航空发动机参数采集系统的设计与研究

韩 亮 黄 雨 侯 明 展宏图

（中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710000）

航空发动机参数采集系统的设计与研究

韩 亮 黄 雨 侯 明 展宏图

（中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710000）

在对国内外现役飞机电子座舱显示系统研究的基础上，设计了一种DSP+FPGA结构的数据采集系统。能够采集航空发动机的各项参数，并且可应用于具有数字多功能显示器的新型电子座舱系统。系统有效的实现了各种信号的采集以及对频率信号的滤波。

DSP+FPGA；异步通信单元；ADS8364；频率量滤波

1 引言

发动机参数采集及显示系统是飞机座舱的重要组成部分，国外先进飞机座舱上都配有数字多功能显示屏，传统飞机座舱为模拟组合仪表显示，其精度低、可靠性差、体积大，布局凌乱。而采用数字多功能显示屏能够克服模拟仪表的以上缺点，而且有耗电小，无闪烁，重量轻等优点。本文设计了一种数据采集系统的硬件平台，可应用于装配有数字多功能显示器的新型电子座舱系统，能够实时，精确采集发动机的滑油压力、燃油压力、滑油温度、燃油温度、发电机温度、发动机气缸头温度、发动机转速、火警信号等参数。

2 系统组成

所示。

图1 系统结构图

本数据采集系统采用主处理器DSP加协处理器FPGA架构实现，主要完成对模拟量、频率量和离散量三类信号的周期采集，并将采集结果通过异步通信单元分别传送给数字多功能发动机参数显示器、飞机飞行参数采集器和备份设备。

系统中DSP选用TI公司的32位定点DSP TMS320F2812芯片[1-2]，FPGA采用A1tera公司EPlC6系列，逻辑单元共5980个，支持接近12万门的设计，满足大部分系统设计要求[3]。AD转换采用3片TI公司的转换芯片ADS8364六通道同步采样16位模数转换器，采用5V工作电压[4]。异步通信单元采用TI公司的4路串口协议芯片TL16C554。在FIFO方式下，16字节FIFO缓冲每个发送器和接收器以减小CPU中断的次数[5]。系统结构图如图1

3 系统硬件设计

3.1 模拟量信号调理电路

系统中模拟量信号主要为温度信号与压力信号。温度信号与压力信号分别为热电偶和压力传感器输出的毫伏级差分电压信号。模拟量有效采 集范围为0mv～52.10mv。为了保证了采集的精度，使输入信号与AD转换所需要的信号电压相匹配，并避免在零下温度环境下热电偶输出负电压对系统产生影响，对模拟量信号应进行相应的调理。将信号进行差分偏置放大转换为单端电压信号，进行一级电压跟随后进入ADS8364芯片进行采集。差分放大倍数为40倍，偏置电压为2.5V。放大后为0V~2.2V，加上偏置电压后模拟量信号范围约为2.5V~4.7V，可满足设计要求。2.5V偏置电压由ADS8364提供，其内部可输出2.5V的参考电压。模拟信号调理电路如图2所示。

图2 模拟信号调理电路

3.2 离散量信号调理电路

系统中两路离散量信号均为28v的火警模拟量信号，须将其转换为DSP的GPIO口可采集的3.3v信号，调理电路采用光耦实现转换。电路如图3所示。

图3 离散信号调理电路

3.3 频率量信号调理电路

系统中频率量信号主要为发动机转速信号与燃油流量信号。转速信号来源于转速传感器，其输出幅值为0v～5v的方波，有效频率采集范围为0Hz～70Hz。流量信号来源于流量传感器，其输出幅值为-1v～1v的正弦波，有效频率采集范围为0Hz～2277Hz。由于频率量信号为具有不同幅值的方波和正弦波两种形式，采集时对于幅值为0V~5V的方波应通过光耦将其整形为DSP捕获单元可以计数的幅值为0V~3.3V的方波。对于幅值为-1V~1V的正弦波，先通过加法器电路与3.3V基准电压相加，使其成为2.3V~4.3V的正弦波，再经过电压比较器与3.3V基准电压比较，变为幅值为0V~3.3V的方波，再经过光耦整形后进入FPGA滤波模块进行滤波，最后到DSP的数据捕获单元进行计数。频率信号调理电路如图4所示。

图4 频率信号调理电路

3.4 模拟量信号采集接口电路

模拟量信号采集时，DSP使能外部存储空间片选2（XZCS2），通过地址总线（XA0～XA18）向FPGA中AD转换控制模块写入采集信号所在AD芯片的地址，AD转换控制模块使能相应AD芯片的片选以及相应的HOLD信号启动转换，采集后完成后ADS8364产生EOC信号，DSP通过地址总线发送需要读取存放采集结果寄存器的地址，通过（A1～A2）选中此寄存器，并使能读信号WE，结果由数据总线读回DSP进行处理。BYTE 引脚接低电平，每一个读操作均输出十六位数据。接口电路如图5所示。

