便携式发动机油压数据采集系统的设计与实现

孙景涛，胡永红

（西北工业大学 第365研究所，陕西 西安 710065）

发动机是无人机的动力核心，其工作稳定性直接影响无人机的空中飞行安全[1]，定期对发动机参数进行测试是保证飞机发动机性能的正常发挥和飞行安全的必要手段[2]。因此，为确保发动机研制、生产、调试及检验过程中对发动机工况的实时监控，必需研发一种便携式发动机综合数据采集系统，以便对发动机的油压、缸温以及燃油流量等参数进行实时监控，以保证在发动机研制、生产、调试、检验与使用过程中实行量化监控、快速检验故障并实施故障定位，便于操作人员和调试人员对发动机的工作状态实时掌控，确保将发动机调至最佳状态。

在发动机的这些参数中，对油压数据的准确采集至关重要，发动机燃油供给系统的油压高低直接影响燃油喷射的精确性，从而影响发动机的工作性能[3]。因此，发动机油压数据采集系统是发动机综合数据采集系统的重要组成部分。

1 系统概述

发动机油压数据采集系统，主要是对发动机燃油压力数据进行实时采集、显示与存储，由压力信号采集电路板和手持计算机组成。其中压力信号采集电路板完成油压数据采集、A/D转换和串口收发功能；手持计算机完成系统自检、数据显示和数据存储功能。在实际使用中，将压力信号采集电路板和压力传感器安装在测量盒内，通过电缆和手持计算机相连。压力信号采集原理框图如图1所示。由图可见：首先将压力传感器产生的电流信号通过精密电阻转换为电压信号，然后将该电压信号经过放大滤波处理后送给C8051F005型单片机，最后在单片机内完成A/D转换并采用RS232串口通信方式发送给手持计算机，实现数据传输、显示和保存功能。

2 工作原理

压力信号采集原理框图如图1所示。

图1 压力信号采集原理框图Fig.1 The principle diagram of pressure signal acquisition

其中，压力传感器采用国产的MPM430型微压变送器[4]，其输出电流范围为4～20 mA，压力传感器的供电由压力信号采集电路板提供。发动机油压测量范围为5～15 kPa，压力传感器产生的电流信号经过精密电阻R后，电流信号就转换为电压信号，再经过滤波放大后转换为适合单片机A/D输入范围的电压U，在单片机内完成A/D转换，A/D转换后的数据以X表示，则有：

将A/D转换后的数据X通过串口送给手持计算机。手持计算机需要将串口数据转化为油压值P显示出来，由于压力和电流信号之间是线性关系，所以，只要测量出两组压力和串口数据的对应值，利用公式：

可以解算出a和b，从而将串口数据转换为油压值。

设计油压数据采集系统的关键技术是压力信号采集电路设计及C8051F005单片机系统软硬件设计。

3 硬件电路设计

3.1 压力信号采集电路设计

压力信号采集电路主要完成将压力传感器产生的电流信号转换为电压信号，并将之经过滤波和放大后送给下一级电路处理，所以这部分电路是整个油压采集系统设计的基础，直接决定了压力测量的精度。压力信号采集电路主要由运算放大器及其外围电路组成，主要完成电流/电压转换和滤除噪声的功能，其电路原理图如图3所示。

图2 油压采集电路原理图Fig.2 The circuit principle diagram of oil pressure acquisition

如图所示：信号输入in为压力传感器产生的电流信号，经过精密电阻R1后转换为电压信号，然后通过滤波、放大后送给单片机。为了保证在全温度范围工作时的测量精度，图中电阻R1必须为精度高、温度特性好的精密电阻，滤波电路中的所有电阻电容也要选择温度特性好的器件。

3.2 C8051F005单片机系统硬件设计

根据系统设计要求，还要将采集到的模拟电压型的压力信号转换成数字信号，并通过串口送给手持计算机显示。选择低功耗C8051F005型单片机作为A/D转换和串口通信的核心芯片。

本工程采用BIM技术对核心筒爬模工具进行了建模并与实体结构模型进行了整合，确定了各专业与爬模的碰撞，并模拟人员行走和疏散路线（见图23～图25）。

3.2.1 C8051F005单片机原理

Silicon公司的C8051F005单片机集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机，是真正能独立工作的片上系统[5]。具有与MCS－51系列单片机完全兼容的高速CIP－51内核；峰值速度可达25MIPS；在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件（包括 PGA、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、UART、SPI、定时器、可编程计数器/定时器阵列等）；具有大容量的FLASH存储器[6]。

3.2.2 C8051F005单片机硬件配置电路

C8051F005单片机的硬件配置电路如图3所示。为提高A/D转换的精度，ADC的参考电压不使用内部参考电压，而是由外部高精度电压源来做为外部参考电压。

在使用时需要注意：尽管RST引脚在内部有弱上拉，但最好还要提供一个外部上拉，并对RST引脚去耦以防止强噪声引起复位。如图3所示，在RST引脚加一个10 kΩ的上拉电阻和0.1μF的去耦电容。

将压力信号采集电路输出的两路模拟电压型油压信号送到C8051F005单片机的ADC模拟输入管脚AIN0和AIN1，经过A/D转换后通过串口发送给手持计算机。

3.2.3 串口通信电路设计

串口通信采用RS232串口收发芯片ADM3202，采用单+3.3 V电源供电，仅需外接几个电容即可完成从LVTTL电平到RS－232电平的转换，其硬件配置图如图4所示。图中，RX_in为手持计算机所发送的自检指令，TXin是单片机所发的油压数据。

