基于CAN總線的航空發(fā)動機智能壓力傳感器設計

趙澤平，彭靖波，徐若淞

(空軍工程大學航空工程學院，陜西西安 710038)

0 引言

航空發(fā)動機分布式控制系統由中央控制器、智能傳感器、智能執(zhí)行機構、電源總線和數據總線組成，是未來航空發(fā)動機控制系統的發(fā)展方向。相比于集中式控制系統，分布式控制系統將信號采集、數據處理等低級功能交由智能裝置來完成，中央控制器只完成控制算法實現等高級功能[1]。

由于航空發(fā)動機控制系統對信號處理的實時性要求比較高，指令運行速度需要在10 MIPS以上，傳統的單片機無法滿足此需求，而DSP具有高速運算能力，并且功耗較低，本文選擇DSP作為航空發(fā)動機智能傳感器的微處理器。

本文在PTG500/708壓阻式壓力傳感器的基礎上，微處理器選擇集成了CAN總線控制器和CAN總線通信接口的TMS320LF2407，設計了一種基于CAN總線的智能航空發(fā)動機壓力傳感器。

1 壓阻式壓力傳感器原理

壓阻式壓力傳感器利用半導體材料在受壓條件下自身電阻改變，在電阻兩端添加激勵電壓，通過測量輸出電壓進而實現對壓力的采集[2]。

1.1 半導體壓阻效應

半導體電阻率會隨著加載在自身的壓力而發(fā)生相應變化：

Δρ=πσ

(1)

式中：ρ為電阻率；π為壓阻系數；σ為施加在半導體上的應力，Pa。

壓阻式壓力傳感器采用半導體膜片對加載在其上的壓力進行感應，當有應力作用在膜片上時，此時傳感器內電阻變化率為

(2)

式中：πl(wèi)為縱向壓阻系數；πt為橫向壓阻系數；σl為縱向應力,Pa;σt為橫向應力，Pa。

壓阻系數與半導體內晶體方向有關[3]，將晶體方向上的壓阻系數正交分解為3個方向的壓阻系數π11，π12，π44，在晶向[ri,si,ti]上，有：

(3)

式中：li，mi，ni為方向余弦。

則有縱、橫向壓阻系數：

(4)

在實際傳感器設計制作過程中，為簡化設計過程，縱、橫兩個方向的應力只使用其中一個。

1.2 惠斯登電橋測壓

前面所說，電阻變化量不易測得，由此通過對電路中輸出電壓的測量進而求出電阻的變化情況。鑒于硅壓傳感器輸出電壓值較小，通過現代擴散工藝，將感壓膜片建立在由4個相同的敏感電阻組成的惠斯登電橋中[4]，結構如圖1所示。

圖1 惠斯登電橋連接方式

圖中，R1、R2、Rr、Rs為4個初始值相同的硅型敏感電阻，當沒有外界應力作用于膜片時，在激勵電壓V0的作用下輸出電壓值為零，當外界應力作用于膜片時，敏感電阻條R1、Rs受到壓應力，電阻變小，R2、Rr受到拉應力，電阻變大，電阻變化量均為ΔR，則輸出電壓V為

(5)

由式(5)可以將對傳感器阻值的變化轉化為易于測量的輸出電壓變化，進而由式(2)可以得到輸出電壓與外界壓力的變化。對系統內部進行簡化可得：

(6)

由式(6)可以看出，假設壓阻系數為定值，則輸出電壓與作用在膜片上的應力成線性關系，在惠斯登橋路中，4個敏感電阻都受到橫向壓力，由于4個電阻具有相同的非線性特性，且非線性在橋路中可以相互抵消，本文采用PTG500/708壓阻式壓力傳感器。

2 智能傳感器總體結構

智能傳感器是把原有的傳感器進行微機化，將微處理器植入到傳感器系統中，并具有電源總線接口和數據總線接口。在分布式控制系統中，智能傳感器完成集中式控制系統中央控制器的低級功能，主要是信號采集、信號傳輸和信號處理等功能。智能傳感器主要包括傳感器、微處理器、電源總線接口和數據總線接口，如圖2所示。其工作過程是傳感器獲得被測物理量信號，該信號進入微處理器進行信號處理，并轉換為數字信號，通過總線完成與中央控制器的通信。

