某型飞机发动机参数采集系统的硬件设计

张静+彭刚锋+刘冰+张琬珍

摘 要： 针对飞机发动机信号数量多、附属系统越来越复杂，所要测量的参数及需要进行数据交联的设备越来越多的特点，从硬件系统设计出发，设计了以DSP+ CPLD 的嵌入式参数采集系统。该系统电路结构简单、集成度高、可靠性高、数据传输速度快，可用于滑油温度、滑油压力、燃油流量、发动机转速、汽缸头温度和发电机温度等数据的采集。

关键词： 飞机发动机； DSP； CPLD； 参数采集

中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）22?0067?03

Hardware design of data acquisition system for a certain aircraft engine

ZHANG Jing， PENG Gang?feng， LIU Bing， ZHANG Wai?zhen

（Xian Aeronautics Computing Technique Research Institute， AVIC， Xian 710119， China）

Abstract： According to the characteristics of too many engine signals， more and more complex affiliated systems， increasing parameters needing to be measured， and increasing equipments which need data interaction， an embedded data acquisition system based on DSP+CPLD was designed. This system has the advantages of simple circuit structure， high integration， high reliability and high data transmission speed. It can be used for data acquisition of lubrication oil temperature， lubrication oil pressure， fuel flow， engine rotational speed cylinder head temperature， engine temperature， etc.

Keyword： aircraft engine； DSP； CPLD； data acquisition

0 引 言

随着航空技术的飞速发展 ，航空仪表中越来越多地使用嵌入式系统。航空发动机是飞机上的最重要部件之一， 它所需要测量的各项参数比较多，而这些参数数据对驾驶员来说是至关重要的，而且这些参数的精度和实时性要求也很高， 传统的单片机已经无法满足这些参数的采集和处理工作。本系统结合当前先进的数字信号处理器TMS320F2812，以DSP和CPLD的结构组成满足实时性要求的参数采集系统[1?3]。

1 工作原理

发动机参数采集系统主要采集发动机的温度、压力、流量和转速等状态信息、接收燃油油量计算机的油量数据帧，对采集、接收到得信息进行解析和组包，通过RS 422 串口发送到外部。根据需求，发参采集系统由电源部分、数据采集处理（DSP）部分、温度信号采集部分、压力信号采集部分、流量信号采集部分、转速信号采集部分、火警信号采集部分和串口通信部分等功能部分组成。发参采集系统由DSP 模块和I/O 模块组成，DSP 模块负责电源转换、信号采集和数据的传输，I/O 模块负责温度、压力、转速和流量等信号的调理[4?5]。发参采集系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

2 硬件设计

2.1 处理器模块

发参采集器DSP芯片选择TI嵌入式DSP芯片产品TMS320F2812GHHS，外接512 KB的RAM存储器，1 MB的FLASH存储器。TMS320F2812GHHS处理器主频可达150 MHz，低功耗，内核电压1.8 V，I/O接口电压3.3 V，片内FLASH编程电压3.3 V，32位的高性能CPU，哈佛总线结构，工作温度范围-40～125 ℃，拥有3个32位的CPU定时器，两个事件管理器等丰富资源。使用30 MHz的晶体作为DSP的时钟输入，经内部锁相环倍频到120 MHz作为DSP工作的时钟；使用一片TPS70351电压调整器为DSP提供3.3 V的I/O电压和1.8 V的内核电压，提供上电复位和电源监控复位2种复位方式[6]。

2.2 CPLD模块

CPLD即复杂可编程逻辑器件，本设计选用Xilinx的XC95288XL实现发参采集器的控制逻辑。它具有288个宏单元， 最大I/O数为168个。含JTAG测试接口，具有可测性； 具有5 V和3.3 V在系统可编程（ISP）能力， 且达到最小1万次编程/擦除次数； 所有信号都有相同的延时，而且与其路径无关；驱动负载能力强，输人/输出口的负载电流可达[1]24 mA。

