作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制主要的發(fā)展方向, 分布式控制系統(tǒng)[1]將低級(jí)處理功能從FADEC中的電子控制器EEC (electronic engine control) 下放到現(xiàn)場的傳感器和作動(dòng)器中, 使之成為智能傳感器和智能作動(dòng)器, 同時(shí)通過數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)與EEC的實(shí)時(shí)通訊。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)通過燃燒燃油[2]產(chǎn)生熱量來做功, 為飛機(jī)提供動(dòng)力。因此, 燃油流量的測定, 對發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測與控制非常重要。目前, 普遍采用電磁式渦輪流量傳感器進(jìn)行燃油流量測量[3]。然而, 這種電磁式傳感器不僅易受強(qiáng)電磁的干擾, 無法在惡劣工況下使用, 而且當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低時(shí), 葉片會(huì)產(chǎn)生磁阻, 導(dǎo)致電磁式流量傳感器的量程比不會(huì)太大。而光纖傳感器[4]通過光纖來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的測量和傳送, 具有優(yōu)良的抗干擾能力, 特別適用于強(qiáng)電磁干擾和高壓的環(huán)境, 且當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速較低時(shí), 光纖渦輪流量計(jì)不受磁阻的影響, 因此相對于電磁式傳感器, 光纖傳感器具有更大的量程比。

單片機(jī)的運(yùn)算速度慢、功能單一, 其不能滿足分布式控制智能傳感器的要求。DSP將高速運(yùn)算能力、實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)等功能集于一身, 使很多復(fù)雜的控制算法和功能得以實(shí)現(xiàn)。然而, 目前的DSP軟件開發(fā), 都是以編寫復(fù)雜的匯編或C語言代碼為整個(gè)軟件開發(fā)周期的核心, 需要投入大量的人力、物力、財(cái)力。TI公司和Mathworks公司合作搭建的嵌入式開發(fā)環(huán)境Embedded Target for TI's C2000/C5000/C6000DSP Platform和接口工具M(jìn)ATLAB Link for CCS Development Tools為自動(dòng)代碼[5]的生成提供了方便, 使快速代碼生成逐漸成為DSP代碼開發(fā)研究的重點(diǎn)。

本文選用光纖作為傳感器材料, TMS320F28335DSP作為智能渦輪流量傳感器的微處理器, 利用自動(dòng)代碼生成技術(shù)實(shí)現(xiàn)嵌入式軟件的開發(fā), 設(shè)計(jì)了一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能渦輪流量傳感器。該傳感器抗干擾能力強(qiáng)、精度高、范圍廣, 適合于分布式控制系統(tǒng)。

光纖流量傳感器是把電磁流量傳感器的電磁式感應(yīng)部件替換成光纖感應(yīng)探頭, 使用光纖探頭代替電磁線圈完成信號(hào)拾取, 一般可將光纖束分為2支, 分別作為發(fā)射光纖和接收光纖。光源通過發(fā)射光纖照射到葉片端面上, 且照射到渦輪葉片上的位置隨渦輪葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生周期性的改變, 這樣通過反射進(jìn)入接收光纖的光強(qiáng)信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生周期性的變化。將接收到的光信號(hào)傳輸至光電轉(zhuǎn)換電路, 然后經(jīng)過放大和濾波, 就能得到周期性的電信號(hào)。假定測出電信號(hào)的頻率為f_n, 渦輪葉片數(shù)為n, 則渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率f=f_n/n。***后根據(jù)流量和頻率對應(yīng)關(guān)系, 求出渦輪燃油流量。

根據(jù)上述測量原理, 其核心在于測量電信號(hào)的頻率。測量頻率方法主要有測頻法和測周法。然而這2種方法在整個(gè)頻率測量范圍內(nèi), 尤其是低頻條件下, 容易受到環(huán)境條件的影響, 無法獲得較高的精度。

FFT測頻算法是將時(shí)域離散信號(hào)變?yōu)轭l域離散信號(hào), 然后根據(jù)各頻率的分布情況和幅值大小來計(jì)算頻率。這種算法可靠性高、魯棒性強(qiáng), 能夠有效防止信號(hào)的干擾, 并且可以通過插值法對傅里葉系數(shù)進(jìn)行修正來提高分辨率[6], 因此本文采用修正的FFT算法進(jìn)行頻率測定。

