基于单片机的气压检测系统的设计

2018-04-11马玉琼

沧州师范学院学报 2018年1期

马玉琼

(沧州师范学院机械与电气工程学院，河北沧州 061001)

图1　系统硬件框图

以前我国都采用国外进口的全静压系统原位检测仪对飞行器进行气压检测.这些检测仪是70年代研制的通用设备，用途单一，不能满足机上多种仪表及传感器的检测，不能定量进行性能检测[1-3].随着传感器智能化技术的发展，函数链神经网络(FLANN)和数据融合技术引入后实现了传感器的非线性校正和温度补偿[4-6].以单片机为核心，构建了检测系统.基于此方法研制的气压检测装置功能和精度大大提高.

1　检测系统硬件

系统硬件部分框图如图1.它是由电源部分、压力传感器部分、嵌入式微处理机系统、真空压力泵单元以及气路及控制组合开关等5部分组成，其中嵌入式微处理系统组成，如图2.当压力传感器感受外界压力，经过频/数(F/D)转换和模/数(A/D)转换，其结果由主微处理器进行采集，经过解算、补偿修正滤波，其结果经显示接口交付显示，同时，通过通讯处理器的同步接口进行数据和下传命令的数据同步，对于触摸键盘接口的采集和数据的采集也由主处理器进行，使用户可通过键盘来改变显示内容、数据解算方式、仪器运行状态等.通讯处理器用于实现RS-232通讯接口功能，可选的IEFE-488仪用(GP1B)总线接口功能，可选的配置打印机接口功能，它一方面可将数据通过接口向上进行传输，一方面可接受下传的信息.

图2　微处理器系统框图

1.1　处理器单元[7-8]

主处理器选用MCS-51单片机系列8031构成了最小应用系统.片外扩展存储器选用一片27512(64K*8)EPROM和一片6264(8K*8)RAM作为程序存储器及数据存储器.采用一片ATMEL公司的ATF16V8 PLD器件设计地址译码器，实现了传统设计方法需多片或多级译码才能完成的功能.

通讯处理器采用了MCS-51单片机系列8751[9-11]，用于实现RS-232通讯接口功能、IEEE-488仪用(GPIB)总线接口功能、打印机打印接口功能.其中RS232接口选用了MAXIM公司的MAX202接收/发送器.打印机接口选用了8255，通过并行I/O扩展方式实现数据的打印工作.在与主处理器进行通讯时，采用DS1609芯片实现主处理器和通讯处理器的批量数据交换，实现了数据传输与数据处理功能的分离，使它们各司其职，保证了系统的实时性，也有效解决了上位机对下位机的寻址问题.

1.2　传感器

图3　传感器结构图

该仪器所采用的压力传感器是高精度(0.02%～0.007%FS)高稳定性(年变化量0.01%FS)的谐振筒式压力传感器.其工作原理如图3所示：(1)组成：谐振筒是用特殊恒弹性材料制成，壁厚0.08mm.外保护筒材料与谐振筒材料类似.压电陶瓷片是用来激励和拾取筒的谐振率，在两筒之间为高真空.(2)原理：在谐振筒内部通以被测压力，使谐振筒受到一个张紧力，压力不同，张紧力不同，其自身具有的固有频率也不同.用放大器和激(拾)振元件以及筒体，构成一个机电闭合振荡器(正反馈)，它们谐振在谐振最低能级的固有频率点上并输出.也就是说，不同的压力对应不同的频率，测其频率，便知压力.由于振筒外部为真空，故所测压力为绝对压力.(3)特点：该传感器的分辨率很高，对应10～1070hPa的压力范围，输出变化35万个字，即每个字对应0.1Pa，对应10～3400hPa输出变化70～75万字，分辨率均在1～3/百万.采用恒弹性，并经过多道老化工处理，故长期稳定性好，短期稳定性则更为优异.

1.3　接口技术[12]

(1)F/D(频率/数字)转换接口：由于传感器输出量为频率量(周期值)，故使用频率量转换成数字量的专用集成电路芯片(FDC9201).FDC9201输入输出口与TTL/CMOS兼容；采样周期根据输入高频时钟分4档控制；转换精度视情况在0.1%～0.001%之间变化；具有F/D自检功能；单一+5V电源.FDC9201有四组独立的低频12位二进制计数器，一组高频20位高速同步计数器，它们均为循环计数器.低频计数器通过缓冲器与数据总线相连，高频计数器以锁存器与数据总线相连.同步控制器是芯片的核心部件，它用于同步计数控制，并保证锁存的高频计数值为对应于被测周期的整数倍，同时产生一个RDY信号，用于通知CPU，高低频数据已准备好，可以读取.另外，还有标准采样周期控制器，用于产生4个档次的标准定时周期，并以IN-TR作为定时信号通知CPU.周期的长短取决于外接时钟CLK.

(2)A/D(模拟/数字)转换接口：虽然该传感器的温度系数非常小，每度百万分之一，但对于高精度而言，仍是不可忽视的，故在传感器内部加了温度传感器(AD590JH)，该温度传感器具有0.1%的线性度，经放大器转换为0～5V的电压信号，再经12位A/D转换，由CPU对振筒进行温度补偿，在工作温度范围内(军品：-55℃～85℃，民品0℃～50℃)，仪器不再进行任何修正就可保证前面所提到的精度.

(3)键盘显示控制接口：系统选用8279芯片作为触摸键盘接口[13-15]，通过对其编程完成对触摸键盘的扫描工作，用户可以通过触摸键盘来改变显示内容、数据解算方式、仪器运行状态等.此外，用户还可以通过数据小键盘对当前数据进行非线性校正.系统采用了VFD荧光数码管显示，可视尺寸150×35mm，显示内容分为上、下两排，每排20个字符，一般均由“参数符号+参数值+单位”三部分组成，同时显示三个参数时，上排为Pt或Ps，下排显示相对的传感器周期值(μs)和温度电压值(V).