圖2 智能傳感器結構圖

3 智能壓力傳感器硬件電路設計

智能壓力傳感器硬件電路設計原理圖如圖3所示，主要由上電自檢電路、信號處理電路、微處理器DSP以及CAN通訊接口電路組成。

圖3 智能壓力傳感器硬件電路圖

3.1 上電自檢電路

上電自檢功能主要由模擬電子開關MAX319實現，MAX319的工作狀態(tài)由DSP的IOPA0通用I/O引腳控制。當IOPA0輸出低電平時，壓力信號接入電路；當IOPA0輸出高電平時，自檢信號接入電路，與此同時，自檢信號與DSP中的預設值比較，如果相等，則電路正常，如果不相等，DSP將智能壓力傳感器故障信號發(fā)送給中央控制器。

3.2 信號處理電路

信號處理電路主要由AD620完成，AD620是信號放大器芯片，其主要將電壓信號調理至0～3.3 V，然后輸入到DSP中的模擬輸入通道ADC0，完成對壓力信號的處理。

3.3 微處理器

微處理器選擇供電電壓為3.3 V、低功耗的TMS320LF2407A芯片。該DSP芯片具有豐富的內外設功能模塊：數字輸入輸出模塊(I/O)、10位的模數轉換模塊(ADC)以及局域網控制模塊(CAN)等。DSP芯片接收來自信號處理電路的電壓信號，經過模數轉換后通過CAN模塊發(fā)送至CAN通訊電路，完成信號的轉換[5]。

對于壓阻式的壓力傳感器，壓阻效應主要是基于電阻率的變化，而溫度對于電阻率的影響比較大，所以在溫度變化比較大的環(huán)境中需要對測壓過程進行溫度補償。對于智能壓力傳感器，其可以通過DSP接收CAN總線上的智能溫度傳感器發(fā)出的溫度信號，通過文獻[6]提出的插值算法，對智能壓力傳感器的輸出量進行補償，如圖4所示。通過DSP實現溫度補償的方法可以避免復雜的硬件補償電路，同時具有精度高、質量輕等優(yōu)點。

圖4 溫度補償原理圖

3.4 CAN通訊接口電路

CAN通訊收發(fā)電路由PCA82C250模塊完成，該模塊是CAN控制器和CAN物理總線的接口，可以發(fā)送和接收CAN總線上的信號，一方面，將測量的壓力信號轉換為差分電平信號，另一方面，通過總線接收智能溫度傳感器測量的溫度信號發(fā)送給DSP芯片[7]。

4 實驗驗證

為了驗證智能壓力傳感器的測壓效果，采用PTG500/708壓阻式壓力傳感器，本文以設計的智能大氣壓力傳感器為例進行實驗驗證。由于航空發(fā)動機實際工作的環(huán)境在高空，隨著高度上升，大氣壓力不斷下降，同時環(huán)境溫度也會降低。在傳感器測試中，理論大氣壓力取值范圍為(0～1)×105Pa，分別測量0、10、20 ℃時的氣壓值，測量數據如表1所示。

表1 智能大氣壓力傳感器輸出數據采集

圖5 智能壓力傳感器輸出結果

由表1的數據分析可知，相對誤差基本保持在0.2%以下，并且隨著壓力升高，相對誤差有減小的趨勢，隨著溫度的升高，智能壓力傳感器的測量結果基本保持不變，證明了其具有較好的溫度補償效果。圖5為智能壓力傳感器輸出結果。

5 結論

本文設計了一種基于CAN總線的航空發(fā)動機智能壓力傳感器，并基于DSP芯片給出了硬件電路的設計方法，最后通過實驗驗證了其測壓效果。主要成果如下：

(1)提出了一種基于CAN總線的智能傳感器的設計方法，并針對分布式控制系統，設計了CAN通訊程序，使其能夠完成信號采集、處理、傳輸等低級功能，減輕了中央控制器的負載。

(2)通過DSP接收CAN總線上的智能溫度傳感器發(fā)出的溫度信號對智能壓力傳感器的輸出量進行補償，避免了多余的硬件電路設計，可以減輕設備的質量。