CPLD主要完成的控制功能有：实现串口芯片TL16C554的片选、译码及控制功能；实现ADS1258的选择和控制功能；实现对转速信号频率量的滤波；实现对板上状态指示用开关量的输入/输出控制。

2.3 电源转换模块

发参采集系统电源输入范围为18～32 V，经过电源转换部分转换成+15 V，+10 V，数字5 V和模拟5 V。

+15 V用于电压参考芯片的供电，+10 V用于外部燃油流量传感器的供电，数字5 V经过电压调整器TPS70351转换成3.3 V和1.8 V的电压，用于DSP，CPLD，存储器和光耦等的供电，模拟5 V用于A/D转换芯片、运放等的供电。

2.4 信号调整模块

本系统可采集的信号包括20路温度信号、8路压力信号、1路燃油流量信号、1路转速信号、8路油位信号。

2.4.1 温度信号处理

本系统采集热电偶传感器的信号，信号为幅值0～50 mV的电压信号，为了对热电偶进行冷端补偿，在连接器上靠近冷端的位置焊接一个测温二极管，测量热电偶冷端的温度，认为所有热电偶冷端的温度相同。

信号进入该系统后通过一个T型滤波电路后直接进入ADS1258进行测量；冷端测温选用测温二极管1N4148，二极管两端压降随温度变化而变化，二极管两端压降经滤波后接入运算放大器进行跟随后进入ADS1258进行采集。

2.4.2 压力信号处理

压力传感器有电压型压力传感器和电流型压力传感器2种。对于电压型压力传感器，发参采集系统向其提供+5 V的工作电压，传感器电压信号进入发参采集系统经过一级跟随和T型滤波电路后，进入ADS128进行采集，T型滤波选用1 kΩ的电阻、0.1 μF的电容；对于信号为4～20 mA的电流型压力传感器，信号进入后先经过流压转换电路，将信号转成0.88～4.4 V的电压信号，再经过一级仪用运放，进入ADS1258进行采集，仪用运放的增益选用默认。

2.4.3 燃油流量信号处理

燃油流量传感器是一个有源传感器，发参采集系统给其提供+10 V的工作电压。传感器的OC门信号进入发参采集器先进行上拉，然后功过一级光耦对信号进行整形，整形后经驱动器片后进入DSP的事件捕获单元对频率进行计数，完成对燃油流量数据的采集。上拉电阻和限流都选用1 kΩ的电阻，光耦前端加一反向的BAS32L二极管做保护。

2.4.4 转速信号处理

发动机转速的测量有使用磁电机信号、MT?20传感器或1?9AX传感器测量3种方式。

使用磁电机信号进行测量时，有左磁电机、右磁电机共两路信号，其中右磁电机信号与MT?20传感器、1?9AX传感器复用管脚，左磁电机使用专用管脚，两路磁电机信号硬件处理电路完全相同，软件上对两路信号同时采集，采集完成后进行容错判断，得出发动机的转速。信号进入后首先对幅值进行衰减（在外部信号线上需要串联一个47 kΩ的电阻进行分压），然后将衰减后信号0电平以下的信号全部反向，0电平以上信号保持，并用二极管对电压进行钳位，对钳位后1 V左右的电压进行放大，放大后的信号通过一个光耦整形后进入CPLD进行滤波，滤波后的信号最后进入到DSP的捕获单元进行计数，软件中根据发动机转动一圈磁电机打火三次的关系计算出发动机的转速。

使用MT?20传感器测量转速的时候，信号进入发参采集器后经过RC滤波和运放（做过零比较器使用）后，通过一个光耦整形后进入DSP的捕获单元进行计数，软件中根据发动机转动一圈产生149个正弦波的对应关系计算出发动机的转速。使用1?9AX传感器测量转速信号时，信号进入发参采集器经过分压和运放的跟随后，经过光耦整形后进入DSP的捕获单元进行计数，软件中根据发动机转动一圈产生1.5个脉冲信号的对应关系计算出发动机的转速。转速信号从同一管脚进入发动机参数采集器后，根据不同的转速传感器的类型，硬件上通过焊接不同的选通电阻来实现对处理电路选择。软件上根据外部两路离散量K1，K2的状态来选择处理程序，完成对发参采集器转速的采集。