本文以DN20型號(hào)的渦輪流量傳感器為研究對象, 設(shè)定光纖傳感器的可測渦輪頻率范圍為5~300 Hz, 使其量程比可達(dá)60∶1, 渦輪葉片數(shù)目為4, 即測定的電信號(hào)頻率范圍為20~1 200 Hz。

本文提出的智能渦輪流量傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示, 可具體分為光纖傳感器和光纖后處理硬件電路2部分, 下面分別進(jìn)行介紹。

本文采用的同軸式光纖傳感器是由光源、發(fā)射光纖、接收光纖以及探測器組成。同軸式光纖傳感器的光纖探頭的截面圖如圖2所示。中間1根光纖為發(fā)射光纖, 周圍一圈6根光纖為接收光纖。本文接收光纖采用多模光纖[7], 可以提高測量的信噪比, 從而實(shí)現(xiàn)傳感器高精度測量。

先將光纖探頭安裝固定在待測渦輪葉片頂部的機(jī)匣處, 并使得光纖的端面正對渦輪葉片;激光光源發(fā)出激光輸入到光纖探頭中的發(fā)射光纖中, 發(fā)射光纖中的激光照射到葉端表面后反射到光纖單元中的接收光纖中。

根據(jù)光強(qiáng)調(diào)制原理, 結(jié)合圖2的光纖探頭結(jié)構(gòu), 設(shè)定任意一對發(fā)射光纖和入射光纖的距離為d, 則接收光纖接收到的光強(qiáng)I (z) 與光纖探頭距離渦輪葉片反射面的位移z滿足式 (1) 所示的函數(shù)關(guān)系[8]。

式中:ρ為鏡面的反射率;K₀為光波在入射光纖中的損耗;K₁為接收光纖的光功率損耗系數(shù) (本征損耗) ;S為光纖有效接收面積, μm²;I為由光源耦合到入射光纖中的光強(qiáng);σ為表征光纖折射率分布的相關(guān)參數(shù);ζ為與光源有關(guān)的調(diào)制參數(shù)。

可見, 在探頭參數(shù)確定的情況下, 光強(qiáng)I (z) 只與位移z有關(guān)。渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 每個(gè)葉片掃過光纖瞬間, 光纖探頭到光纖端面的距離z***大, 對應(yīng)I (z) 有極大值, 因此I (z) 為一個(gè)周期信號(hào)。

這部分電路包括光電轉(zhuǎn)化模塊和放大濾波模塊, 完成輸入DSP系統(tǒng)前的信號(hào)處理。光電轉(zhuǎn)化模塊的功能是將反射光纖接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào);放大濾波模塊的功能是將光電轉(zhuǎn)換后輸出的微弱電壓信號(hào)進(jìn)行適度放大, 使其在0~3 V的范圍內(nèi), 并使一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過, 抑制其他頻率信號(hào), 提高系統(tǒng)的信噪比, 經(jīng)過前置處理電路的信號(hào)***終輸入到DSP系統(tǒng)的ADCINA0端。

TMS320F28335 DSP具有150 MHz的高速處理能力, 具備32位浮點(diǎn)處理單元, 有以下特點(diǎn):低功耗設(shè)計(jì), 1.8 V內(nèi)核電壓, 3.3 V引腳電壓;12位16通道ADC, 轉(zhuǎn)換時(shí)間為80 ns;256 K×16位Flash存儲(chǔ)器, 34K×16位RAM, 1 K×16位ROM;2個(gè)e CAN2.0B模塊;3個(gè)SCI模塊。F28335得益于浮點(diǎn)運(yùn)算單元, 其性能相比于F2812平均提高了50%, FFT等復(fù)雜算法運(yùn)算周期縮短了一半。

為了與計(jì)算機(jī)連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測控, 可以使用RS232接口與上位進(jìn)行連接, 實(shí)現(xiàn)異步串行通信, 實(shí)現(xiàn)將DSP端的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給PC端[9]。

CAN總線[10]是現(xiàn)場總線中的一種, 采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和同層通信方式, 有5種錯(cuò)誤監(jiān)測和糾錯(cuò)措施, 具有很高的可靠性;***高位傳輸率達(dá)1 Mbit/s, 接口簡單, 成本低廉, CAN的這些優(yōu)點(diǎn)使其成為分布式控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的理想選擇。TMS320F28335 DSP內(nèi)嵌CAN控制器———e CAN模塊, 本文采用82C250作為CAN收發(fā)器將DSP芯片與物理總線的接口相連, 實(shí)現(xiàn)了DSP與CAN總線的接口電路。

