飞行器全静压检测系统的设计与实现

摘要：介绍了基于振动筒式压力传感器的飞行器全静压自动检测系统的设计，论述了系统的结构和工作原理，对系统硬件电路和软件设计作了说明。系统的设计与实现提高了飞行器全静压检测系统的自动化程度，具有检测速度快、精度高、判读直接、可靠性和操作简单的特点。 关键词：振筒式传感器 全静压 单片机 飞行器的大气压力系统是用来收集大气气流的全压和静压信息，并输送给使用该信息的大气数据仪表、飞行控制系统、大气数据计算机等设备和系统的装置。它收集的大气压力信息是否准确，系统是否良好，将直接影响到大气数据仪表、设备和系统工作的准确性与正常性。因此，对飞行器大气压力系统的检测是至关重要的。 在航空领域，振筒式传感器应用十分广泛，它此有如下特点：（1）输出为频率（周期）信号，无需经过转换便可方便地与数字系统或计算机连接，远距离传输中不易产生失真误差导致的精度降低；（2）迟滞误差和漂移误差小，具有很高的精度、灵敏度和分辨率；（3）传感器系统的抗干扰能力强，长期稳定性好，尤其适用于比较恶劣的工作环境。因此，本文以振筒式压力传感器为核心设计了飞行器全静压检测系统，并具体介绍了基激/拾振电路、温度补偿电路和测量显示电路。 图1 1 系统硬件设计 1.1 系统硬件结构框图 全静压检测系统以80C51系列的PCF80C552微控制器为核心，外围电路主要由传感器、F/D转换器、程序及数据存储器、显示驱动电路、键盘驱动电路及电源监控电路等几部分组成（见图1）。PCF80C552有五个I/O口，并集成有一个八通道10位的ADC和看门狗（WDT）电路。控制器根据系统要求，将输入量解算为所需参数，并通过显示器显示。传感器主要用于检测大气全压和静压信息，再经F/D转换电路将其转换为数字量送入单片机。F/D转换电路采用的是多路高速高精度专用集成电路FDC9201，它采软、硬件测周法将高、低频计数器设计成循环计数器，分别对标准高频脉冲和被测频率的脉冲数进行连续计数，保证同时取得高低频数，且第i次和第i+1次都是在低频脉冲的完整周期内进行采样。软件处理公式为： T=N%26;#215;to/n 式中，T为周期；N为计数器计数值；n为被测传感器经过的分频率；t0为一个标准高频时钟周期的时间，设计中采样周期为了52.4288ms.为了满足不同精度和不同的实时性测量需求，电路设置了周期控制器，用编程的方法获得不同的定时标准采样周期限t。其公式为： t=t0%26;#215;65536%26;#215;2b 式中，b=1,2,3,4。B可通过软件设定，对实时性要求高的场合，b取小值；对实时性要求不高但对精度要求高的场合，b取大值。此外，为减少因电源波动造成的工作不稳定，选用TL7705 AIP作为系统电源监控器。片外程序存储器选用AMD27C128，片外数据存储器选用MCM6264。显示器采用16位真空荧光显示器，避免显示信息受照度和视角的影响。下面详细讨论系统中传感器激/拾振电路与温度补偿电路的设计与实现。 图2 1.2 传感器激/拾振电路 振筒式传感器是利用自由振动频率与作用力（绝压或压差）的函数关系来实现对作用力的测量的。筒内的激振线圈用于产生电磁激振力，拾振线圈则感受内筒的运动速度。当被测压力输出筒内时，拾振线圈一方面直接检测出随压力而变的振动频率，并立即将该频率信号送到放大和限幅器；另一方面又不断地把感应电势反馈到激振线圈，使内筒以新的固有频率维持振动。可见，激/拾振电路设计的正确、合理与否，直接关系到振筒的起振、谐振和压力检测系统的稳定运行。 激/拾振电路是一个正反馈回路（图2），为振动筒提供连续的激励脉冲。电路中L1为拾振线圈，L2为激振线圈。OPA111BM的偏置电流低、电压偏移量低、漂移率低、噪声低、共模抑制比高和开环境益高等特点，有利于振筒在放大器固有噪声电平的初始激励下的起振和保护稳定振动。 调试激/拾振电路，可实现电路的起振与谐振功能，并使振筒在通电后立能即进入并保持谐振状态。在频率计上观察，电路输出为稳定连续方波，频率量值符合4kHz～7kHz的理论要求。此外，电容C9在一定程序上决定了振筒式传感器能否起振及其振动的稳定性，C9值不同，传感器的起振效果和稳定性不同。为保证振筒正常工作，本电路C9值选取为15pF。 1.3 温度补偿电路 温度是传感器系统最主要的干扰量，因为振筒式传感器的特征参数和感应系数受温度影响严重，尤其是以下两个方面表现更为突出：（1）弹性模量E是决定传感器输出的主要因素之一，而振筒材料的弹性模量E随温度变化而变化；（2）温度对被测气体密度ρ的影响无法避免，密度ρ的变化造成振筒等效质量与等效刚度的改变。因此，设法消除温度影响是提高测量精度的关键。 图3 电路中（图3）温敏元件选用硅PN结BLTS101，利用其偏置电压随温度变化的原理，可实现传感器的温度测量和误差补偿。BLTS101有足够高的灵敏度和线性度，环境温度每升高难度1℃,其正向电压下降约2mV。此外，其体积非常小，便于在狭小的空间内安装。 电路中R13、R14是可调用电阻，用于零位和灵敏度调整。改变LM1018AH负反馈电阻R2的大小，即可获得所需要的BLTS101感温灵敏度。此外，还对温度补偿电路的输出温压进行模/数转换，作为线性化电路的第二输出量，并采用数据融合或神经网络的方法，进行温度误差修正，提高测量精度。温度补偿电路输入输出的仿真曲线如图4所示，从中可见输入与输出的线性度非常好。 2 软件设计 在软件编程上，以FRANKLINC-51为软件开发平台，采用PL/M-51高级语言编写。该语言是80C51系列单片机的专门程序设计语言，可以对硬件进行操作，便于改进和扩充。该语言记配套的编译连接程序使用方便，能提供给用户高质量的转换代码。 程序从功能上分八部分：主程序；初始化程序；F/D定时采样程序；键盘中断服务程序；压力解算程序；大气参数解算程序；定时程序；自检程序。其中，压力解算程序根据测量周期T和温压值求解压力p,即p=f(T,t,),t为温度。压力解算采用二维回归曲面拟合法求出拟合系数，然后再在分三部分进行： ① 判断采集的温压值所处的标定温度区域； ② 计算此区域上、下限温度时采样周期所对应的压力。若tЕ[ti-1,ti]，则计算： ③ 用线性插值计算压力p: (pi-p)/(ti-t)=(pi-pi-1)/(ti-ti-1) 3 系统测试与性能分析 使用Honeywell公司精度为0.0001%的ADT-222C型标准设备对该检测系统进行了标定。此外，实验测试与应用表明：系统运行可靠、性能稳定、鲁棒性好、故障率低，可以满足大多数测试环境的要求。 目前，测量显示组件电路及传感器配置集成电路——激/拾振与温度补偿电路已通过技术鉴定，电路的设计实现体现了良好的实用性与较高的性价比，完全可以满足各种测试环境的要求。