2.4.5 油位测量信号处理

油位信号测量可以使用阻性油量传感器和容性油量传感器2种传感器进行测量。使用阻性油量传感器时，信号为0～18 V的单端电压信号，信号进入发参采集器后先对电压衰减到0～3.9 V，经过一级运放跟随和RC滤波电路后，进入ADS1258进行采集使用容性油量传感器时，信号特征为幅值5 V的方波信号，频率范围0～6 kHz，信号进入发参采集器后经过光耦和244芯片驱动后，进入到DSP的捕获单元进行信号采集。

2.5 串口电路模块

发参采集器共有6路串口，5路RS 422串口和1路RS 232串口。RS 422串口电路共5路，4路串口电路选用TI公司生产的4通道异步收发器集成芯片TL16C554和4个RS 422接口芯片MAX3490来实现。TL16C554采用3.3 V工作电压，80引脚TQFP封装，采用14.745 6 MHz晶振作为输入时钟。

MAX3490是一种全双工的高速RS 422通信接口芯片，它通过抑制由长线引起的内部信号干扰来增加可靠通信的距离与速度，通信速度最高可以达到10 Mb/s，通信距离可达300 m。

第5路RS 422串口电路用F2812本身的SCIA接口（串行通信接口）和接口芯片MAX3490来实现。

1路RS 232调试接口采用SCIB接口和接口芯片MAX3232来实现。

3 结 论

本系统选用高速数字信号处理器件、采用模块化设计理念，保证了系统实用性、、高精度、高可靠性、小型化且构架简单、易于维护的要求。通过各项试验表时，该发动机参数采集系统在实际使用中效果良好，已进行小批量的投产[7]。

参考文献

[1] 陈亚萍，陈明.基于DSP和CPLD的液晶显示控制器的设计[J].计算机测量与控制，2007，15（4）：482?484.

[2] 刘轶.基于多个数字信号处理器的航空发动机参数采集系统设计与实现[J].测控技术，2005，24（11）：17?20.

[3] 景德胜，蒋谢刚，吕明.通用飞机发动机参数采集显示系统研究[J].硅谷，2012，6（10）：92?93.

[4] 刘鸿，李鹏.基于双DSP的航空发动机参数采集系统设计与实现[J].科学技术与工程，2009，9（17）：4992?4996.

[5] 赵博辉.发动机参数采集器系统设计与研究[D].西安：西北工业大学，2004.

[6] 苏涛.高性能DSP与高速实时信号处理[M].2版.西安：西安电子科技大学出版社，2002.

[7] 马明建，周长城.数据采集与处理技术[M].西安：西安交通大学出版社，2001.

+15 V用于电压参考芯片的供电，+10 V用于外部燃油流量传感器的供电，数字5 V经过电压调整器TPS70351转换成3.3 V和1.8 V的电压，用于DSP，CPLD，存储器和光耦等的供电，模拟5 V用于A/D转换芯片、运放等的供电。

2.4 信号调整模块

本系统可采集的信号包括20路温度信号、8路压力信号、1路燃油流量信号、1路转速信号、8路油位信号。

2.4.1 温度信号处理

本系统采集热电偶传感器的信号，信号为幅值0～50 mV的电压信号，为了对热电偶进行冷端补偿，在连接器上靠近冷端的位置焊接一个测温二极管，测量热电偶冷端的温度，认为所有热电偶冷端的温度相同。

信号进入该系统后通过一个T型滤波电路后直接进入ADS1258进行测量；冷端测温选用测温二极管1N4148，二极管两端压降随温度变化而变化，二极管两端压降经滤波后接入运算放大器进行跟随后进入ADS1258进行采集。

