CN110895177A - 面向智能发动机分布式控制的智能压力传感器系统 - Google Patents

面向智能发动机分布式控制的智能压力传感器系统 Download PDF

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CN110895177A CN201910879895.3A CN201910879895A CN110895177A CN 110895177 A CN110895177 A CN 110895177A CN 201910879895 A CN201910879895 A CN 201910879895A CN 110895177 A CN110895177 A CN 110895177A
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潘慕绚
刘杨琳
黄金泉
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Abstract

本发明公开一种面向智能发动机分布式控制的智能压力传感器系统，通过信号处理单元实现压阻式压力传感器测量的压力模拟信号和基于热电阻测量的温度模拟信号的整形、滤波；通过基于ZYNQ的智能计算单元实现压力、温度模拟信号的AD采集，为温度和压力信号的量纲变换、基于温度的压力信号校正、压力传感器的故障诊断提供硬件资源；通过通信单元实现压力传感器的数字信号的TTP总线通信，使得分布式控制系统中其他节点能够从TTP总线上获取该压力数字信号。本发明基于ZYNQ设计的智能压力传感器重量轻、维护方便，硬件采用双余度方案满足可靠性，通信采用FPGA保证通讯实时性、传输带宽高、容错能力强、总线利用率高，满足航空发动机分布式控制系统的需求。

Description

面向智能发动机分布式控制的智能压力传感器系统
技术领域
本发明涉及一种面向智能发动机分布式控制的智能压力传感器系统，其属于航空发动机控制领域。
背景技术
现有的航空发动机无法应对不断变化的航空发动机环境条件，导致设计、使用和维护的成本很高。智能发动机是能够在整个寿命期内，通过智能控制系统，根据外部环境和自身状态，重新规划、优化、控制和管理自身性能、可靠性、任务、健康等状况的发动机。目前，航空智能发动机的主要关键技术包括：主动控制技术、分布式控制技术、一体化低观测性进气道和喷管技术等。
其中航空发动机分布式控制技术在控制方法、控制结构、控制测量执行元件等方面有与传统的航空发动机集中式控制技术很大不同，其系统性能、可靠性等也有很大改观。航空发动机分布式控制系统的优点包括：减少控制系统重量，尤其是电缆重量；由于采用通用模块和标准接口，减少了研制周期和设计成本；传感器和执行机构兼容性增强，使FADEC设计更易于适应新发动机型号；大大改善控制系统可靠性；由于每个智能装置都具有测试、识别功能中且采用通用型标准装置，因而大大降低了维护成本。目前，航空智能发动机分布式控制系统的主要关键技术包括：智能传感器/作动器技术、高温电子元器件技术和无线电技术等。
其中相比于传统的传感器技术，智能传感器除了要实现高精度的AD采集以及信号整形滤波之外，还需要一定的数据储存和数据处理能力，能对自身状态进行判断。智能传感单元能够实现故障诊断和识别，主动过滤故障，减少中央控制器的计算任务。
美国霍尼韦尔公司于1983年推出了压阻式智能压力变送器ST-3000，它由两部分组成：一部分为传感器芯片及调理电路；另一部分为八位微处理器及存储器。该压阻式智能压力变送器有宽量程比、高精度和高稳定性、双向通信能力、完善的自诊断功能和宽域温度及静压补偿的特点。随着技术发展，要处理的数据更多、带宽要求更大、速度要求更快，八位处理器不再能满足需求。
在总线实现上，国内研究的比较多的还是已经成熟的CAN总线，但是由于其工作原理，通信速率已经到达了极限，而且高故障率也是现代航空动力控制不能接受的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，基于缩小其体积、重量、空间及成本的迫切需求，提高其性能和质量的迫切需求和提高数据通信速率的需求，提供一种面向智能发动机分布式控制的智能压力传感器系统，用于航空发动机分布式控制研究应用。
本发明采用如下技术方案：
一种面向智能发动机分布式控制的智能压力传感器系统，该系统的设计方法包括以下步骤：
步骤1、智能压力传感器总体构架设计；
智能压力传感器由信号测量与信号处理单元、智能计算单元、数字信号TTP/C通信单元和其他电路单元构成；