隨著近年來DSP被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域, DSP的軟件開發(fā)方法也在不斷地發(fā)展, 目前主要的3種開發(fā)方法如表1所示。為了降低DSP程序開發(fā)難度并標(biāo)準(zhǔn)化生成的DSP程序, 同時(shí)有效利用MATLAB軟件開發(fā)周期短以及匯編代碼執(zhí)行效率高的優(yōu)勢, Texas Instruments和Mathworks公司共同推出了一個(gè)嵌入式軟件的開發(fā)環(huán)境ETTIC2000/5000/6000和其對應(yīng)地接口工具CCSLink。

CCSLink是MATLAB中的一個(gè)工具箱, 它提供了MATLAB、CCS和DSP目標(biāo)板之間的接口, 利用這個(gè)工具箱可以使用Real-Time-Workshop將Simulink模型生成標(biāo)準(zhǔn)的C程序代碼, 然后調(diào)用CCS開發(fā)工具編譯鏈接這些C代碼, 生成指定目標(biāo)板的可執(zhí)行代碼, ***終把生成的代碼加載到目標(biāo)板中進(jìn)行算法性能和實(shí)時(shí)性評(píng)估。目前的MATLAB集成了ADC、PWM、SCI、CAN等多種功能模塊, 為用戶的開發(fā)和應(yīng)用提供了很大的便利[11]。

智能化軟件系統(tǒng)的流程圖如圖3所示。該系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、FIR數(shù)字濾波模塊、FFT測頻模塊、頻率流量轉(zhuǎn)化模塊、上位機(jī)顯示模塊和CAN通信模塊, 由于本文采用自動(dòng)代碼生成技術(shù)完成嵌入式軟件的開發(fā), 因此上述模塊都是在MATLAB/Simulink的環(huán)境下搭建的, 其中FFT測頻模塊是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心部分。

F28335內(nèi)部的ADC模塊具有12位分辨率, 共有16個(gè)采樣通道, 本論文使用ADCINA0通道, 采用相對***穩(wěn)定的e PWMx A觸發(fā)中斷來啟動(dòng)ADC, ADC工作方式選擇級(jí)聯(lián)模式。

根據(jù)香農(nóng)采樣定理, 采樣頻率應(yīng)大于信號(hào)頻率的2倍, 由上文可知, 待測量的光信號(hào)的頻率為20~1 200 Hz, 因此采樣頻率應(yīng)不小于2 400 Hz。本文采用基于FFT的測頻方法, 隨著采樣頻率升高, 測頻結(jié)果的分辨率會(huì)降低, 因此設(shè)置采樣頻率為2 500 Hz。在Texas Instructions C2000/C28x3x模塊庫里找到ADC模塊和e PWM模塊, 并根據(jù)上述參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

本論文中采樣點(diǎn)數(shù)N設(shè)定為1 024, 即對于后續(xù)的FIR數(shù)字濾波模塊和FFT測頻模塊都是以1 024個(gè)采樣點(diǎn)為一組輸入進(jìn)行信號(hào)處理。使用Stateflow/chart控制采樣點(diǎn)數(shù), 將采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Data Store Memory模塊, 當(dāng)采到1 024個(gè)點(diǎn)后置零, 并通過Software Interrupt Trigger模塊進(jìn)入中斷, 執(zhí)行后續(xù)動(dòng)作, 依次循環(huán)。

本文選用FIR算法實(shí)現(xiàn)低通濾波。在FIR濾波器中可以得到的線性相位, FIR濾波器采用非遞歸結(jié)構(gòu), 不存在穩(wěn)定性問題, 頻率特性誤差也較小。通過軟硬件濾波方法相結(jié)合, 使該傳感器魯棒性更強(qiáng)、流量測定更準(zhǔn)確。

首先確定濾波器的階數(shù)。綜合考慮計(jì)算精度和實(shí)時(shí)性, ***終選擇的濾波器的階數(shù)為32階。當(dāng)前時(shí)刻以及***近32個(gè)時(shí)刻的輸入在數(shù)據(jù)采集程序中已經(jīng)得到, 所對應(yīng)的沖擊響應(yīng)的值可以根據(jù)濾波器的截止頻率采用漢明窗窗函數(shù)法計(jì)算得到。本系統(tǒng)中所要測量的光信號(hào)的頻率范圍為20~1 200 Hz, 因此將頻率截止頻率設(shè)為1 250 Hz。***后根據(jù)上述參數(shù), 配置Filter Designs模塊庫的Digital Filter Design模塊。

