某型航空發(fā)動機溫控盒通過熱電偶測量渦輪后溫度，從而保證排氣溫度不超過規(guī)定值。溫控盒是否正常工作直接關(guān)系到發(fā)動機工作安全，需定期檢測。航空兵部隊曾經(jīng)就發(fā)生過因溫控盒故障而導致的飛行事故，因此溫控盒的檢測非常重要。

    溫控盒將噴管中K型熱電偶輸出的熱電動勢值與設定的限制電壓比較來判斷發(fā)動機是否超溫。超溫時，將溫差信號調(diào)制、放大、解調(diào)、功率放大，輸出供油控制信號及座艙內(nèi)告警信號。超過700℃時，輸出一定頻率和占空比的方波信號限制燃油供油量；超過730 ℃時，輸出連續(xù)直流信號停止供油。溫控盒檢測儀的主要任務是模擬熱電偶工作，測量溫控盒輸出的溫控信號是否正確。
    目前已有兩種檢測儀，實際使用情況如下：
    (1)基于單片機。優(yōu)點：成本小。缺點：操作復雜，顯示信息有限，人機交互性能相對不足(熱電偶模擬信號需手動轉(zhuǎn)把手調(diào)節(jié))，精度較低，檢測內(nèi)容的切換需要通過手動開關(guān)完成，可存儲數(shù)據(jù)量小，利用數(shù)碼管顯示信息，無法顯示漢字，查看歷史數(shù)據(jù)不方便。
    (2)基于PC104工業(yè)計算機。優(yōu)點：運行桌面Windows系統(tǒng)，顯示信息多，人機交互性較理想，開發(fā)周期相對較短。缺點：成本太高，體積較大，功耗較大。PC104主板及A/D功能板卡價格都在萬元以上，VGA顯示器體積大，功耗10 W以上。
    這兩種檢測儀都不能很好地滿足實際需求。因此提出了一種基于ARM-WinCE的改進設計方案，該檢測儀結(jié)合了已有兩種方案優(yōu)點，可鼠標操作，顯示信息多，人機交互性好，開發(fā)周期短，體積小，功耗小，且支持觸屏。與原檢測儀設計復雜電路測量熱電偶冷端溫度和手動控制輸出模擬熱電勢信號相比[1]，本文利用DS1820測量冷端溫度，D/A模擬輸出熱電勢信號，縮短了開發(fā)周期與檢測時間，提高了測量精度與實時性，同時降低了成本。
1 檢測儀需求分析
1.1 常遇故障
    常遇故障概括起來就是在一定排氣溫度下，溫控盒輸出錯誤的溫控信號，主要有兩種情況：
    (1)未到限制溫度卻切油、停車、告警，影響飛機飛行性能或造成空中停車；
    (2)超過限制溫度未切油、停車、告警，燒壞發(fā)動機。
1.2 參數(shù)需求分析
    根據(jù)維護規(guī)程規(guī)定，溫控盒需檢測參數(shù)及最大允許誤差如表1。

2 檢測儀總體設計
    首先進行自檢。系統(tǒng)根據(jù)輸入的幅值、頻率和占空比控制D/A輸出對應的方波信號，該信號不經(jīng)溫控盒直接進入檢測儀進行測量，檢測儀通過對比測試結(jié)果與原始輸入來判斷系統(tǒng)是否正常。
    正常檢測時，輸入待檢溫度，系統(tǒng)讀取冷端溫度，根據(jù)熱電偶工作原理，控制D/A輸出熱電勢到溫控盒，溫控盒輸出溫控信號，溫控信號經(jīng)調(diào)理后分為兩路：一路進入I/O端口觸發(fā)中斷，另一路進入A/D采樣。設置中斷觸發(fā)為雙邊沿，則方波信號邊沿到來時觸發(fā)中斷，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入中斷處理進行計時或采樣，完成溫控信號物理量測量，同時實時顯示并保存測量結(jié)果。檢測儀主要由5個模塊組成，如圖1所示。

    (1)電源模塊：主要由電源和分壓電路等組成，提供檢測所需電壓。
    (2)信號調(diào)理模塊：由信號調(diào)理電路與穩(wěn)壓傳感器、模擬開關(guān)等組成，實現(xiàn)A/D、D/A輸入/輸出信號調(diào)理及其他信號通斷控制。
    (3)信號轉(zhuǎn)換模塊：包括激勵信號源和信號測量電路，是完成測量功能、保證測量精度的關(guān)鍵。
    (4)控制模塊：主要由ARM處理器(S3C2440)及外圍芯片組成，檢測流程控制，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)處理，。
    (5)顯示模塊：由支持觸屏的顯示器組成，提供檢測界面并實時顯示檢測結(jié)果。
3 硬件設計
    硬件設計難點主要是激勵信號源，需模擬熱電偶輸出0～80 mV，且最大允許誤差為0.04 mV。
   