信号测量和信号处理单元分别包含压力信号测量与信号处理单元、温度信号测量与信号处理单元。压力信号测量与处理单元包括压阻式压力传感器、压力信号调理模块、压力信号模数转换模块；温度信号测量与信号处理单元包括热电阻、温度信号调理模块、温度信号模数转换模块。温度和压力这两路信号检测与信号处理单元的输出并行接入微控制器。可实现压力传感器模拟信号的采集及标定，对压力传感器模拟信号的滤波、放大和模数转换；
智能计算单元采用集成的微控制器芯片实现，它分别与温度、压力信号处理单元、数字信号通信单元以及其他电路相连接，是智能压力传感器的核心。可实现对信号处理单元的输出数据的标度变换；
智能压力传感器数字信号TTP/C通信单元由TTP/C总线控制器构成，它与智能计算单元和总线电缆相连。可通过TTP/C总线控制单元将智能计算单元处理后的数据发送至TTP/C总线上；
智能压力传感器的其他电路包括电源模块和晶振模块，其中电源模块与智能压力传感器信号处理单元、智能压力传感器智能计算单元设计和智能压力传感器数字信号TTP/C通信单元相连，为这些单元中的仪表放大器、模数转换芯片等提供所需电能；晶振模块与智能压力传感器数字信号TTP/C通信单元相连，为其提供所需晶振时钟。
步骤2、智能压力传感器信号处理单元设计：
步骤2.1，设计传感器供电方案。本发明采用四线制恒流源供电的方案，精密高温电阻、热电阻与硅压阻串联，精密高温电阻两端的电压送入AD采集芯片的参考端作为参考电压输入，热电阻和硅压阻两端的电压分别经放大滤波后被AD采集芯片的采集端采集，四线制的采集方式可以抵消由导线电阻带来的测量误差。本设计方法先对AD7793进行写操作，通过串行接口DIN写入数据0x28打开IO寄存器，IO寄存器是一个8位寄存器，可以读取和写入数据，用于使能和选择激励电流值。热电阻和硅压阻串联，一个AD7793芯片只用了一个电流源，写入0x0A将两个电流源均连接至引脚IOUT1和将激励电流设置为210μA。
步骤2.2，设计压力信号滤波电路，构成以压力传感器压力信号为输入的二阶有源低通滤波器
Figure BDA0002205578360000031
其中，G(s)为该滤波器的传递函数，K为二阶滤波器的通带增益，
Figure BDA0002205578360000032
q为滤波器的品质因数，R1、R2、R3、R4分别为该滤波器的阻抗，C1、C2分别为该滤波器的容抗，ω为滤波器的特征角频率，s为复频域的复数变量，Uo(s)为输出信号的拉氏变换，Ui(s)为输入信号的拉氏变换，ωc为该滤波器的截止频率；。为方便设计，选取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，R为方便计算的电阻值，C为方便计算的电容值，可滤除发动机压力信号中ωc＝1/(2πRC)Hz以上的频率分量，且对滤波后的压力信号放大K倍。
步骤2.3，设计温度信号滤波电路，构成以压力传感器温度信号为输入的二阶有源低通滤波器
Figure BDA0002205578360000033
其中，K为二阶滤波器的通带增益，
Figure BDA0002205578360000034
q为滤波器的品质因数。为方便设计，选取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，可滤除发动机温度信号中ωc＝1/(2πRC)Hz以上的频率分量，且对滤波后的温度信号放大K倍。
步骤2.4，采用AD7793芯片分别设计AD采集温度信号与压力信号的采集与模数转换：
步骤2.4.1，对温度模拟信号的模数转换过程。为了避免在传感器工作中的误差，对送入AD采集芯片的模拟量进行零电平校准和满量程校准。通过串行接口DIN写入数据0x08打开模式寄存器，再写入0x80将工作模式选择为内部零电平校准，再写入0x02设置滤波更新速率fADC＝242Hz，完成零电平校准。通过串行接口DIN写入数据0x08打开模式寄存器，再写入0xA0将工作模式选择为内部满量程校准，再写入0x02设置滤波更新速率fADC＝242Hz，完成满量程校准。对送入AD采集芯片的模拟量进行放大，通过串行接口DIN写入数据0x10打开配置寄存器，热电阻在0～100℃的阻值范围是100～138.5Ω，即ADC的电压输入最大为29.085mV，需要配置ADC增益为64，即写入0x16禁用配置电压、禁用熔断电流、使能单极性编码和配置ADC增益为64，再写入0x10将ADC设置为AIN1缓冲模式，配置完AIN1通道之后向AD7793写入0x58打开数据寄存器此数据寄存器存储ADC的转换结果，读出温度模拟信号经模数转换后的数字量。
