基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量方法

1 引言

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，對(duì)振動(dòng)的監(jiān)控具有重要的作用，它可以有效的分析發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況，同時(shí)振動(dòng)值也是發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)定的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，而如何正確測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)參數(shù)，如振動(dòng)的速度，位移和加速度也就成為了一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。本文即從此方向入手，進(jìn)行一種方法的論述與實(shí)現(xiàn)。

2　測(cè)量原理分析

由于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)速度傳感器輸出的頻率信號(hào)與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)速度成正比，可采用頻率測(cè)量法，即通過(guò)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器的輸出頻率來(lái)得到相應(yīng)的振動(dòng)速度。同時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)形成機(jī)理和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，傳感器的輸出頻率中混雜有高頻和低頻噪聲信號(hào)，為了提高測(cè)量精度，必須將其過(guò)濾掉，因此首先對(duì)得到的振動(dòng)速度信號(hào)進(jìn)行放大和高、通濾波處理。振動(dòng)的速度、位移和加速度信號(hào)之間存在著一定的關(guān)系，將濾波后的振動(dòng)速度信號(hào)經(jīng)過(guò)積分，可得到振動(dòng)位移信號(hào)，經(jīng)過(guò)微分，可得到振動(dòng)的加速度信號(hào)。為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)和RMS幅值測(cè)量元件將上述信號(hào)轉(zhuǎn)化為0-5伏的電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)VFC轉(zhuǎn)化芯片，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)，這樣可得到非常穩(wěn)定的頻率信號(hào)，然后輸入到單片機(jī)T0引腳進(jìn)行計(jì)數(shù)。

脈沖頻率的計(jì)數(shù)由單片機(jī)內(nèi)部16位計(jì)數(shù)器完成，計(jì)數(shù)的閘門時(shí)間（時(shí)基）由晶振提供，此設(shè)計(jì)中還利用了數(shù)字濾波技術(shù)來(lái)提高轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度和測(cè)量穩(wěn)定性。

在設(shè)計(jì)中，為了提高系統(tǒng)的維護(hù)性，增加了自校功能，將選擇開(kāi)關(guān)打到"自校"時(shí)，由頻率信號(hào)給定器給出頻率信號(hào)送入系統(tǒng)中，通過(guò)看輸出結(jié)果來(lái)決定是否進(jìn)行校正。同時(shí)為了方便使用，加入靈敏度系數(shù)調(diào)整機(jī)制，并在每次系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后自動(dòng)由E2PROM加載到系統(tǒng)的內(nèi)存RAM中，在調(diào)整了靈敏度值、系統(tǒng)關(guān)機(jī)或突然斷電的時(shí)候，會(huì)由中斷程序?qū)?dāng)前靈敏度值保存到E2PROM中，方便下次的使用（見(jiàn)圖2主程序流程圖）。為了保證系統(tǒng)的可靠性，看門狗電路也是不可少的。

3　具體實(shí)現(xiàn)

3.1 　測(cè)量振動(dòng)量

根據(jù)上面的分析，進(jìn)行硬件的設(shè)置，繪制測(cè)量系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1　總體框圖

通過(guò)速度傳感器得到振動(dòng)速度信號(hào)后，進(jìn)行放大和高、低通濾波處理。濾波后，分為三路，一路經(jīng)過(guò)運(yùn)放匹配電路，得到振動(dòng)速度信號(hào)，一路經(jīng)過(guò)積分電路，得到振動(dòng)位移信號(hào)，一路經(jīng)過(guò)微分電路，得到振動(dòng)的加速度信號(hào)。三種信號(hào)經(jīng)過(guò)測(cè)量選擇開(kāi)關(guān)的選擇，將欲測(cè)量的一路信號(hào)通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)，輸送到RMS幅值測(cè)量元件 AD637中，將其轉(zhuǎn)化為0-5伏的電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)VFC轉(zhuǎn)化芯片，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)，然后輸入到單片機(jī)T0引腳進(jìn)行計(jì)數(shù)。

