某型航空發(fā)動機溫控盒通過熱電偶測量渦輪后溫度,，從而保證排氣溫度不超過規(guī)定值。溫控盒是否正常工作直接關(guān)系到發(fā)動機工作安全,，需定期檢測,。航空兵部隊曾經(jīng)就發(fā)生過因溫控盒故障而導(dǎo)致的飛行事故，因此溫控盒的檢測非常重要,。

    溫控盒將噴管中K型熱電偶輸出的熱電動勢值與設(shè)定的限制電壓比較來判斷發(fā)動機是否超溫,。超溫時,，將溫差信號調(diào)制、放大,、解調(diào),、功率放大，輸出供油控制信號及座艙內(nèi)告警信號,。超過700℃時,，輸出一定頻率和占空比的方波信號限制燃油供油量；超過730 ℃時,，輸出連續(xù)直流信號停止供油,。溫控盒檢測儀的主要任務(wù)是模擬熱電偶工作，測量溫控盒輸出的溫控信號是否正確,。
    目前已有兩種檢測儀,，實際使用情況如下：
    (1)基于單片機。優(yōu)點：成本小,。缺點：操作復(fù)雜,，顯示信息有限，人機交互性能相對不足(熱電偶模擬信號需手動轉(zhuǎn)把手調(diào)節(jié)),，精度較低,，檢測內(nèi)容的切換需要通過手動開關(guān)完成，可存儲數(shù)據(jù)量小,，利用數(shù)碼管顯示信息,，無法顯示漢字，查看歷史數(shù)據(jù)不方便,。
    (2)基于PC104工業(yè)計算機,。優(yōu)點：運行桌面Windows系統(tǒng)，顯示信息多,，人機交互性較理想,，開發(fā)周期相對較短。缺點：成本太高,，體積較大,，功耗較大。PC104主板及A/D功能板卡價格都在萬元以上,，VGA顯示器體積大,，功耗10 W以上。
    這兩種檢測儀都不能很好地滿足實際需求,。因此提出了一種基于ARM-WinCE的改進(jìn)設(shè)計方案,，該檢測儀結(jié)合了已有兩種方案優(yōu)點，可鼠標(biāo)操作，顯示信息多,，人機交互性好,，開發(fā)周期短，體積小,，功耗小,，且支持觸屏。與原檢測儀設(shè)計復(fù)雜電路測量熱電偶冷端溫度和手動控制輸出模擬熱電勢信號相比[1],，本文利用DS1820測量冷端溫度,，D/A模擬輸出熱電勢信號,，縮短了開發(fā)周期與檢測時間,，提高了測量精度與實時性，同時降低了成本,。
1 檢測儀需求分析
1.1 常遇故障
    常遇故障概括起來就是在一定排氣溫度下,，溫控盒輸出錯誤的溫控信號，主要有兩種情況：
    (1)未到限制溫度卻切油,、停車,、告警，影響飛機飛行性能或造成空中停車,；
    (2)超過限制溫度未切油,、停車、告警,，燒壞發(fā)動機,。
1.2 參數(shù)需求分析
    根據(jù)維護(hù)規(guī)程規(guī)定，溫控盒需檢測參數(shù)及最大允許誤差如表1,。

2 檢測儀總體設(shè)計
    首先進(jìn)行自檢,。系統(tǒng)根據(jù)輸入的幅值、頻率和占空比控制D/A輸出對應(yīng)的方波信號,，該信號不經(jīng)溫控盒直接進(jìn)入檢測儀進(jìn)行測量,，檢測儀通過對比測試結(jié)果與原始輸入來判斷系統(tǒng)是否正常。
    正常檢測時,，輸入待檢溫度,，系統(tǒng)讀取冷端溫度，根據(jù)熱電偶工作原理,，控制D/A輸出熱電勢到溫控盒,，溫控盒輸出溫控信號，溫控信號經(jīng)調(diào)理后分為兩路：一路進(jìn)入I/O端口觸發(fā)中斷,，另一路進(jìn)入A/D采樣,。設(shè)置中斷觸發(fā)為雙邊沿，則方波信號邊沿到來時觸發(fā)中斷，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入中斷處理進(jìn)行計時或采樣,，完成溫控信號物理量測量,，同時實時顯示并保存測量結(jié)果。檢測儀主要由5個模塊組成,，如圖1所示,。

    (1)電源模塊：主要由電源和分壓電路等組成，提供檢測所需電壓,。
    (2)信號調(diào)理模塊：由信號調(diào)理電路與穩(wěn)壓傳感器,、模擬開關(guān)等組成，實現(xiàn)A/D,、D/A輸入/輸出信號調(diào)理及其他信號通斷控制,。
    (3)信號轉(zhuǎn)換模塊：包括激勵信號源和信號測量電路，是完成測量功能,、保證測量精度的關(guān)鍵,。
    (4)控制模塊：主要由ARM處理器(S3C2440)及外圍芯片組成，檢測流程控制,，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)處理,，。
    (5)顯示模塊：由支持觸屏的顯示器組成,，提供檢測界面并實時顯示檢測結(jié)果,。
3 硬件設(shè)計
    硬件設(shè)計難點主要是激勵信號源，需模擬熱電偶輸出0～80 mV,，且最大允許誤差為0.04 mV,。
   