步骤2.4.2，对压力模拟信号的模数转换过程。通过对AD7793芯片写入数据0x10打开配置寄存器，写入0x13禁用配置电压、禁用熔断电流、使能单极性编码和配置ADC增益为8。再写入0x11将ADC设置为AIN2缓冲模式。配置完AIN2通道之后向AD7793写入0x58打开数据寄存器，此数据寄存器存储ADC的转换结果，此时读取AD7793采集的压力信号数据。
步骤2.4.3，设置ADC模数转换模式为连续转换模式。通过串行接口DIN写入数据0x08打开模式寄存器，再写入0x00将工作模式选择为连续转换模式，最后再写入0x02设置滤波更新速率fADC＝242Hz。
步骤3、智能压力传感器智能计算单元设计：
步骤3.1，计算单元采用ZYNQ7010的ARM部分实现；
步骤3.2，对AD7793采集芯片输出的数字量电压信号按照下式解算出压力大小。
Figure BDA0002205578360000051
其中Af1、Af2分别表示温度信号、压力信号放大倍数，D1、D2分别表示温度信号、压力信号所用AD采集芯片输出的数字信号值，F为AD采集芯片的满量程数字信号值；R为基准精密电阻的阻值，r1、r2分别为双通道采集的热电阻阻值；
步骤3.3，根据压力和温度的补偿关系，采用二维线性插值的方法进行压力测量值的温度补偿，获得该温度下的真实压力值，其中补偿原理如下：
Figure BDA0002205578360000052
其中，P是真实温度ti下的真实压力值，a、b、c、d分别是真实温度ti与ti所在插值表温度tm、tm+1，真实压力值P与所在插值表压力值pm、pm+1之间的差值，f(p,t)为温度t下对测量值p的修正值。
步骤3.4，将真实压力值P转换为二进制数作为相应的数据通信总线信号，ZYNQ7010中ARM与FPGA基于AXI总线进行数据传输，ARM端对某个总线地址进行写操作将需传输的通信总线信号存入寄存器。
步骤4、智能压力传感器数字信号TTP/C通信单元设计：
采用ZYNQ7010中的FPGA设计TTP/C总线，步骤3.4中地址映射在FPGA的外部IP地址段上，外部IP对DDR和PS的Peripheral地址段进行写操作，为其加上帧头、C-状态帧、集群ID和CRC帧，从而实现对压力信号数字量的组帧、编码和校验；
TTP/C总线控制器采用TTTech公司提供的AS8202NF芯片，将它的数据、地址、控制引脚分别和ZYNQ7010 PL端的数据、地址、控制引脚采用异步并行的方式相连；通过数据、地址引脚获得微控制器发送的压力信号的数字量；AS8202NF按照TTP/C总线协议通过RS485电平转换芯片将打包后的压力信号数字量发送到TTP/C总线上。
步骤5、智能压力传感器其他电路单元设计：
采用±12V的外接电源设计电源电路，其中选取LM2576芯片，实现从+12V电平到+5V电平的转换。选取AS1117-3.3芯片，实现从+5V电平到+3.3V电平的转换。通过选取电平转换芯片的外接电容和电感设计电源信号滤波电路，滤除芯片电流发生变化在电源线上造成的纹波；
采用外接晶振为通信单元提供时钟电路，其中TTP物理层选取40MHz晶振芯片为TTP协议控制器提供主时钟晶振，选取16MHz晶振芯片为TTP协议控制器提供总线保护器晶振。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明针对航空发动机分布式控制系统所设计的智能压力传感器，基于ZYNQ7010完成智能压力传感器控制器的智能计算单元和TTP/C通信单元设计，降低了减轻了压力信号智能处理与总线控制器通信等相关功能硬件的重量和复杂程度，减小了TTP/C总线控制器的体积；减少故障发生的概率；缩减了总线控制器的研制周期并降低了设计费用；增加系统通用性和可扩展性；适应未来飞行器发展需求；
(2)本发明采用FPGA设计保证的TTP/C总线通信单元，在保证压力传感器信号数字通信实时性的同时，提供了双通道冗余容错机制，满足了航空发动机智能发动机分布式控制系统可靠性的需求。
附图说明
图1是航空发动机智能压力传感器总体构架。
图2是基于恒流源的智能压力传感器采集电路。
图3是智能压力传感器温度和压力信号处理电路。
图4是基于AD7793的温度压力模数转换电路。
图5是基于ZYNQ的智能压力传感器计算单元构架。
图6是智能压力传感器电源模块电路图。
图7是智能压力传感器TTP/C通信单元硬件架构图。