MCS－51系列單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置了兩個(gè)16位可編程的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和T1，它們具有計(jì)數(shù)器和定時(shí)器兩種工作方式和四種工作模式，通過(guò)設(shè)置狀態(tài)字，可以方便的選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ鞣绞脚c工作模式；同時(shí)，單片機(jī)設(shè)有兩個(gè)外部中斷，相應(yīng)信號(hào)輸入引腳是INT0和INT1，用于輸入外部中斷源的中斷請(qǐng)求信號(hào)。在此，采用計(jì)數(shù)器T0的16位計(jì)數(shù)模式，用于對(duì)輸入頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)，T1采用定時(shí)方式，定時(shí)時(shí)間為0.1s，4次定時(shí)0.4s，在中斷服務(wù)程序中讀取T0內(nèi)容并計(jì)算和顯示振動(dòng)值,具體見(jiàn)圖4，T1中斷服務(wù)程序流程圖（可根據(jù)DIP開(kāi)關(guān)選擇濾波系數(shù)和顯示刷新率）。顯示值由P3口的低四位輸出百位顯示數(shù)據(jù)，由 P2口的高四位輸出十位顯示數(shù)據(jù)，P2口的低四位輸出個(gè)位顯示數(shù)據(jù)。分別驅(qū)動(dòng)14513進(jìn)行顯示。

3.2  調(diào)整開(kāi)關(guān)

靈敏度系數(shù)調(diào)節(jié)通過(guò)INT1來(lái)完成，如圖1所示的粗調(diào)或細(xì)調(diào)信號(hào)由一個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕產(chǎn)生，即按下按鈕后產(chǎn)生一個(gè)邏輯低電平信號(hào)，此信號(hào)在送往INT1引腳并引起中斷的同時(shí)，也送到P1的高四位，這樣，擴(kuò)展了中斷源的判斷信息，在INT1的中斷服務(wù)程序中，同時(shí)對(duì)相應(yīng)的P1口的引腳信號(hào)進(jìn)行判斷，進(jìn)而執(zhí)行不同的處理程序，詳見(jiàn)圖5，INT1中斷服務(wù)程序。同時(shí)，對(duì)調(diào)節(jié)后的靈敏度值進(jìn)行邊界條件的判斷，即最大值與最小值的判斷。若進(jìn)行粗調(diào)或細(xì)調(diào)后所得到的靈敏度系數(shù)為0或大于999，則系統(tǒng)認(rèn)為是不合法（在第一次上電時(shí)的情況），重置為200，然后閃爍顯示4～5次。

3.3　存儲(chǔ)模塊

在INT0中斷中完成斷電保存靈敏度系數(shù)SENS的工作，SENS分兩字節(jié)保存，SENS_H存貯于24C04的020H; SENS_L存貯于021H單元，因?yàn)镸CS－51系列單片機(jī)中沒(méi)有內(nèi)置的I2C接口，所以，采用軟件模擬硬件電路信號(hào)的方法，用P3口的兩個(gè)引腳來(lái)當(dāng)作 SDA，SCL信號(hào)線，接口信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系：SDA對(duì)應(yīng)P3.0，SCL對(duì)應(yīng)P3.1引腳。程序流程見(jiàn)圖3 INT0中斷。

3.4　看門狗電路

單片機(jī)在不讀取片外的擴(kuò)展芯片時(shí)，ALE引腳輸出一定頻率的時(shí)鐘信號(hào)，看門狗電路的頻率信號(hào)即取自此引腳，該信號(hào)經(jīng)過(guò)兩片CD4020分頻后，送到 RESET復(fù)位引腳，而CD4020的RESET信號(hào)由T1引腳階段性輸出，當(dāng)程序正常運(yùn)行時(shí)，有意識(shí)地階段性地用指令給T1引腳置低電平，因此在T1引腳不斷的送出復(fù)位信號(hào)，此信號(hào)不斷地對(duì)CD4020的計(jì)數(shù)進(jìn)行清除，所以永遠(yuǎn)達(dá)不到對(duì)單片機(jī)的復(fù)位的計(jì)數(shù)信號(hào)要求。當(dāng)程序走飛時(shí)，因?yàn)椴荒苷５貓?zhí)行程序，所以T1引腳不能送出復(fù)位信號(hào)，不能對(duì)CD4020進(jìn)行復(fù)位，因此，當(dāng)計(jì)時(shí)到一定時(shí)間時(shí)，就會(huì)有復(fù)位信號(hào)送到單片機(jī)的RESET復(fù)位引腳，使系統(tǒng)強(qiáng)制復(fù)位，程序從0000H重新開(kāi)始執(zhí)行，系統(tǒng)回到正確運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行信號(hào)的測(cè)量與正常顯示。