2　系统主要特点

(2)在检测飞行器静压系统和全压系统的气密性时，本仪器给出精确的定时时间和标准测量参数，其定时时间和测试点，均可由用户设定(指定专人密码保护)，并可长期(十年)保存，并可进行声响提示和参数显示，同时显示出设定值和定时值.当设置定时时间到时，时间、压力变化值或高度变化值停止变化，并发出声响提醒.

(3)本仪器不仅在原位检测中用其飞行大气参数与飞行器上仪表比对做协调一致有效性检查，而且还可作为内场检测飞行参数的标准使用.

(4)本仪器可用于外场，也可用于内场(修理厂)，以外场为主.但其技术参数指标均达到ZHY型飞行大气参数综合测试仪和GCY-1A高精度综合测试仪的技术指标.本仪器的气路控制组合开关，可对任何飞行气压仪表和传感器的检测进行控制.

(5)传感器修正功能：任何传感器均有长期稳定问题，为用户使用方便，特设此修正功能.只需用户有压力标准就可进行.本仪器有两种修正功能，即线性修正和非线性修正，并有密码保护.

(6)气压原位检测参数的修改功能：可修正压力气密性定时时间、压力气密性考查测试压力、压力漏气量最大允许值、真空压力变化速度最大允许值等参数.由于不同飞行器上述参数不同，故允许用户或有资格者修正，并有密码保护.

(7)具有多种保护功能：电源27V，极性接反有保护；升降速度有保护，防止过冲，过冲有告警；空速有保护，防止过压，过压有告警；气密性检测，漏气量超差有告警提示；连通开关Kst，升降速度设定值开关Pv和最大压力值设定开关Pc，有白色警圈提醒，操作要特别注意，不要随便操作，报警方式有声、灯显示、闪等.

(8)自检功能：上电时自动检测EPROM，SRAM，EEPROM，F/D，A/D，传感器等，具有故障定位功能.

(9)宽幅电源变化适应功能：外场27V直流电源变化幅度较大，为此本仪器提供较宽的输入电压范围：在20～36V均能正常工作.

3　系统软件的设计

3.1　软件功能及其框图

图4　软件系统框图

在软件编程上，采用PLM汇编语言编写，它可对硬件进行操作，便于改进和扩充，具有很强的可读性、可靠性、结构性，能给用户提供高质量的转换代码.程序从功能上分六个部分：主控程序、初始化程序、数据采样及计算程序、键盘中断服务程序、显示程序、自检程序.

主控程序是整个程序的主干，系统平时都在主程序循环运行.当接受到键盘中断信号后转去执行相应的中断服务程序，进行数据采集和压力转换.此外，主控程序还完成8279、定时器等的初始化和自检任务.采样中断服务程序具有最高优先级，采样周期为52.4288ms，在响应中断后，首先完成采样周期的计算工作，再对周期进行算，由此得出压力值供各飞行参数使用.

自检程序对CPU、外部RAM、F/D、传感器进行检测，如有故障显示窗报告故障定位信息，供维修人员排除故障参考，“CPU ERR”表示CPU故障，“RAM ERR”表示外部RAM故障，“F/D ERR”表示F/D故障，“SEN ERR”表示传感器故障.当单片机响应8279键盘中断后，程序首先进行键分析，获取键值，转到相应的参数解算程序，同时不断接受F/D采样中断的压力值，进行飞行参数解算.所需解算的飞行参数有：高度(H)、升降速度(H′)、马赫数(M)、指示空速(Vi)、真空速(Vt).在存储器地址分配上，程序存储器27512为0～3FFFH，数据存储器6264为8000～9FFFH.在中断分配上，F/D采样中断优先级高，定时器定时中断优先级低，8279键盘中断优先级低.主要程序流程如图4所示.

3.2　数据采集及计算程序的编制

在数据采集及计算程序中，主要实现了数据的采集存储，并用基于函数链神经网络的数据融合技术对数据进行线性化处理和温度补偿，其软件流程如图5.

图5　线性化软件框图

程序主要包括以下几个部分：

(1)字符串转换.这部分程序包括了数据比较、二进制转字符串和字符串转十六进制等功能.在后面的程序中通过调用此程序实现查表、数据比较和测量数据存储.

(2)数据采集.将采集到的周期值进行存储，调用压力计算程序求解压力，并对计算结果进行字符串转化后存储到数据存储器.

(3)根据拟合公式计算压力.将所得到的周期和温度值代入公式计算，同时实现对压力的非线性校正和温度补偿.

(4)查表计算温度.根据查表法计算测量时的传感器温度值.

(6)传感器校正.用户只需有精度高于0.02%的压力基准即可对设备进行定期校验，设备提供传感器线性及非线性修正功能，用户只要输入不同温度下10，50，150，200，250，300，350，400，450，500，550，600，650，700，750，800，850，900，950，1025，1045，1070共22个点的压力值，就可对传感器进行非线性校正.

参考文献：

[1]刘君华.智能传感器系统[M].西安：西安电子科技大学出版社，2000.

[2]袁慰平，孙志忠，吴宏伟，等.计算方法与实习[M].南京：东南大学出版社，2000.

[3]吴兴惠，王彩君.传感器与信号处理[M].北京:电子工业出版社，1998.

[4]赵茂泰.智能传感器原理及应用[M].北京:电子工业出版社，1999.

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[6]焦李成.神经网络计算[M].西安：西安电子科技大学出版社，1995.

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