图8是智能压力传感器TTP/C通信单元硬件电路图。
具体实施方式
本下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
图1是航空发动机智能压力传感器总体构架。结合航空发动机分布式控制系统分别设计了智能压力传感器信号处理单元、智能压力传感器智能计算单元、智能压力传感器TTP/C通信单元和智能压力传感器其他电路等多个功能单元。硬件部分设计一款二阶有源滤波器对采集到的传感器信号进行滤波放大，用ADI公司的AD7793芯片对双路温度传感器通道进行采集，TTP/C总线控制器采用TTTech公司提供的AS8202NF芯片，硬件部分主要是针对TTP协议控制器的外围电路设计，包括电源、电源滤波电路、40MHz芯片主时钟晶振、16MHz总线保护器晶振、RS485通信底层模块以及和中间件的接口设计。
图2是基于恒流源的智能压力传感器采集电路。通过对AD7793的IO寄存器配置使之产生I＝210μA的恒流源，电流I流经精密高温电阻、热电阻和硅压阻。每个时刻经过硅压阻、热电阻和精密电阻的电流相等，精密高温电阻R两端的电压作为参考电压被AD采集芯片的参考端采集，AD采集端的输入电压与采集电阻的阻值成正比，AD采集芯片输出的数字信号值D与满量程数字信号值F的关系为
Figure BDA0002205578360000071
其中Af1、Af2分别表示温度信号、压力信号放大倍数。这种恒流源方案中，即使温度变化导致恒流源的电流大小发生变化，但由于AD采集的是采集端与参考端的比值，电流变化的影响因素可以抵消，如(1)所示。
图3是智能压力传感器温度和压力信号处理电路。针对航空发动机工况复杂，电磁干扰强，传感器采集信号携带的干扰信号会影响采集精度等问题，在压力、温度的模拟信号(压力、温度传感器测量信号)转换为数字量之前，设计有源滤波器电路分别进行压力、温度模拟信号的滤波。图3中压力和温度模拟信号滤波低通电路均采用二阶有源低通滤波电路。“温度信号调理”滤波电路中，根据基尔霍夫电流定律，在a节点处电流平衡关系式为
Figure BDA0002205578360000072
在b节点处的电流平衡关系式为
Figure BDA0002205578360000073
其中由于运放的“虚短”“虚断”特性，可得I+≈0，Ub＝Uc，并且有
Figure BDA0002205578360000074
由式(3)和(4)，可得该滤波电路的传递函数
Figure BDA0002205578360000075
其中U3-2为3脚与2脚之间的电压差，K为二阶滤波器的通带增益，q为滤波器的品质因数，其表达式为
Figure BDA0002205578360000081
Figure BDA0002205578360000082
为方便设计，选取R6＝R7＝R，C12＝C13＝C，则该传递函数的截止频率为ωc＝1/(2πRC)。选取R＝100KΩ，C＝10μF，则截止频率ωc＝160Hz，能够满足航空发动机温度信号滤波性能要求。
该滤波电路在对压力信号滤波的同时能对信号产生放大作用，为方便设计，选取R2＝R3，则该电路对电流的放大倍数为2。
“温度信号调理”滤波电路中，选取R18＝R19＝R，C26＝C27＝C，则该传递函数的截止频率为ωc＝1/(2πRC)。选取R＝16KΩ，C＝10μF，则截止频率为ωc＝1000Hz，能够满足航空发动机压力信号滤波性能要求。
“温度信号调理”滤波电路在对温度信号滤波的同时能对信号产生放大作用，为方便设计，选取R13＝R14，则该电路对电流的放大倍数为2。
图4中是基于AD7793的压力、温度模拟信号AD采集电路图。激励电流IOUT1经过高温精密电阻R4产生基准电压与AD7793的REF+和REF-引脚相连，AD7793的输入端1引脚AIN1+与引脚AIN1-采集温度信号，温度信号经滤波和放大后的电信号ADOUT1与AD7793的AIN1+相连，AIN1-与GNDA相连。AD7793的输入端2引脚AIN2+与引脚AIN2-采集压力信号，压力信号经滤波和放大后的电信号ADOUT2与AD7793的AIN2+相连，AIN2-与GNDA相连。
