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智能涡街流量计基于光纤和DSP硬件设计适用于分布式控制的航空发动机
 0 引言
    作为航空发动机控制主要的发展方向, 分布式控制系统[1]将低级处理功能从FADEC中的电子控制器EEC (electronic engine control) 下放到现场的传感器和作动器中, 使之成为智能传感器和智能作动器, 同时通过数据总线实现与EEC的实时通讯。
    航空发动机通过燃烧燃油[2]产生热量来做功, 为飞机提供动力。因此, 燃油流量的测定, 对发动机的实时状态监测与*控制非常重要。目前, 普遍采用电磁式涡街流量传感器进行燃油流量测量[3]。然而, 这种电磁式传感器不仅易受强电磁的干扰, 无法在恶劣工况下使用, 而且当涡街转子转速较低时, 叶片会产生磁阻, 导致电磁式流量传感器的量程比不会太大。而光纤传感器[4]通过光纤来实现信号的测量和传送, 具有优良的抗干扰能力, 特别适用于强电磁干扰和高压的环境, 且当涡街转速较低时, 光纤涡街流量计不受磁阻的影响, 因此相对于电磁式传感器, 光纤传感器具有更大的量程比。
    单片机的运算速度慢、功能单一, 其不能满足分布式控制智能传感器的要求。DSP将高速运算能力、实时处理能力和控制器外设等功能集于一身, 使很多复杂的控制算法和功能得以实现。然而, 目前的DSP软件开发, 都是以编写复杂的汇编或C语言代码为整个软件开发周期的核心, 需要投入大量的人力、物力、财力。TI公司和Mathworks公司合作搭建的嵌入式开发环境Embedded Target for TI's C2000/C5000/C6000DSP Platform和接口工具MATLAB Link for CCS Development Tools为自动代码[5]的生成提供了方便, 使快速代码生成逐渐成为DSP代码开发研究的重点。
    本文选用光纤作为传感器材料, TMS320F28335DSP作为智能涡街流量传感器的微处理器, 利用自动代码生成技术实现嵌入式软件的开发, 设计了一种航空发动机智能涡街流量传感器。该传感器抗干扰能力强、精度高、范围广, 适合于分布式控制系统。
    1 光纤涡街流量传感器测量原理
    光纤流量传感器是把电磁流量传感器的电磁式感应部件替换成光纤感应探头, 使用光纤探头代替电磁线圈完成信号拾取, 一般可将光纤束分为2支, 分别作为发射光纤和接收光纤。光源通过发射光纤照射到叶片端面上, 且照射到涡街叶片上的位置随涡街叶片的转动而发生周期性的改变, 这样通过反射进入接收光纤的光强信号就会产生周期性的变化。将接收到的光信号传输至光电转换电路, 然后经过放大和滤波, 就能得到周期性的电信号。假定测出电信号的频率为fn, 涡街叶片数为n, 则涡街转动频率f=fn/n。*后根据流量和频率对应关系, 求出涡街燃油流量。
    根据上述测量原理, 其核心在于测量电信号的频率。测量频率方法主要有测频法和测周法。然而这2种方法在整个频率测量范围内, 尤其是低频条件下, 容易受到环境条件的影响, 无法获得较高的精度。
    FFT测频算法是将时域离散信号变为频域离散信号, 然后根据各频率的分布情况和幅值大小来计算频率。这种算法可靠性高、鲁棒性强, 能够有效防止信号的干扰, 并且可以通过插值法对傅里叶系数进行修正来提高分辨率[6], 因此本文采用修正的FFT算法进行频率测定。
    本文以DN20型号的涡街流量传感器为研究对象, 设定光纤传感器的可测涡街频率范围为5~300 Hz, 使其量程比可达60∶1, 涡街叶片数目为4, 即测定的电信号频率范围为20~1 200 Hz。
    2 智能涡街流量传感器系统硬件组成
 2.1 光纤传感器
    本文采用的同轴式光纤传感器是由光源、发射光纤、接收光纤以及探测器组成。同轴式光纤传感器的光纤探头的截面图如图2所示。中间1根光纤为发射光纤, 周围一圈6根光纤为接收光纤。本文接收光纤采用多模光纤[7], 可以提高测量的信噪比, 从而实现传感器高精度测量。
先将光纤探头安装固定在待测涡街叶片顶部的机匣处, 并使得光纤的端面正对涡街叶片;激光光源发出激光输入到光纤探头中的发射光纤中, 发射光纤中的激光照射到叶端表面后反射到光纤单元中的接收光纤中。
    根据光强调制原理, 结合图2的光纤探头结构, 设定任意一对发射光纤和入射光纤的距离为d, 则接收光纤接收到的光强I (z) 与光纤探头距离涡街叶片反射面的位移z满足式 (1) 所示的函数关系。
