基于CAN总线的航空发动机智能压力传感器设计

2019-11-06赵泽平彭靖波徐若淞

仪表技术与传感器 2019年10期

赵泽平，彭靖波，徐若淞

(空军工程大学航空工程学院，陕西西安 710038)

0 引言

航空发动机分布式控制系统由中央控制器、智能传感器、智能执行机构、电源总线和数据总线组成，是未来航空发动机控制系统的发展方向。相比于集中式控制系统，分布式控制系统将信号采集、数据处理等低级功能交由智能装置来完成，中央控制器只完成控制算法实现等高级功能[1]。

由于航空发动机控制系统对信号处理的实时性要求比较高，指令运行速度需要在10 MIPS以上，传统的单片机无法满足此需求，而DSP具有高速运算能力，并且功耗较低，本文选择DSP作为航空发动机智能传感器的微处理器。

本文在PTG500/708压阻式压力传感器的基础上，微处理器选择集成了CAN总线控制器和CAN总线通信接口的TMS320LF2407，设计了一种基于CAN总线的智能航空发动机压力传感器。

1 压阻式压力传感器原理

压阻式压力传感器利用半导体材料在受压条件下自身电阻改变，在电阻两端添加激励电压，通过测量输出电压进而实现对压力的采集[2]。

1.1 半导体压阻效应

半导体电阻率会随着加载在自身的压力而发生相应变化：

Δρ=πσ

(1)

式中：ρ为电阻率；π为压阻系数；σ为施加在半导体上的应力，Pa。

压阻式压力传感器采用半导体膜片对加载在其上的压力进行感应，当有应力作用在膜片上时，此时传感器内电阻变化率为

(2)

式中：πl为纵向压阻系数；πt为横向压阻系数；σl为纵向应力,Pa;σt为横向应力，Pa。

压阻系数与半导体内晶体方向有关[3]，将晶体方向上的压阻系数正交分解为3个方向的压阻系数π11，π12，π44，在晶向[ri,si,ti]上，有：

(3)

式中：li，mi，ni为方向余弦。

则有纵、横向压阻系数：

(4)

在实际传感器设计制作过程中，为简化设计过程，纵、横两个方向的应力只使用其中一个。

1.2 惠斯登电桥测压

前面所说，电阻变化量不易测得，由此通过对电路中输出电压的测量进而求出电阻的变化情况。鉴于硅压传感器输出电压值较小，通过现代扩散工艺，将感压膜片建立在由4个相同的敏感电阻组成的惠斯登电桥中[4]，结构如图1所示。

图1 惠斯登电桥连接方式

图中，R1、R2、Rr、Rs为4个初始值相同的硅型敏感电阻，当没有外界应力作用于膜片时，在激励电压V0的作用下输出电压值为零，当外界应力作用于膜片时，敏感电阻条R1、Rs受到压应力，电阻变小，R2、Rr受到拉应力，电阻变大，电阻变化量均为ΔR，则输出电压V为

(5)

由式(5)可以将对传感器阻值的变化转化为易于测量的输出电压变化，进而由式(2)可以得到输出电压与外界压力的变化。对系统内部进行简化可得：

(6)

由式(6)可以看出，假设压阻系数为定值，则输出电压与作用在膜片上的应力成线性关系，在惠斯登桥路中，4个敏感电阻都受到横向压力，由于4个电阻具有相同的非线性特性，且非线性在桥路中可以相互抵消，本文采用PTG500/708压阻式压力传感器。

2 智能传感器总体结构

智能传感器是把原有的传感器进行微机化，将微处理器植入到传感器系统中，并具有电源总线接口和数据总线接口。在分布式控制系统中，智能传感器完成集中式控制系统中央控制器的低级功能，主要是信号采集、信号传输和信号处理等功能。智能传感器主要包括传感器、微处理器、电源总线接口和数据总线接口，如图2所示。其工作过程是传感器获得被测物理量信号，该信号进入微处理器进行信号处理，并转换为数字信号，通过总线完成与中央控制器的通信。

图2 智能传感器结构图

3 智能压力传感器硬件电路设计

智能压力传感器硬件电路设计原理图如图3所示，主要由上电自检电路、信号处理电路、微处理器DSP以及CAN通讯接口电路组成。

图3 智能压力传感器硬件电路图

3.1 上电自检电路

上电自检功能主要由模拟电子开关MAX319实现，MAX319的工作状态由DSP的IOPA0通用I/O引脚控制。当IOPA0输出低电平时，压力信号接入电路；当IOPA0输出高电平时，自检信号接入电路，与此同时，自检信号与DSP中的预设值比较，如果相等，则电路正常，如果不相等，DSP将智能压力传感器故障信号发送给中央控制器。

3.2 信号处理电路

信号处理电路主要由AD620完成，AD620是信号放大器芯片，其主要将电压信号调理至0～3.3 V，然后输入到DSP中的模拟输入通道ADC0，完成对压力信号的处理。

3.3 微处理器

微处理器选择供电电压为3.3 V、低功耗的TMS320LF2407A芯片。该DSP芯片具有丰富的内外设功能模块：数字输入输出模块(I/O)、10位的模数转换模块(ADC)以及局域网控制模块(CAN)等。DSP芯片接收来自信号处理电路的电压信号，经过模数转换后通过CAN模块发送至CAN通讯电路，完成信号的转换[5]。

对于压阻式的压力传感器，压阻效应主要是基于电阻率的变化，而温度对于电阻率的影响比较大，所以在温度变化比较大的环境中需要对测压过程进行温度补偿。对于智能压力传感器，其可以通过DSP接收CAN总线上的智能温度传感器发出的温度信号，通过文献[6]提出的插值算法，对智能压力传感器的输出量进行补偿，如图4所示。通过DSP实现温度补偿的方法可以避免复杂的硬件补偿电路，同时具有精度高、质量轻等优点。

图4 温度补偿原理图

3.4 CAN通讯接口电路

CAN通讯收发电路由PCA82C250模块完成，该模块是CAN控制器和CAN物理总线的接口，可以发送和接收CAN总线上的信号，一方面，将测量的压力信号转换为差分电平信号，另一方面，通过总线接收智能温度传感器测量的温度信号发送给DSP芯片[7]。

4 实验验证

为了验证智能压力传感器的测压效果，采用PTG500/708压阻式压力传感器，本文以设计的智能大气压力传感器为例进行实验验证。由于航空发动机实际工作的环境在高空，随着高度上升，大气压力不断下降，同时环境温度也会降低。在传感器测试中，理论大气压力取值范围为(0～1)×105Pa，分别测量0、10、20 ℃时的气压值，测量数据如表1所示。