图5 ADS8364与DSP接口电路

3.5 频率量信号与离散量信号采集接口电路

频率量信号调理电路后，经过FPGA中的滤波模块后送到DSP的数据捕获单元1、2进行采集。离散量信号调理后直接接入DSP的GPIO1、2进行采集。接口电路如图6所示。

图6 频率量信号与离散量信号采集接口电路

3.6 异步通信单元接口电路

采集后结果由DSP进行运算并且打包处理，DSP使能外部存储空间6引脚（XZCS6），通过地址总线（XA0～XA18）向FPGA中的通信控制模块写入需要发送通道的地址，通信控制模块使能相应通道的片选CSA～CSD，使能写信号IOR，通过数据总线（D0～D7）将数据写入TL16C554的FIFO接受缓冲器，采集结果发送至相应的数据接收设备后，发送就绪信号TXRDY有效。接口电路如图7所示。

图7 TL16C554与DSP接口电路

4 频率量滤波器设计

高速光耦可将传感器输出中的毛刺信号转换为干扰频率量，毛刺的宽度在0us～2us之间。需采集频率信号的最高频率为2277Hz，所以系统需要采集的最小有效信号宽度约为1/3ms。毛刺宽度远小于有效信号宽度。滤波时钟由80MHz时钟经过8分频器后得到10MHz提供。设置5us以下信号时干扰信号。滤波器采用有限状态机设计，共分为初始状态（001）、边沿检测状态（010）、计数状态（100）、信号输出状态（101）和参数清零状态（110）5个状态。状态跳转过程如图8所示。

图8 滤波器状态跳转过程

5 系统软件设计

5.1 DSP初始化程序设计

DSP的主要任务是初始化、管理板上的资源和实现前端数字信号处理的算法。以TI公司提供的CCS为集成开发环境。系统上电复位后, 首先完成DSP自身的初始化,包括配置FLASH块、设置I/O模式、定时器模式、中断等。流程图如图9所示。

5.2 AD采集子程序设计需的HOLD保持信号，启动转换。待ADS8364 转换完成时，产生EOC中断信号给FPGA ，DSP接收到FPGA的C_END信号后，对所需的通道结果寄存器进行读操作，将转换完的数据读出。流程图如图10所示。

图9 系统初始化流程图

图10 AD转换流程图

6 结束语

设计了一种DSP+FPGA结构的数据采集系统。对模拟量、频率量和离散量信号都设计了调理电路，针对频率量实现了滤波处理。本系统能够实时、精确的采集航空发动机的各项参数，并且可应用于装配有数字多功能显示器的新型电子座舱系统。便于飞机座舱系统中显示仪表由精度低、可靠性差、体积大，布局凌乱的模拟组合式向耗电小，无闪烁，重量轻的新一代数字式电子座舱系统的升级。

[1] 朱铭皓,赵勇,甘泉.DSP应用系统设计[M].北京电子工业出版社,2002.

[2] 张雄伟,曹铁勇. DSP芯片的原理与开发应用(第二版) [M].北京:电子工业出版社,2008.

[3] 刘宝琴.ALTERA 可编程器件及其应用[M].北京:清华大学出版社,1995.

[4] Atalik，Deniz,Koc.Multi-DSP and FPGA-Based Fully Digital Control System for Cascaded Multilevel Converters Used in FACTS Applications[J].IEEE transactions on industrial informatics,2012,(3):12-16．

[5] Ming-Huan,LeeKuo-Kai,ShyuPo-Lei Lee.Hardware Implementation of EMD Using DSP and FPGA for Online Signal Processing[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011,(6):83-87．

在外部时钟信号的作用下，DSP通过FPGA提供ADS8364所

Design of Aeroengine Parameter Sampling System

Design of a DSP + FPGA structure of the data acquisition system on the basis of electronic cockpit display system of active fighter at home and abroad. Able to collect the aero engine parameters, and can be applied to the new electronic cockpit with multifunction digital display systems. The system is effective to achieve the acquisition of the various signals and the frequency signal can be effectively filtering.

DSP + FPGA structure; Asynchronous communication unit; ADS8364; Frequency filtering

TP368

A

1008-1151(2015)03-0024-03

2015-02-15

韩亮（1985－），男，陕西咸阳人，中航工业西安航空计算技术研究所助理工程师，研究方向为计算机应用。