FFT算法得到的頻率分辨率為

式中:f_s為采樣頻率;N為采樣點(diǎn)數(shù)。

上文已經(jīng)提到, 取, N=1 024, 因此頻率分辨率為

本文設(shè)計(jì)了一種通過插值的方法對傅里葉系數(shù)進(jìn)行修正來提高分辨率的DSP算法?；镜乃悸肥鞘紫韧ㄟ^FFT對信號(hào)頻譜進(jìn)行全局峰值搜索, 然后采用重心法得到峰值的偏差初值, 再迭代計(jì)算修正峰值前后兩個(gè)位置的DFT系數(shù)來實(shí)現(xiàn)對真實(shí)頻率的估計(jì), 保證了誤差在0.05范圍內(nèi)。該算法的主要步驟如下:

(1) 對信號(hào)X (k) 做FFT運(yùn)算, 取模后得到信號(hào)頻譜|X (k) |, 再對頻譜峰值進(jìn)行搜索, 得到峰值的位置L。

(2) 由式 (2) 計(jì)算偏差初值error (0) , 初始值n=1。

式中M為主瓣內(nèi)的峰值位置前后的譜線數(shù)。

(3) 由式 (3) ~式 (5) 計(jì)算得到第n次的偏差修正值Δerror (n) , 加上第n-1次偏差值error (n-1) 得到第n次的偏差值error (n) , 且n=n+1;

(4) 重復(fù)步驟 (3) , 直到error (n) ≤0.05, 由式 (6) 求出真實(shí)的頻率:

式中f_x為采樣頻率。

(5) 因?yàn)闇u輪葉片數(shù)為4, 故渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。

由于MATLAB中的FFT模塊并不是開源的, 不能直接修改, 為了實(shí)現(xiàn)上述測頻算法, 本文利用Embedded MATLAB Function模塊對修正的FFT算法進(jìn)行封裝, 得到一個(gè)能夠直接使用的Simulink模塊。

為了求出渦輪頻率f與渦輪流量Q之間的關(guān)系, 本文根據(jù)DN20型號(hào)的渦輪流量傳感器構(gòu)建了對應(yīng)的Simulink仿真模型, 并進(jìn)行了軟件仿真, 得出了如表2所示的頻率和流量的分段線性化關(guān)系[12]。

同樣利用上述的Embedded MATLAB Function模塊, 根據(jù)分段線性關(guān)系, 完成頻率-流量的轉(zhuǎn)化, 實(shí)現(xiàn)燃油流量的測定。

為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)顯示, 同時(shí)方便傳感器地面試驗(yàn)時(shí)遠(yuǎn)距離測控, 本文選用異步串行通訊方式, 實(shí)現(xiàn)了DSP與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互。本文選擇的波特率為11 520 bit/s, 完全能夠滿足實(shí)時(shí)顯示的要求。在Simulink庫中找到SCI Transmit模塊, 并按照上述參數(shù)對該模塊進(jìn)行設(shè)置。在電腦端選用通信端口COM1, 將其波特率設(shè)置為相同的11 520 bit/s。為了能夠?qū)崟r(shí)顯示, 本文利用Labwindows/CVI軟件搭建了顯示流量的人機(jī)界面, 方便轉(zhuǎn)速在PC端的實(shí)時(shí)顯示。

CAN2.0B中存在2種不同的幀格式, 本文采用具有11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)幀[13], 波特率250 kbit/s。ID標(biāo)識(shí)符由ID25-ID18構(gòu)成, ID標(biāo)識(shí)符的分配采用“目的標(biāo)識(shí)+信號(hào)標(biāo)識(shí)+命令標(biāo)識(shí)”, 結(jié)構(gòu)層次清晰。目前節(jié)點(diǎn)需要傳輸?shù)男盘?hào)只有渦輪燃油流量1個(gè)參數(shù), 因此設(shè)置Data1的ID為00, 并預(yù)留出2位 (ID22-23:00) 便于分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展。在Simulink庫中找到e CAN Transmit模塊, 并按照上述參數(shù)對該模塊進(jìn)行設(shè)置。

將上述各個(gè)模塊結(jié)合起來, 構(gòu)成如圖4所示的完整的智能渦輪流量傳感器系統(tǒng)Simulink模型。對該模型的Configuration Parameters參數(shù)進(jìn)行設(shè)定, 并將基于DSP的處理硬件電路與PC機(jī)相連接后, 完成自動(dòng)代碼生成過程, 將上述模型轉(zhuǎn)化C程序, 下載到DSP硬件電路板中, 實(shí)現(xiàn)了嵌入式軟件的開發(fā)。