图5是基于ZYNQ7010的智能计算单元功能硬件架构图。本发明选用Xilinx公司生产的ZYNQ xc7010clg400-1芯片作为智能传感器单元的微控制器。本发明中将ZYNQ7010中PS端设计为处理AD采集、信号软件滤波、信号校正、传感器故障诊断等功能的计算单元，采用一片256MB大小的Quad-SPI FLASH芯片存放信号软件滤波、校正、诊断等功能的软件代码。采用ZYNQ芯片的PL端扩展IO端口与AD7793的引脚SCLK、CS、DIN和DOUT相连，实现AD7793输出的压力、温度数字信号的读取。智能计算单元还要与通信单元相连，因此在ZYNQ的PL端采用TTP-TOOLS HWCOM模块实现与AS8202NF协议芯片的通信，并且将数据以及状态信息以寄存器映射的形式与ZYNQ的PS端进行数据交互。
图6是智能压力传感器电源模块电路图。为了给信号处理单元的仪表放大器LM258提供+12V和-12V的电压，外接电源选取±12V电源。为了给智能计算单元ZYNQ提供+5V的供电，本发明选用LM2576系列开关稳压集成电路为控制单元中ZYNQ7010芯片提供稳定、可靠的+5V电压。该电路中，VIN为输入电压引脚，接+12V电源电压，输入和接地引脚与C2相连，按照稳定运行需要，C2选为100μF，35V钽电解电容，按照需求还需再并联接入一只电容量在0.1～0.33μF之间的无极性电容，这里选C1为0.1μF。用于整流的二极管D1选用IN4007。OUT为输出电压引脚，与C4相连，C4按照在100μF到470μF之间选取的选型原则，选择为330μF的标准钽电解电容。按照电容器的额定电压必须至少比输出电压大1.5倍的选型原则，并联电容C3的电容值选为10μF。电压调节器的输入引脚“ON/OFF”连接到GND以启用电压调节器。反馈感输入引脚“FEEDBACK”连接到固定输出端的输出电容C3、C4。按照输出电压5V的选取电感L1为100μH。按照二极管D2的额定电流值应大于最大负载电流的1.2倍的选型原则，D2选用IN5825二极管。
为了给AD7793芯片提供+3.3VA和+3.3V的供电，+5V转+3.3V电路主电源芯片采用AS1117-3.3芯片。按照过滤高频干扰和避免对模拟电路的信号产生影响的需求，+5V与+5VA间的电感L2选为100μH。VIN为输入电压引脚，接+5VA电压，稳定运行需要一个铝或钽电解旁路电容器，选取位于输入和接地引脚附近的C6为330μF，16V钽电解电容。输出端VOUT接100μF，16V的钽电解电容C9，再并联接入一只高频特性好的无极性电容，按照电容量在0.1～0.33μF之间选C7为0.1μF。按照防干扰的需求，+3VA与+3V间电感L2选取470μH。按照滤除纹波、不影响其它芯片的需求，C5、C8选用10μF的电解电容。
图7是智能压力传感器TTP物理层架构图。采用TTTech公司提供的AS8202NF芯片作为TTP总线控制器。TTP总线控制器主时钟频率为40MHz，由40MHz的晶振提供。总线监控器采用独立的时钟，该时钟为16MHz。图8是智能压力传感器TTP硬件电路图，是针对图7的具体实现，由TTTech公司提供。TTP物理层硬件单元引脚与智能计算单元ZYNQ7010 PL端对应的扩展IO引脚相连。
本发明针对发动机中压力测量需求，提出基于压阻式压力测量元件的智能压力传感器设计方法。结合航空发动机压力测量需求，面向智能发动机分布式控制的智能压力传感器设计方法包括智能压力传感器信号处理单元设计、智能压力传感器智能计算单元设计、智能压力传感器通信单元设计和智能压力传感器其他电路设计。
对于智能压力传感器信号处理单元设计，通过对被测压力信号和温度信号分别进行放大滤波为采样电路能够接受的信号完成信号处理单元设计；对于智能压力传感器智能计算单元设计，通过嵌入式的传感器模型对采样电路输出信号进行转换，将其转变为相应真实物理量的量级，同时微处理器利用双余度量测信号对传感器进行初步故障诊断；对于智能压力传感器通信单元设计，通过设计基于TTP/C总线的通信单元，将传感器数字信号转换为相应的数据通信总线信号，并发布至通信总线上；对于智能压力传感器其他电路设计，通过设计电源模块为各元件供电以及对晶振的选型为控制器芯片提供时钟。优点：采用本发明设计方法基于ZYNQ所设计的智能压力传感器重量较轻、维护方便，同时硬件采用双余度方案满足可靠性，通信采用FPGA保证通讯实时性、传输带宽高、容错能力强、总线利用率高，足以满足航空发动机分布式控制系统的需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种面向智能发动机分布式控制的智能压力传感器系统，其特征在于：
该智能压力传感器由信号测量与信号处理单元、智能计算单元、数字信号TTP/C通信单元和其他电路单元构成；