2.4.2 压力信号处理

压力传感器有电压型压力传感器和电流型压力传感器2种。对于电压型压力传感器，发参采集系统向其提供+5 V的工作电压，传感器电压信号进入发参采集系统经过一级跟随和T型滤波电路后，进入ADS128进行采集，T型滤波选用1 kΩ的电阻、0.1 μF的电容；对于信号为4～20 mA的电流型压力传感器，信号进入后先经过流压转换电路，将信号转成0.88～4.4 V的电压信号，再经过一级仪用运放，进入ADS1258进行采集，仪用运放的增益选用默认。

2.4.3 燃油流量信号处理

燃油流量传感器是一个有源传感器，发参采集系统给其提供+10 V的工作电压。传感器的OC门信号进入发参采集器先进行上拉，然后功过一级光耦对信号进行整形，整形后经驱动器片后进入DSP的事件捕获单元对频率进行计数，完成对燃油流量数据的采集。上拉电阻和限流都选用1 kΩ的电阻，光耦前端加一反向的BAS32L二极管做保护。

2.4.4 转速信号处理

发动机转速的测量有使用磁电机信号、MT?20传感器或1?9AX传感器测量3种方式。

使用磁电机信号进行测量时，有左磁电机、右磁电机共两路信号，其中右磁电机信号与MT?20传感器、1?9AX传感器复用管脚，左磁电机使用专用管脚，两路磁电机信号硬件处理电路完全相同，软件上对两路信号同时采集，采集完成后进行容错判断，得出发动机的转速。信号进入后首先对幅值进行衰减（在外部信号线上需要串联一个47 kΩ的电阻进行分压），然后将衰减后信号0电平以下的信号全部反向，0电平以上信号保持，并用二极管对电压进行钳位，对钳位后1 V左右的电压进行放大，放大后的信号通过一个光耦整形后进入CPLD进行滤波，滤波后的信号最后进入到DSP的捕获单元进行计数，软件中根据发动机转动一圈磁电机打火三次的关系计算出发动机的转速。

使用MT?20传感器测量转速的时候，信号进入发参采集器后经过RC滤波和运放（做过零比较器使用）后，通过一个光耦整形后进入DSP的捕获单元进行计数，软件中根据发动机转动一圈产生149个正弦波的对应关系计算出发动机的转速。使用1?9AX传感器测量转速信号时，信号进入发参采集器经过分压和运放的跟随后，经过光耦整形后进入DSP的捕获单元进行计数，软件中根据发动机转动一圈产生1.5个脉冲信号的对应关系计算出发动机的转速。转速信号从同一管脚进入发动机参数采集器后，根据不同的转速传感器的类型，硬件上通过焊接不同的选通电阻来实现对处理电路选择。软件上根据外部两路离散量K1，K2的状态来选择处理程序，完成对发参采集器转速的采集。

2.4.5 油位测量信号处理

油位信号测量可以使用阻性油量传感器和容性油量传感器2种传感器进行测量。使用阻性油量传感器时，信号为0～18 V的单端电压信号，信号进入发参采集器后先对电压衰减到0～3.9 V，经过一级运放跟随和RC滤波电路后，进入ADS1258进行采集使用容性油量传感器时，信号特征为幅值5 V的方波信号，频率范围0～6 kHz，信号进入发参采集器后经过光耦和244芯片驱动后，进入到DSP的捕获单元进行信号采集。

2.5 串口电路模块

发参采集器共有6路串口，5路RS 422串口和1路RS 232串口。RS 422串口电路共5路，4路串口电路选用TI公司生产的4通道异步收发器集成芯片TL16C554和4个RS 422接口芯片MAX3490来实现。TL16C554采用3.3 V工作电压，80引脚TQFP封装，采用14.745 6 MHz晶振作为输入时钟。

MAX3490是一种全双工的高速RS 422通信接口芯片，它通过抑制由长线引起的内部信号干扰来增加可靠通信的距离与速度，通信速度最高可以达到10 Mb/s，通信距离可达300 m。