 式中:ρ为镜面的反射率;K0为光波在入射光纤中的损耗;K1为接收光纤的光功率损耗系数 (本征损耗) ;S为光纤有效接收面积, μm2;I为由光源耦合到入射光纤中的光强;σ为表征光纤折射率分布的相关参数;ζ为与光源有关的调制参数。
    可见, 在探头参数确定的情况下, 光强I (z) 只与位移z有关。涡街转动时, 每个叶片扫过光纤瞬间, 光纤探头到光纤端面的距离z*大, 对应I (z) 有极大值, 因此I (z) 为一个周期信号。
    2.2 基于DSP的光纤后处理硬件电路
    2.2.1 前置处理电路
    这部分电路包括光电转化模块和放大滤波模块, 完成输入DSP系统前的信号处理。光电转化模块的功能是将反射光纤接收到的光信号转换为电压信号;放大滤波模块的功能是将光电转换后输出的微弱电压信号进行适度放大, 使其在0~3 V的范围内, 并使一定频率范围内的信号通过, 抑制其他频率信号, 提高系统的信噪比, 经过前置处理电路的信号*终输入到DSP系统的ADCINA0端。
    2.2.2 TMS320F28335 DSP结构及特点
TMS320F28335 DSP具有150 MHz的高速处理能力, 具备32位浮点处理单元, 有以下特点:低功耗设计, 1.8 V内核电压, 3.3 V引脚电压;12位16通道ADC, 转换时间为80 ns;256 K×16位Flash存储器, 34K×16位RAM, 1 K×16位ROM;2个e CAN2.0B模块;3个SCI模块。F28335得益于浮点运算单元, 其性能相比于F2812平均提高了50%, FFT等复杂算法运算周期缩短了一半。
    2.2.3 上位机显示
    为了与计算机连接实现远程测控, 可以使用RS232接口与上位进行连接, 实现异步串行通信, 实现将DSP端的数据实时传输给PC端。
    2.2.4 DSP与CAN总线的接口电路
    CAN总线是现场总线中的一种, 采用总线拓扑结构和同层通信方式, 有5种错误监测和纠错措施, 具有很高的可靠性;*高位传输率达1 Mbit/s, 接口简单, 成本低廉, CAN的这些优点使其成为分布式控制系统数据总线的理想选择。TMS320F28335 DSP内嵌CAN控制器———e CAN模块, 本文采用82C250作为CAN收发器将DSP芯片与物理总线的接口相连, 实现了DSP与CAN总线的接口电路。
    3 智能涡街流量传感器系统软件实现
    3.1 基于MATLAB-DSP的自动代码生成技术
    随着近年来DSP被广泛地应用于各个领域, DSP的软件开发方法也在不断地发展, 目前主要的3种开发方法如表1所示。为了降低DSP程序开发难度并标准化生成的DSP程序, 同时有效利用MATLAB软件开发周期短以及汇编代码执行效率高的优势, Texas Instruments和Mathworks公司共同推出了一个嵌入式软件的开发环境ETTIC2000/5000/6000和其对应地接口工具CCSLink。
 根据实验结果可以看出, 在电磁涡街流量计的有效测量范围内, 光纤涡街流量计测量数据相应地与电磁涡街流量计的测量数据重合一致, 这证明光纤测量结果是完全正确;并且光纤涡街流量计的流量测量范围向下延伸了, 在保证测量精度的同时将测量范围扩展至测点 (f=4.73 Hz, Q=0.057 3 L/s) , 保持原涡街流量计的测量上限点 (f=309.33 Hz, Q=3.549 68 L/s) 不变, 光纤涡街流量计的量程比可以提高至63∶1。
    5 结论
    本文设计了一种以光纤传感器与DSP为硬件核心的航空发动机分布式智能涡街流量传感器, 并采用自动代码生成技术完成嵌入式软件的开发, 对软硬件进行了联合仿真实验, 并与电磁涡街流量计进行了对比。主要成果如下:
    (1) 提出了一种基于光纤传感器和DSP硬件的智能涡街流量传感器, 并针对分布式控制结构, 设计了对应的智能算法和CAN口通讯, 该传感器抗干扰能力强、测量精度高, 可实现SCI串行通讯、CAN通讯等多种通信功能;
    (2) 采用基于MATLAB-DSP的自动代码生成技术, 利用简单的Simulink模型实现了复杂的嵌入式软件的开发, 缩短了开发周期, 生成的软件系统经过验证完全满足实际要求, 效果良好;
    (3) 验证了所设计的智能涡街流量传感器的测量精度, 与电磁涡街流量传感器相比, 明显延伸了测量下限, 显著提高了量程比。
本研究为智能传感器的工程应用提供了有效的途径, 为航空发动机光纤涡街流量传感器的有效性检验提供了实验验证支持, 促进了航空发动机分布式控制领域的研究工作。
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