信号测量和信号处理单元包含压力信号测量与信号处理单元、温度信号测量与信号处理单元，压力信号测量与信号处理单元包括依次连接的压阻式压力传感器、压力信号调理模块、压力信号模数转换模块；温度信号测量与信号处理单元包括热电阻、温度信号调理模块、温度信号模数转换模块；信号测量和信号处理单元对压力传感器模拟信号的采集及标定，并进行滤波、放大和模数转换；温度和压力这两路信号检测与信号处理单元的输出并行接入智能计算单元；
智能计算单元采用集成的微控制器芯片，分别与温度、压力信号处理单元、数字信号TTP/C通信单元以及其他电路相连接，用于对信号处理单元的输出数据的标度变换；
数字信号TTP/C通信单元由TTP/C总线控制器构成，它与智能计算单元和总线电缆相连，通过TTP/C总线控制单元将智能计算单元处理后的数据发送至TTP/C总线上；
其他电路包括电源模块和晶振模块，其中电源模块与信号处理单元、智能计算单元和数字信号TTP/C通信单元相连，为其提供电能；晶振模块与数字信号TTP/C通信单元相连，为其提供晶振时钟。
2.根据权利要求1所述的一种面向智能发动机分布式控制的智能压力传感器系统，其特征在于：该系统采用四线制恒流源供电的方案，精密高温电阻、热电阻与硅压阻串联，精密高温电阻两端的电压送入AD采集芯片的参考端作为参考电压输入，热电阻和硅压阻两端的电压分别经放大滤波后被AD采集芯片的采集端采集；采用AD7793芯片进行AD采集温度信号与压力信号的采集与模数转换；热电阻和硅压阻串联，一个AD7793芯片只用一个电流源，写入0x0A将两个电流源均连接至引脚IOUT1和将激励电流设置为210μA。
3.根据权利要求2所述的一种面向智能发动机分布式控制的智能压力传感器系统，其特征在于：滤波所用的滤波器是以压力传感器压力、温度信号为输入的二阶有源低通滤波器：
Figure FDA0002205578350000011
其中，G(s)为该滤波器的传递函数，K为二阶滤波器的通带增益，
Figure FDA0002205578350000021
q为滤波器的品质因数，R1、R2、R3、R4分别为该滤波器的阻抗，C1、C2分别为该滤波器的容抗，ω为滤波器的特征角频率，s为复频域的复数变量，Uo(s)为输出信号的拉氏变换，Ui(s)为输入信号的拉氏变换，ωc为该滤波器的截止频率；选取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，R为方便计算的电阻值，C为方便计算的电容值，可滤除发动机压力信号中ωc＝1/(2πRC)Hz以上的频率分量，且对滤波后的压力信号放大K倍。
4.根据权利要求2所述的一种面向智能发动机分布式控制的智能压力传感器系统，其特征在于：所述采用AD7793芯片进行AD采集温度信号与压力信号的采集与模数转换的具体方法为：对温度模拟信号的模数转换过程：对送入AD采集芯片的模拟量进行零电平校准和满量程校准，对送入AD采集芯片的模拟量进行放大，通过串行接口DIN写入数据0x10打开配置寄存器，热电阻在0～100℃的阻值范围是100～138.5Ω，即ADC的电压输入最大为29.085mV，需要配置ADC增益为64，即写入0x16禁用配置电压、禁用熔断电流、使能单极性编码和配置ADC增益为64，再写入0x10将ADC设置为AIN1缓冲模式，配置完AIN1通道之后向AD7793写入0x58打开数据寄存器此数据寄存器存储ADC的转换结果，读出温度模拟信号经模数转换后的数字量；
对压力模拟信号的模数转换过程：通过对AD7793芯片写入数据0x10打开配置寄存器，写入0x13禁用配置电压、禁用熔断电流、使能单极性编码和配置ADC增益为8；再写入0x11将ADC设置为AIN2缓冲模式。配置完AIN2通道之后向AD7793写入0x58打开数据寄存器，此数据寄存器存储ADC的转换结果，此时读取AD7793采集的压力信号数据；
设置ADC模数转换模式为连续转换模式：通过串行接口DIN写入数据0x08打开模式寄存器，再写入0x00将工作模式选择为连续转换模式，最后再写入0x02设置滤波更新速率fADC＝242Hz。
5.根据权利要求4所述的一种面向智能发动机分布式控制的智能压力传感器系统，其特征在于：对送入AD采集芯片的模拟量进行零电平校准和满量程校准的具体方法为：通过串行接口DIN写入数据0x08打开模式寄存器，再写入0x80将工作模式选择为内部零电平校准，再写入0x02设置滤波更新速率fADC＝242Hz，完成零电平校准。通过串行接口DIN写入数据0x08打开模式寄存器，再写入0xA0将工作模式选择为内部满量程校准，再写入0x02设置滤波更新速率fADC＝242Hz，完成满量程校准。
