)瞬變現(xiàn)象。若此時采集多路開關的輸出信號，就可能引入很大的誤差。 在本設計中將采用軟件延時的方法來消除抖動。

輸入信號的信號源內(nèi)阻Rs對多路開關的切換時間有重要影響。在其它條件不變的情況下，切換時間近似與Rs成正比，即Rs越小，開關的動作就越快。我們采用的壓力傳感器的輸出阻抗為2K歐姆左右，因此采用了阻抗變換電路將阻抗變低后再接入模擬多路開關。這樣，在減小Rs的同時還減小了多路開關的關斷漏電流造成的誤差。

由于多路開關的內(nèi)部電路相互聯(lián)系，所以多余的通道可能產(chǎn)生干擾信號，因此多余通道的輸入端都作接地處理。ADC采用SMJ320F240內(nèi)部兩個10位的8通道AD轉(zhuǎn)換器，每次AD轉(zhuǎn)換的最長時間為6.6uS，兩個轉(zhuǎn)換器可以并行工作。轉(zhuǎn)換可由軟件、內(nèi)部或者外部事件啟動，其轉(zhuǎn)換方式可設為單個轉(zhuǎn)換或者連續(xù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果存入一個兩級FIFO寄存器中，便于成批或者選擇處理。SMJ320F240 ADC的參考電壓可以通過VREFHI和VREFLO引腳在0～5V范圍內(nèi)分別設置上下參考電壓，使系統(tǒng)設計非常靈活。對模擬開關的控制通過多路開關控制寄存器來操作，具體的定義CPLD模塊。

5.2.4存儲系統(tǒng)設計：為了便于程序的開發(fā)調(diào)試，外擴了47K×16Bit SRAM 作為程序空間，物理上采用芯片W128K32-20G2UQ來實現(xiàn)，WS128K32-20G2UQ是一種5V電壓工作的SRAM存儲器，容量為128K×32Bit。在本系統(tǒng)中，只使用了程序空間地址為0X4000－0XFDFF 的47K×16Bit 程序空間。W128K32-20G2UQ 的高16位數(shù)據(jù)沒有使用。為了保存采集的數(shù)據(jù)，外擴了512K×16Bit FLASH 作為數(shù)據(jù)空間，采用了分頁技術。物理上采用芯片WF512K32-60G1UQ5來實現(xiàn)，WF512K32-60G1UQ5是一種5V電壓工作的FLASH存儲器，容量為512K×32Bit。在本系統(tǒng)中，通過IO空間的地址擴展寄存器，把512K×16Bit 物理空間分成16頁映射到數(shù)據(jù)空間0X8000－0XFFFF上，本系統(tǒng)使用了數(shù)據(jù)地址為0X8000－0XFFFF和0X18000－01XFFFF 的64K×16Bit 數(shù)據(jù)空間。WF512K32-60G1UQ5的高16位數(shù)據(jù)沒有使用。

5.2.5通信接口設計：通信接口采用RS422標準，完成向電控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送以及向總體提供所需的地面測試接口。F240內(nèi)部集成了一個SCI接口，數(shù)據(jù)位長度和停止位長度可軟件編程，具有數(shù)據(jù)校驗功能，發(fā)送和接收全雙緩沖，可選通信波特率多達64K種，最高波特率高達1250Kb/s，F(xiàn)240 SCI接口的發(fā)送和接收具有獨立的中斷，使用很方便。通過DS26C31把CMOS電平轉(zhuǎn)換成適合遠距離傳輸?shù)腞S-422電平，通過DS26C32把RS-422電平轉(zhuǎn)換成CMOS電平。

5.2.6 CPLD模塊：CPLD分配在DSP的I/O空間，不占用數(shù)據(jù)空間，主要完成對數(shù)據(jù)空間的擴展邏輯、多路開關控制寄存器、讀寫邏輯，信號緩沖等功能。這些功能采用LATTICE 公司的ISPLSI1024/883來實現(xiàn)，該器件為5V器件，具有ISP功能。記憶啟動信號、重發(fā)啟動信號通過CPLD做了緩沖處理，這樣防止傳輸線上的尖脈沖導致DSC的錯誤動作。

5.2.7 主要器件選型（略）；5.2.8 可靠性設計（略）；5.2.8.1 機械結(jié)構(gòu)與抗振動沖擊設計（略）；5.2.8.2 抗干擾與電磁兼容設計（略）；5.2.8.3 系統(tǒng)的熱設計（略）；5.2.8.4 冗余設計（略）；5.2.9 軟件設計 見《航空發(fā)動機壓力測量系統(tǒng)軟件總體設計方案》（略）；5.2.10軟件的可靠性設計（略）；

6 產(chǎn)品配套

6.1 模擬仿真測試平臺（略）；6.2 現(xiàn)場校準設備（略）；

7 主要工作內(nèi)容

主要工作內(nèi)容為傳感器的研制，數(shù)據(jù)采集器軟硬件的研制；配套的測試仿真平臺研制，現(xiàn)場校準設備；軟件產(chǎn)品的可靠性設計與測試、測評；EMC與可靠性的設計，各種環(huán)境試驗；現(xiàn)場調(diào)校，跟蹤服務；相關文檔編寫。本文源自澤天傳感，版權(quán)所有，轉(zhuǎn)載請保留出處。