3.2 激勵信號源
    激勵信號源主要由DS1820、D/A及調(diào)理電路組成。DS1820測溫范圍為-55 ℃～+125 ℃，精度為0.5 ℃，兼容TTL電平，可直接與處理器進行串行數(shù)據(jù)交互，簡化了冷端溫度測量的問題。D/A選用18位分辨率的AD760，經(jīng)分壓后串行輸出0～80 mV電壓。系統(tǒng)軟件讀取DS1820測得的冷端溫度和用戶輸入的待檢溫度，根據(jù)3.1所示的熱電偶工作原理直接控制D/A向溫控盒輸出一定大小的激勵熱電勢，無需檢測人員手動調(diào)節(jié)。
3.3 溫控信號測量電路
    A/D轉(zhuǎn)換器選用A/D7190。A/D7190是一款適合高精度測量應用的低噪聲完整模擬前端，可直接輸入小信號，具有24位轉(zhuǎn)換，分辨率可達微伏級，能較好地滿足激勵信號檢測的精度要求。
4 檢測儀軟件設計
    軟件是檢測儀設計的核心，負責根據(jù)待測溫度計算激勵信號幅值，并實時測量、顯示溫控信號參數(shù)。軟件開發(fā)主要包括操作系統(tǒng)定制、驅(qū)動程序開發(fā)、應用程序開發(fā)三部分。驅(qū)動程序負責具體數(shù)據(jù)采集；應用程序負責數(shù)據(jù)處理，控制檢測儀工作邏輯，提供人機交互界面，在VS2008中基于MFC開發(fā)。
    ThreadTemp和ThreadData分別表示冷端溫度測量線程與數(shù)據(jù)處理線程，IST為中斷處理線程。正常檢測時，軟件總體流程圖如圖2所示。

4.1 操作系統(tǒng)定制
    檢測儀選用WinCE6.0操作系統(tǒng)， 主要為應用程序提供運行環(huán)境和文件管理，并為檢測人員提供人機交互平臺，簡化操作。WinCE對 Win32API子集的支持使桌面Windows程序開發(fā)經(jīng)驗可直接應用到檢測儀應用程序開發(fā)中，縮短了開發(fā)時間。
    檢測儀操作系統(tǒng)是在Platform Builder軟件中根據(jù)測試需求及硬件特點進行系統(tǒng)組件及相關(guān)信息配置、調(diào)試及編譯定制的ARM_V4I模式操作系統(tǒng)。為支持應用程序，操作系統(tǒng)定制時選擇MFC支持模塊，不選擇檢測所不需要的網(wǎng)絡、串口等模塊以最大限度減少系統(tǒng)大小，提高系統(tǒng)運行速度。
4.2 驅(qū)動程序開發(fā)
    WinCE下驅(qū)動程序采用流式接口驅(qū)動，以用戶態(tài)下DLL形式存在。外設被抽象成一個文件，應用程序通過使用操作系統(tǒng)提供的文件API調(diào)用對應的流式接口函數(shù)來訪問外設，這不同于桌面Windows中直接以函數(shù)名調(diào)用DLL中函數(shù)。流式接口函數(shù)包括xxx_Open()，xxx_Close()，xxx_Init()，xxx_Deinit()，xxx_Read()，xxx_Write()，xxx_IoControl()等12個函數(shù)，其中，xxx為自定義設備名[2]。
    檢測儀驅(qū)動開發(fā)實質(zhì)是在固定的流式接口函數(shù)中實現(xiàn)對硬件部分的具體操作。
4.3 冷端溫度實時測量
    應用程序通過ThreadTemp實現(xiàn)測溫并顯示結(jié)果，完成對冷端溫度的實時測量[3]。DS1820與S3C2440單線連接，關(guān)鍵是保證正確的時序：初始化→ROM操作→存儲器操作→數(shù)據(jù)處理[4]。
4.4 自檢輸出信號及溫控信號測量的實現(xiàn)
    利用TX1100A電位計校準激勵信號源后，控制激勵信號輸出大小對系統(tǒng)進行自檢。自檢時，ARM處理器根據(jù)檢測人指定的占空比、頻率、幅值，控制D/A輸出相同參數(shù)的模擬量，模擬量進入A/D轉(zhuǎn)換實現(xiàn)自檢，自檢時程序的運行如圖3所示。正常檢時，溫控盒輸出溫控信號。檢測結(jié)束后，系統(tǒng)自動以設備編號為標記將結(jié)果分文件夾保存，設備編號統(tǒng)一存儲在文本文檔中，讀寫由系統(tǒng)軟件完成。