6.根据权利要求1所述的一种面向智能发动机分布式控制的智能压力传感器系统，其特征在于：所述智能计算单元采用ZYNQ7010的ARM部分实现；首先，对AD7793采集芯片输出的数字量电压信号按照下式解算出压力大小：
Figure FDA0002205578350000031
其中Af1、Af2分别表示温度信号、压力信号放大倍数，D1、D2分别表示温度信号、压力信号所用AD采集芯片输出的数字信号值，F为AD采集芯片的满量程数字信号值，R为基准精密电阻的阻值，r1、r2分别为双通道采集的热电阻阻值；
其次，根据压力和温度的补偿关系，采用二维线性插值的方法进行压力测量值的温度补偿，获得该温度下的真实压力值，其中补偿原理如下：
Figure FDA0002205578350000032
其中，P是真实温度ti下的真实压力值，a、b、c、d分别是真实温度ti与ti所在插值表温度tm和温度tm+1，真实压力值P与所在插值表压力值pm和压力值pm+1之间的差值，f(p,t)为温度t下对测量值p的修正值；
最后，将真实压力值P转换为二进制数作为相应的数据通信总线信号，ZYNQ7010中ARM与FPGA基于AXI总线进行数据传输，ARM端对某个总线地址进行写操作将需传输的通信总线信号存入寄存器。
7.根据权利要求1所述的一种面向智能发动机分布式控制的智能压力传感器系统，其特征在于：所述数字信号TTP/C通信单元采用ZYNQ7010中的FPGA作为TTP/C总线，总线地址映射在FPGA的外部IP地址段上，外部IP对DDR和PS的Peripheral地址段进行写操作，为其加上帧头、C-状态帧、集群ID和CRC帧，从而实现对压力信号数字量的组帧、编码和校验；
TTP/C总线控制器采用AS8202NF芯片，将它的数据、地址、控制引脚分别和ZYNQ7010 PL端的数据、地址、控制引脚采用异步并行的方式相连；通过数据、地址引脚获得微控制器发送的压力信号的数字量；AS8202NF按照TTP/C总线协议通过RS485电平转换芯片将打包后的压力信号数字量发送到TTP/C总线上。
8.根据权利要求1所述的一种面向智能发动机分布式控制的智能压力传感器系统，其特征在于：所述电源电路采用±12V的外接电源，其中选取LM2576芯片，实现从+12V电平到+5V电平的转换，选取AS1117-3.3芯片，实现从+5V电平到+3.3V电平的转换；
所述晶振电路采用外接晶振为通信单元提供时钟电路，其中TTP物理层选取40MHz晶振芯片为TTP协议控制器提供主时钟晶振，选取16MHz晶振芯片为TTP协议控制器提供总线保护器晶振。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112816126A (zh) * 2020-12-24 2021-05-18 中国飞行试验研究院 一种用于飞行试验的智能柔性测压带
CN113055765A (zh) * 2021-03-04 2021-06-29 中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 一种基于全光交换网络的分布式处理系统
CN115014628A (zh) * 2022-05-31 2022-09-06 烟台哈尔滨工程大学研究院 高精度海洋压力测量系统及测量方法
CN115357083A (zh) * 2022-04-22 2022-11-18 陕西电器研究所 一种相频一致性模拟电路优化方法
CN116124360A (zh) * 2023-04-14 2023-05-16 新乡北方车辆仪表有限公司 一种压阻式压力传感器输出超差自判断的方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2356338Y (zh) * 1998-12-30 1999-12-29 西安交通大学 离子流压力传感器
KR20090032858A (ko) * 2007-09-28 2009-04-01 콘티넨탈 오토모티브 시스템 주식회사 바이 퓨얼 차량의 연료 온도 감지 장치
CN101600905A (zh) * 2007-01-02 2009-12-09 西门子公司 燃气轮机的压力测量装置、燃烧器和燃料供应
CN102353481A (zh) * 2011-06-30 2012-02-15 华南理工大学 基于二维正交函数的压力传感器温度和压力互补的方法及装置