3.2 激勵信號源
    激勵信號源主要由DS1820、D/A及調(diào)理電路組成,。DS1820測溫范圍為-55 ℃～+125 ℃,，精度為0.5 ℃，兼容TTL電平,，可直接與處理器進(jìn)行串行數(shù)據(jù)交互,，簡化了冷端溫度測量的問題。D/A選用18位分辨率的AD760,，經(jīng)分壓后串行輸出0～80 mV電壓,。系統(tǒng)軟件讀取DS1820測得的冷端溫度和用戶輸入的待檢溫度，根據(jù)3.1所示的熱電偶工作原理直接控制D/A向溫控盒輸出一定大小的激勵熱電勢,，無需檢測人員手動調(diào)節(jié),。
3.3 溫控信號測量電路
    A/D轉(zhuǎn)換器選用A/D7190。A/D7190是一款適合高精度測量應(yīng)用的低噪聲完整模擬前端,，可直接輸入小信號,，具有24位轉(zhuǎn)換，分辨率可達(dá)微伏級，能較好地滿足激勵信號檢測的精度要求,。
4 檢測儀軟件設(shè)計
    軟件是檢測儀設(shè)計的核心,，負(fù)責(zé)根據(jù)待測溫度計算激勵信號幅值，并實時測量,、顯示溫控信號參數(shù),。軟件開發(fā)主要包括操作系統(tǒng)定制、驅(qū)動程序開發(fā),、應(yīng)用程序開發(fā)三部分,。驅(qū)動程序負(fù)責(zé)具體數(shù)據(jù)采集；應(yīng)用程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理,，控制檢測儀工作邏輯,，提供人機交互界面，在VS2008中基于MFC開發(fā),。
    ThreadTemp和ThreadData分別表示冷端溫度測量線程與數(shù)據(jù)處理線程,，IST為中斷處理線程。正常檢測時,，軟件總體流程圖如圖2所示。

4.1 操作系統(tǒng)定制
    檢測儀選用WinCE6.0操作系統(tǒng),， 主要為應(yīng)用程序提供運行環(huán)境和文件管理,，并為檢測人員提供人機交互平臺，簡化操作,。WinCE對 Win32API子集的支持使桌面Windows程序開發(fā)經(jīng)驗可直接應(yīng)用到檢測儀應(yīng)用程序開發(fā)中,，縮短了開發(fā)時間。
    檢測儀操作系統(tǒng)是在Platform Builder軟件中根據(jù)測試需求及硬件特點進(jìn)行系統(tǒng)組件及相關(guān)信息配置,、調(diào)試及編譯定制的ARM_V4I模式操作系統(tǒng),。為支持應(yīng)用程序，操作系統(tǒng)定制時選擇MFC支持模塊,，不選擇檢測所不需要的網(wǎng)絡(luò),、串口等模塊以最大限度減少系統(tǒng)大小，提高系統(tǒng)運行速度,。
4.2 驅(qū)動程序開發(fā)
    WinCE下驅(qū)動程序采用流式接口驅(qū)動,，以用戶態(tài)下DLL形式存在。外設(shè)被抽象成一個文件,，應(yīng)用程序通過使用操作系統(tǒng)提供的文件API調(diào)用對應(yīng)的流式接口函數(shù)來訪問外設(shè),，這不同于桌面Windows中直接以函數(shù)名調(diào)用DLL中函數(shù)。流式接口函數(shù)包括xxx_Open(),，xxx_Close(),，xxx_Init()，xxx_Deinit()，xxx_Read(),，xxx_Write(),，xxx_IoControl()等12個函數(shù)，其中,，xxx為自定義設(shè)備名[2],。
    檢測儀驅(qū)動開發(fā)實質(zhì)是在固定的流式接口函數(shù)中實現(xiàn)對硬件部分的具體操作。
4.3 冷端溫度實時測量
    應(yīng)用程序通過ThreadTemp實現(xiàn)測溫并顯示結(jié)果,，完成對冷端溫度的實時測量[3],。DS1820與S3C2440單線連接，關(guān)鍵是保證正確的時序：初始化→ROM操作→存儲器操作→數(shù)據(jù)處理[4],。
4.4 自檢輸出信號及溫控信號測量的實現(xiàn)
    利用TX1100A電位計校準(zhǔn)激勵信號源后,，控制激勵信號輸出大小對系統(tǒng)進(jìn)行自檢。自檢時,，ARM處理器根據(jù)檢測人指定的占空比,、頻率、幅值,，控制D/A輸出相同參數(shù)的模擬量,，模擬量進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換實現(xiàn)自檢，自檢時程序的運行如圖3所示,。正常檢時,，溫控盒輸出溫控信號。檢測結(jié)束后,，系統(tǒng)自動以設(shè)備編號為標(biāo)記將結(jié)果分文件夾保存,，設(shè)備編號統(tǒng)一存儲在文本文檔中，讀寫由系統(tǒng)軟件完成,。