3.5　 濾波系數(shù)和顯示刷新率

因?yàn)椴捎昧藬?shù)字濾波技術(shù)，為了調(diào)整濾波系數(shù)和顯示的刷新率，以滿足不同要求，在P1口加了一個(gè)濾波系統(tǒng)設(shè)置裝置，即一個(gè)DIP開(kāi)關(guān)，將其撥到"ON"位置，則接＋5V電壓，此時(shí)讀取引腳時(shí)得到邏輯1信號(hào)，將其撥到"OFF"位置，則接地，此時(shí)讀取引腳時(shí)得到邏輯0信號(hào)，由此可根據(jù)DIP開(kāi)關(guān)選擇濾波系數(shù)和顯示刷新率。

3.6　程序流程

圖2　主程序

圖3 INT0中斷

圖4　T1中斷服務(wù)程序

3.7  操作面板設(shè)計(jì)

在操作面板中，設(shè)計(jì)一個(gè)3位顯示窗，用于顯示發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)得的振動(dòng)測(cè)量值；一個(gè)"測(cè)量/自校"開(kāi)關(guān)，用于系統(tǒng)的測(cè)量與自校準(zhǔn)模式的選擇，可選擇"自校"方式，進(jìn)行儀器自我檢驗(yàn)，打到"測(cè)量"，則進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)量。一個(gè)三檔測(cè)量選擇開(kāi)關(guān)，用于選擇測(cè)量并顯示的是振動(dòng)的速度，位移還是加速度值，粗調(diào)或細(xì)調(diào)信號(hào)開(kāi)關(guān)按鈕可采用觸摸開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，電源插座和開(kāi)關(guān)放在儀器的背面。

4　結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)基于單片機(jī)完成發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)速度、位移和加速度信號(hào)的測(cè)量，因?yàn)椴捎昧薘MS幅值測(cè)量和VFC轉(zhuǎn)換，提高了測(cè)量的精度、準(zhǔn)確性和工作效率。系統(tǒng)中設(shè)置有靈敏度調(diào)整，可以根據(jù)實(shí)際工作情況調(diào)整，并在調(diào)整完成后關(guān)機(jī)或是系統(tǒng)斷電時(shí)自動(dòng)保存到E2PROM，方便用戶的使用。同時(shí)系統(tǒng)中設(shè)置有看門狗復(fù)位電路，能夠自動(dòng)監(jiān)控程序的運(yùn)行，在系統(tǒng)走飛死機(jī)時(shí)可自動(dòng)復(fù)位，重新進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，提高了可靠性，可由DIP開(kāi)關(guān)選擇濾波系數(shù)和顯示刷新率，以滿足不同要求。本系統(tǒng)已經(jīng)投入到實(shí)際的測(cè)量應(yīng)用當(dāng)中，并被證明可完全滿足實(shí)際工作要求。

5　參考文獻(xiàn)
[1]吳道悌 . 非電量電測(cè)技術(shù)[M] . 西安交通大學(xué)出版社，2002
[2]馬忠梅，籍順心 . 單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M] . 北京航空航天大學(xué)出版社，2001
[3]李軍，華建國(guó) . 飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)原理[M] . 空軍工程大學(xué)工程學(xué)，1992
[4]江曉安，董秀峰 . 模擬電子技術(shù)[M] . 西安電子科技大學(xué)出版社，2003
[5]張振榮，晉明武等 . MCS－51單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M] . 人民郵電出版社，2000