第5路RS 422串口电路用F2812本身的SCIA接口（串行通信接口）和接口芯片MAX3490来实现。

1路RS 232调试接口采用SCIB接口和接口芯片MAX3232来实现。

3 结 论

本系统选用高速数字信号处理器件、采用模块化设计理念，保证了系统实用性、、高精度、高可靠性、小型化且构架简单、易于维护的要求。通过各项试验表时，该发动机参数采集系统在实际使用中效果良好，已进行小批量的投产[7]。

参考文献

[1] 陈亚萍，陈明.基于DSP和CPLD的液晶显示控制器的设计[J].计算机测量与控制，2007，15（4）：482?484.

[2] 刘轶.基于多个数字信号处理器的航空发动机参数采集系统设计与实现[J].测控技术，2005，24（11）：17?20.

[3] 景德胜，蒋谢刚，吕明.通用飞机发动机参数采集显示系统研究[J].硅谷，2012，6（10）：92?93.

[4] 刘鸿，李鹏.基于双DSP的航空发动机参数采集系统设计与实现[J].科学技术与工程，2009，9（17）：4992?4996.

[5] 赵博辉.发动机参数采集器系统设计与研究[D].西安：西北工业大学，2004.

[6] 苏涛.高性能DSP与高速实时信号处理[M].2版.西安：西安电子科技大学出版社，2002.

[7] 马明建，周长城.数据采集与处理技术[M].西安：西安交通大学出版社，2001.

+15 V用于电压参考芯片的供电，+10 V用于外部燃油流量传感器的供电，数字5 V经过电压调整器TPS70351转换成3.3 V和1.8 V的电压，用于DSP，CPLD，存储器和光耦等的供电，模拟5 V用于A/D转换芯片、运放等的供电。

2.4 信号调整模块

本系统可采集的信号包括20路温度信号、8路压力信号、1路燃油流量信号、1路转速信号、8路油位信号。

2.4.1 温度信号处理

本系统采集热电偶传感器的信号，信号为幅值0～50 mV的电压信号，为了对热电偶进行冷端补偿，在连接器上靠近冷端的位置焊接一个测温二极管，测量热电偶冷端的温度，认为所有热电偶冷端的温度相同。

信号进入该系统后通过一个T型滤波电路后直接进入ADS1258进行测量；冷端测温选用测温二极管1N4148，二极管两端压降随温度变化而变化，二极管两端压降经滤波后接入运算放大器进行跟随后进入ADS1258进行采集。

2.4.2 压力信号处理

压力传感器有电压型压力传感器和电流型压力传感器2种。对于电压型压力传感器，发参采集系统向其提供+5 V的工作电压，传感器电压信号进入发参采集系统经过一级跟随和T型滤波电路后，进入ADS128进行采集，T型滤波选用1 kΩ的电阻、0.1 μF的电容；对于信号为4～20 mA的电流型压力传感器，信号进入后先经过流压转换电路，将信号转成0.88～4.4 V的电压信号，再经过一级仪用运放，进入ADS1258进行采集，仪用运放的增益选用默认。

2.4.3 燃油流量信号处理

燃油流量传感器是一个有源传感器，发参采集系统给其提供+10 V的工作电压。传感器的OC门信号进入发参采集器先进行上拉，然后功过一级光耦对信号进行整形，整形后经驱动器片后进入DSP的事件捕获单元对频率进行计数，完成对燃油流量数据的采集。上拉电阻和限流都选用1 kΩ的电阻，光耦前端加一反向的BAS32L二极管做保护。