    自檢信號及溫控信號的實時測量通過在溫控盒驅(qū)動程序WKH_Open()中創(chuàng)建的IST實現(xiàn)。中斷到來時，IST完成計時或A/D轉(zhuǎn)換。如圖2所示，IST先創(chuàng)建中斷關(guān)聯(lián)事件，然后利用WaitforSingleObject()一直等待；方波信號輸入檢測儀觸發(fā)中斷后，IST轉(zhuǎn)入計時或采樣中斷處理完成測量。
    測量頻率、占空比、幅值的原理如圖4所示。計時之前，先調(diào)用QueryPerformanceFrequency()函數(shù)獲取機器內(nèi)部定時器時鐘頻率a[0]，在連續(xù)的3次邊沿到來時調(diào)用QueryPerformanceCounter()函數(shù)獲得當前計數(shù)值到a[1]、a[2]、a[3]，兩次計數(shù)之差除以時鐘頻率即可得出精確到微秒的間隔時間，開啟A/D轉(zhuǎn)換可得到方波幅值。以duty表示占空比，f表示頻率，則：
    
    測試結(jié)果的實時顯示主要通過ThreadData實現(xiàn)。如圖2所示，在檢測停止前，ThreadData循環(huán)完成獲取IST所測量到數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)的任務。
4.5 數(shù)據(jù)保存與故障分析
    檢測過程中，系統(tǒng)將檢測結(jié)果同時寫入文本文檔中完成對檢測結(jié)果的保存，檢測人員以后可在不運行測試軟件的情況下直接查看歷史數(shù)據(jù)。故障出現(xiàn)時，系統(tǒng)查詢故障數(shù)據(jù)庫，提示檢測人員可能的故障結(jié)果。
5 檢測結(jié)果及分析
    以幅值(mV)、頻率(Hz)、占空比為一組數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自檢結(jié)果如表2所示。其中誤差取3次測量中所出現(xiàn)的最大誤差。

    由表2可得，測得數(shù)據(jù)誤差均在表1所示范圍內(nèi)。分析數(shù)據(jù)可得以下3點：
    (1)幅值誤差穩(wěn)定在0.010 mV～0.020 mV之間，比較理想。
    (2)頻率為5 Hz、6 Hz或8 Hz時，頻率誤差均小于0.02 mV，占空比誤差不超過0.1%。
    (3)頻率達到20 Hz時，誤差開始大于0.1 Hz；頻率達到80 Hz時，會出現(xiàn)結(jié)果未顯示或占空比為0.0%。
    調(diào)試發(fā)現(xiàn)，輸入信號為80 Hz、占空比出現(xiàn)0.0%時，a[2]=0。其原因為ARM不支持同級嵌套[5]，系統(tǒng)響應第1次中斷時，將中斷屏蔽器相應位置1，80 Hz中斷間隔相對較短，第1次中斷未處理完時，第2次中斷到來，中斷請求未被服務，a[2]=0，由式(4)，高電平時間為0，故占空比出現(xiàn)0.0%。而第3次中斷可被服務，a[3]值正確，頻率正確。
    結(jié)果未顯示的原因是數(shù)據(jù)線程中消息響應函數(shù)的算法繁瑣，消耗時間過長，數(shù)據(jù)未正常顯示。簡化算法后，結(jié)果可正常顯示。
    由表1，溫控盒輸出溫控信號頻率為5～8 Hz，在此范圍內(nèi)，采用圖4方法檢測出誤差在規(guī)定范圍之內(nèi)。增大輸入頻率再進行測試，以測量10次內(nèi)有無出現(xiàn)結(jié)果不正常顯示來進行統(tǒng)計，結(jié)果如表3所示。表3中，當頻率較高(大于80 Hz)時，圖4中連續(xù)計時或采樣的測量方法將難以實現(xiàn)測量功能，需間隔采樣，結(jié)合中斷計數(shù)計算方波物理量，以提高測量精度，但測量實時性減弱。

    本文設計的檢測儀已通過部隊實際應用，作為內(nèi)場離位檢測設備，具有精度高、檢測時間短等優(yōu)點，有效地保障了航空兵部隊的作戰(zhàn)和訓練任務。設計思想和工程實現(xiàn)方法對于低頻方波信號的物理量實時檢測具有借鑒意義。加上蓄電池電源后，可以拓展為各種體積小、重量輕、功耗低的內(nèi)外場便攜式檢測設備，具有一定的推廣前景。
參考文獻
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