本文對所設(shè)計(jì)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能渦輪流量傳感器系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 首先將所設(shè)計(jì)的測量系統(tǒng)軟件下載到集成電路中進(jìn)行軟件硬件的聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測量精度與測量范圍;然后以水為介質(zhì), 同時(shí)做電磁式渦輪流量計(jì)與光纖渦輪流量計(jì)對比實(shí)驗(yàn), 驗(yàn)證了整個(gè)光纖渦輪流量計(jì)的測量精度及測量范圍達(dá)到了預(yù)期的效果。

對光纖渦輪傳感器進(jìn)行了單獨(dú)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。利用一個(gè)電機(jī)可調(diào)轉(zhuǎn)速的渦輪轉(zhuǎn)子, 渦輪上方裝有2.1節(jié)所述的光纖傳感器。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率可得到, 光纖渦輪流量計(jì)測量的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率實(shí)時(shí)地顯示在PC主機(jī)上, 試驗(yàn)結(jié)果如表3所示, f₀為實(shí)際頻率, f₁為測量頻率, e₁為誤差, e₂為相對誤差。

可見, 該光纖渦輪流量傳感器在測量范圍內(nèi), ***大的相對誤差為0.03%, 完全滿足發(fā)動(dòng)機(jī)測量精度的要求。

在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下, 在DN20的渦輪的基礎(chǔ)上, 同時(shí)使用光纖流量傳感器和電磁流量傳感器測流量, 如圖5所示, 對二者的測量結(jié)果進(jìn)行對比分析。

渦輪流量傳感器的流量上限的限制主要取決于渦輪軸承的壽命, 而本文所開發(fā)的光纖渦輪流量傳感器, 其渦輪部分仍是原來的電磁渦輪流量傳感器的渦輪部分, 因此其上限與原渦輪流量傳感器保持一致, 本文不進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn), 只在頻率小于35 Hz的條件下進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 得到如圖6所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出, 在電磁渦輪流量計(jì)的有效測量范圍內(nèi), 光纖渦輪流量計(jì)測量數(shù)據(jù)相應(yīng)地與電磁渦輪流量計(jì)的測量數(shù)據(jù)重合一致, 這證明光纖測量結(jié)果是完全正確;并且光纖渦輪流量計(jì)的流量測量范圍向下延伸了, 在保證測量精度的同時(shí)將測量范圍擴(kuò)展至測點(diǎn) (f=4.73 Hz, Q=0.057 3 L/s) , 保持原渦輪流量計(jì)的測量上限點(diǎn) (f=309.33 Hz, Q=3.549 68 L/s) 不變, 光纖渦輪流量計(jì)的量程比可以提高至63∶1。

本文設(shè)計(jì)了一種以光纖傳感器與DSP為硬件核心的航空發(fā)動(dòng)機(jī)分布式智能渦輪流量傳感器, 并采用自動(dòng)代碼生成技術(shù)完成嵌入式軟件的開發(fā), 對軟硬件進(jìn)行了聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn), 并與電磁渦輪流量計(jì)進(jìn)行了對比。主要成果如下:

(1) 提出了一種基于光纖傳感器和DSP硬件的智能渦輪流量傳感器, 并針對分布式控制結(jié)構(gòu), 設(shè)計(jì)了對應(yīng)的智能算法和CAN口通訊, 該傳感器抗干擾能力強(qiáng)、測量精度高, 可實(shí)現(xiàn)SCI串行通訊、CAN通訊等多種通信功能;

(2) 采用基于MATLAB-DSP的自動(dòng)代碼生成技術(shù), 利用簡單的Simulink模型實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的嵌入式軟件的開發(fā), 縮短了開發(fā)周期, 生成的軟件系統(tǒng)經(jīng)過驗(yàn)證完全滿足實(shí)際要求, 效果良好;

(3) 驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的智能渦輪流量傳感器的測量精度, 與電磁渦輪流量傳感器相比, 明顯延伸了測量下限, 顯著提高了量程比。

本研究為智能傳感器的工程應(yīng)用提供了有效的途徑, 為航空發(fā)動(dòng)機(jī)光纖渦輪流量傳感器的有效性檢驗(yàn)提供了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證支持, 促進(jìn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制領(lǐng)域的研究工作。