4 软件设计

C8051F005的软件设计包括芯片配置、A/D转换软件设计、定时器设计和RS232串口通信软件设计。软件设计的整体流程如图5所示。由图5可见，主程序开始后，需要先对C8051F005单片机进行初始化，这主要包括振荡器和I/O端口初始化，初始化完成后，单片机就可以正常工作。然后再调用3个功能子程序：定时器中断子程序、A/D转换子程序和串口通信子程序。

4.1 芯片配置

为了正确的使用C8051F005单片机，必须对其进行正确的配置，主要包括配置振荡器、配置端口I/O的工作方式和配置端口I/O的交叉开关译码器。

1）配置振荡器。主要是配置内部振荡器控制寄存器OSCICN和外部振荡器控制寄存器OSCXCN，等待1 ms后如果晶体振荡器稳定标志位有效，则时钟正常，可以开始执行程序。

2）配置端口I/O的工作方式。I/O口的工作方式有漏极开路和推挽两种方式，可通过对端口配置寄存器置1的方式将相应的端口设为推挽方式。

3）配置端口I/O的交叉开关译码器。由于需要完成串口通信，所以要对I/O口的交叉开关译码器进行配置，也就是将P0.0连到TX，将P0.1连到RX。

4.2 A/D转换软件设计

图3 C8051F005硬件配置图Fig.3 Hardware configuration diagram of C8051F005

图4 ADM3202硬件配置图Fig.4 Hardware configuration diagram of ADM3202

图5 软件设计流程图Fig.5 Flow chart the software design

C8051F005可以分时完成外部8路A/D转换，ADC子系统包括一个9通道的可配置模拟多路开关（AMUX），一个可编程增益放大器和一个100 ksps、12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC中还集成有跟踪保持电路和可编程窗口检测器。

A/D的转换过程依据C8051F005单片机的A/D转换时序图。由图6可见，在进行A/D转换前需对ADC进行初始化，这主要包括配置ADC的输入方式为单端还是双端、配置AMUX配置寄存器AMX0CF、配置AMUX通道选择寄存器AMUX0SL、配置 ADC配置寄存器 ADC0CF、配置ADC控制寄存器ADC0CN，对ADC正确初始化后就可以启动A/D转换，等到A/D转换完成后，将转换出的数据放入设定的数据缓冲区，供其他子程序调用。

图6 A/D转换流程图Fig.6 Flow chart of A/D transformation converter

4.3 定时器设计

C8051F005内部有4个定时/计数器，这里采用定时器3，采用自动重装载方式，每25 ms产生一个定时器中断，其中断向量为73 H。先配置时钟控制寄存器CKCON，使定时器使用系统时钟，在清定时器3的溢出标志后向寄存器TMR3RLL和TMR3RLH写入初始值。

4.4 串口通信软件设计

串口通信软件设计包括串行口初始化子程序和串口发送子程序，其中串口发送采用查询方式，其流程图如图7所示。

图7 串口发送流程图Fig.7 Flow chart of serial port sending

串口初始化主要包括配置寄存器SCON、CKON和SMOD；定时器置初值；启动定时器。串口发送的主要流程是先将数据长度和数据缓冲区的首地址分别送给寄存器R0和R1，然后将数据缓冲区的数据送到SBUF，然后开始发数。由于单片机的串口是按字节来操作的，所以必须等到发送一个字节结束后，再发送下一个字节，直到把数据缓冲区的数据全部发送出去为止。

5 结 论

便携式发动机油压数据采集系统作为无人机发动机生产、调试、使用过程中所需的配套产品，具备参数精准测量、测量数据实时显示和数据记录功能，并具备便携式的优点。这就避免了以往无法量化和保留现场数据以供后期分析等方面的缺陷，摆脱了发动机调试必须由专业设计人员靠经验来进行调试的传统模式，彻底解放了发动机设计人员，使用户或调试人员可以通过该设备实时监控发动机状态并将发动机调至良好的最终使用状态。

该发动机油压测量系统已经通过了系统联调和产品定型鉴定，其各项指标在全温度范围内均达到了研制要求，其中测量精度可达满量程的±2%，同时设备运行稳定可靠，目前已作为发动机的配套产品装备在某型号无人机中。

[1]HU Yong-hong，WU Peng，WAN Wei.Design for PDA in Portable Teseing System of UAV’s Engine Based on Wince.Communications in Computer and Information Science，2011.

[2]李罡，祝刚，陈矛，等.某型发动机性能参数测试系统的实现[J].计算机测量与控制，2007，15（7）:860-862.LI Gang，ZHU Gang，CHEN Mao，et al.Implementation of new performance parameter testing system of an engine[J].Computer Measurement&Control，2007，15（7）:860-862.

[3]包寿红.发动机燃油供给系统对燃油表的影响[J].汽车电器，2008（6）:10-14.BAO Shou-hong.Influence to fuel gauge of engine fuel supply system[J].Auto Electric Parts，2008（6）:10-14.

[4]MPM430型微压压力变送器产品使用说明书.V8.0[S].陕西：麦克公司，2009.

[5]孙文义，王兴涛.基于C8051F005单片机的单灯控制器的设计[J].仪器仪表学报，2005，26（8）:32-36.SUN Wen-yi，WANGXing-tao.A single-lamp controller based on C8051F005[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2005，26（8）:32-36.

[6]潘琢金.C8051F005混合信号ISP FLASH微控制器数据手册[S].深圳：新华电子有限公司，2005.