2.4.4 转速信号处理

发动机转速的测量有使用磁电机信号、MT?20传感器或1?9AX传感器测量3种方式。

使用磁电机信号进行测量时，有左磁电机、右磁电机共两路信号，其中右磁电机信号与MT?20传感器、1?9AX传感器复用管脚，左磁电机使用专用管脚，两路磁电机信号硬件处理电路完全相同，软件上对两路信号同时采集，采集完成后进行容错判断，得出发动机的转速。信号进入后首先对幅值进行衰减（在外部信号线上需要串联一个47 kΩ的电阻进行分压），然后将衰减后信号0电平以下的信号全部反向，0电平以上信号保持，并用二极管对电压进行钳位，对钳位后1 V左右的电压进行放大，放大后的信号通过一个光耦整形后进入CPLD进行滤波，滤波后的信号最后进入到DSP的捕获单元进行计数，软件中根据发动机转动一圈磁电机打火三次的关系计算出发动机的转速。

使用MT?20传感器测量转速的时候，信号进入发参采集器后经过RC滤波和运放（做过零比较器使用）后，通过一个光耦整形后进入DSP的捕获单元进行计数，软件中根据发动机转动一圈产生149个正弦波的对应关系计算出发动机的转速。使用1?9AX传感器测量转速信号时，信号进入发参采集器经过分压和运放的跟随后，经过光耦整形后进入DSP的捕获单元进行计数，软件中根据发动机转动一圈产生1.5个脉冲信号的对应关系计算出发动机的转速。转速信号从同一管脚进入发动机参数采集器后，根据不同的转速传感器的类型，硬件上通过焊接不同的选通电阻来实现对处理电路选择。软件上根据外部两路离散量K1，K2的状态来选择处理程序，完成对发参采集器转速的采集。

2.4.5 油位测量信号处理

油位信号测量可以使用阻性油量传感器和容性油量传感器2种传感器进行测量。使用阻性油量传感器时，信号为0～18 V的单端电压信号，信号进入发参采集器后先对电压衰减到0～3.9 V，经过一级运放跟随和RC滤波电路后，进入ADS1258进行采集使用容性油量传感器时，信号特征为幅值5 V的方波信号，频率范围0～6 kHz，信号进入发参采集器后经过光耦和244芯片驱动后，进入到DSP的捕获单元进行信号采集。

2.5 串口电路模块

发参采集器共有6路串口，5路RS 422串口和1路RS 232串口。RS 422串口电路共5路，4路串口电路选用TI公司生产的4通道异步收发器集成芯片TL16C554和4个RS 422接口芯片MAX3490来实现。TL16C554采用3.3 V工作电压，80引脚TQFP封装，采用14.745 6 MHz晶振作为输入时钟。

MAX3490是一种全双工的高速RS 422通信接口芯片，它通过抑制由长线引起的内部信号干扰来增加可靠通信的距离与速度，通信速度最高可以达到10 Mb/s，通信距离可达300 m。

第5路RS 422串口电路用F2812本身的SCIA接口（串行通信接口）和接口芯片MAX3490来实现。

1路RS 232调试接口采用SCIB接口和接口芯片MAX3232来实现。

3 结 论

本系统选用高速数字信号处理器件、采用模块化设计理念，保证了系统实用性、、高精度、高可靠性、小型化且构架简单、易于维护的要求。通过各项试验表时，该发动机参数采集系统在实际使用中效果良好，已进行小批量的投产[7]。

参考文献

[1] 陈亚萍，陈明.基于DSP和CPLD的液晶显示控制器的设计[J].计算机测量与控制，2007，15（4）：482?484.

[2] 刘轶.基于多个数字信号处理器的航空发动机参数采集系统设计与实现[J].测控技术，2005，24（11）：17?20.

[3] 景德胜，蒋谢刚，吕明.通用飞机发动机参数采集显示系统研究[J].硅谷，2012，6（10）：92?93.

[4] 刘鸿，李鹏.基于双DSP的航空发动机参数采集系统设计与实现[J].科学技术与工程，2009，9（17）：4992?4996.

[5] 赵博辉.发动机参数采集器系统设计与研究[D].西安：西北工业大学，2004.

[6] 苏涛.高性能DSP与高速实时信号处理[M].2版.西安：西安电子科技大学出版社，2002.

[7] 马明建，周长城.数据采集与处理技术[M].西安：西安交通大学出版社，2001.