    自檢信號及溫控信號的實時測量通過在溫控盒驅(qū)動程序WKH_Open()中創(chuàng)建的IST實現(xiàn),。中斷到來時，IST完成計時或A/D轉(zhuǎn)換,。如圖2所示,，IST先創(chuàng)建中斷關(guān)聯(lián)事件，然后利用WaitforSingleObject()一直等待,；方波信號輸入檢測儀觸發(fā)中斷后,，IST轉(zhuǎn)入計時或采樣中斷處理完成測量。
    測量頻率,、占空比,、幅值的原理如圖4所示。計時之前,，先調(diào)用QueryPerformanceFrequency()函數(shù)獲取機器內(nèi)部定時器時鐘頻率a[0],，在連續(xù)的3次邊沿到來時調(diào)用QueryPerformanceCounter()函數(shù)獲得當(dāng)前計數(shù)值到a[1],、a[2]、a[3],，兩次計數(shù)之差除以時鐘頻率即可得出精確到微秒的間隔時間,，開啟A/D轉(zhuǎn)換可得到方波幅值。以duty表示占空比,，f表示頻率,，則：
    
    測試結(jié)果的實時顯示主要通過ThreadData實現(xiàn)。如圖2所示,，在檢測停止前,，ThreadData循環(huán)完成獲取IST所測量到數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù),、顯示數(shù)據(jù),、保存數(shù)據(jù)的任務(wù)。
4.5 數(shù)據(jù)保存與故障分析
    檢測過程中,，系統(tǒng)將檢測結(jié)果同時寫入文本文檔中完成對檢測結(jié)果的保存,，檢測人員以后可在不運行測試軟件的情況下直接查看歷史數(shù)據(jù)。故障出現(xiàn)時,，系統(tǒng)查詢故障數(shù)據(jù)庫,，提示檢測人員可能的故障結(jié)果。
5 檢測結(jié)果及分析
    以幅值(mV),、頻率(Hz),、占空比為一組數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自檢結(jié)果如表2所示,。其中誤差取3次測量中所出現(xiàn)的最大誤差。

    由表2可得,，測得數(shù)據(jù)誤差均在表1所示范圍內(nèi),。分析數(shù)據(jù)可得以下3點：
    (1)幅值誤差穩(wěn)定在0.010 mV～0.020 mV之間，比較理想,。
    (2)頻率為5 Hz,、6 Hz或8 Hz時，頻率誤差均小于0.02 mV,，占空比誤差不超過0.1%,。
    (3)頻率達(dá)到20 Hz時，誤差開始大于0.1 Hz,；頻率達(dá)到80 Hz時,，會出現(xiàn)結(jié)果未顯示或占空比為0.0%。
    調(diào)試發(fā)現(xiàn),，輸入信號為80 Hz,、占空比出現(xiàn)0.0%時,，a[2]=0。其原因為ARM不支持同級嵌套[5],，系統(tǒng)響應(yīng)第1次中斷時,，將中斷屏蔽器相應(yīng)位置1，80 Hz中斷間隔相對較短,，第1次中斷未處理完時,，第2次中斷到來，中斷請求未被服務(wù),，a[2]=0,，由式(4)，高電平時間為0,，故占空比出現(xiàn)0.0%,。而第3次中斷可被服務(wù)，a[3]值正確,，頻率正確,。
    結(jié)果未顯示的原因是數(shù)據(jù)線程中消息響應(yīng)函數(shù)的算法繁瑣，消耗時間過長,，數(shù)據(jù)未正常顯示,。簡化算法后，結(jié)果可正常顯示,。
    由表1,，溫控盒輸出溫控信號頻率為5～8 Hz，在此范圍內(nèi),，采用圖4方法檢測出誤差在規(guī)定范圍之內(nèi),。增大輸入頻率再進(jìn)行測試，以測量10次內(nèi)有無出現(xiàn)結(jié)果不正常顯示來進(jìn)行統(tǒng)計,，結(jié)果如表3所示,。表3中，當(dāng)頻率較高(大于80 Hz)時,，圖4中連續(xù)計時或采樣的測量方法將難以實現(xiàn)測量功能,，需間隔采樣，結(jié)合中斷計數(shù)計算方波物理量,，以提高測量精度,，但測量實時性減弱。

    本文設(shè)計的檢測儀已通過部隊實際應(yīng)用,，作為內(nèi)場離位檢測設(shè)備,，具有精度高、檢測時間短等優(yōu)點,，有效地保障了航空兵部隊的作戰(zhàn)和訓(xùn)練任務(wù),。設(shè)計思想和工程實現(xiàn)方法對于低頻方波信號的物理量實時檢測具有借鑒意義,。加上蓄電池電源后，可以拓展為各種體積小,、重量輕,、功耗低的內(nèi)外場便攜式檢測設(shè)備，具有一定的推廣前景,。
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