CN104655361A (zh) * 2015-01-15 2015-05-27 奇瑞汽车股份有限公司 发动机缸内爆震位置检测系统和方法
CN105262656A (zh) * 2015-09-22 2016-01-20 南京航空航天大学 航空发动机分布式控制系统时间触发通信总线的实现方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2356338Y (zh) * 1998-12-30 1999-12-29 西安交通大学 离子流压力传感器
CN101600905A (zh) * 2007-01-02 2009-12-09 西门子公司 燃气轮机的压力测量装置、燃烧器和燃料供应
KR20090032858A (ko) * 2007-09-28 2009-04-01 콘티넨탈 오토모티브 시스템 주식회사 바이 퓨얼 차량의 연료 온도 감지 장치
CN102353481A (zh) * 2011-06-30 2012-02-15 华南理工大学 基于二维正交函数的压力传感器温度和压力互补的方法及装置
CN104655361A (zh) * 2015-01-15 2015-05-27 奇瑞汽车股份有限公司 发动机缸内爆震位置检测系统和方法
CN105262656A (zh) * 2015-09-22 2016-01-20 南京航空航天大学 航空发动机分布式控制系统时间触发通信总线的实现方法

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
周旭: "《 汽车总线技术》", 30 September 2014, 北京理工大学出版社 *
张文豪: "基于Zynq的TTP/C总线控制器设计与验证", 《中国硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 *
罗晶: "《 ADμC706x系列ARM微控制器原理及应用》", 30 November 2012, 北京航空航天大学出版社 *
董朝阳等: "基于ZYNQ的变流器通用控制平台研究", 《工业仪表与自动化装置》 *
蒋文亮等: "一种应用于航空发动机的智能压力传感器系统", 《2016航空试验测试技术学术交流会论文集》 *
陈建: "基于FPGA的TTP/C总线控制器设计及验证", 《中国硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 *
黄福林: "《模拟电子技术基础》", 31 December 2012, 中国电力出版社 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112816126A (zh) * 2020-12-24 2021-05-18 中国飞行试验研究院 一种用于飞行试验的智能柔性测压带
CN113055765A (zh) * 2021-03-04 2021-06-29 中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 一种基于全光交换网络的分布式处理系统
CN113055765B (zh) * 2021-03-04 2022-10-28 中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 一种基于全光交换网络的分布式处理系统
CN115357083A (zh) * 2022-04-22 2022-11-18 陕西电器研究所 一种相频一致性模拟电路优化方法
CN115357083B (zh) * 2022-04-22 2023-09-15 陕西电器研究所 一种相频一致性模拟电路优化方法
CN115014628A (zh) * 2022-05-31 2022-09-06 烟台哈尔滨工程大学研究院 高精度海洋压力测量系统及测量方法
CN115014628B (zh) * 2022-05-31 2024-04-09 烟台哈尔滨工程大学研究院 高精度海洋压力测量系统及测量方法
CN116124360A (zh) * 2023-04-14 2023-05-16 新乡北方车辆仪表有限公司 一种压阻式压力传感器输出超差自判断的方法
CN116124360B (zh) * 2023-04-14 2023-07-25 新乡北方车辆仪表有限公司 一种压阻式压力传感器输出超差自判断的方法

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