基于MSP430和ST16C554的JetCat發(fā)動機監(jiān)測控制器設(shè)計

李 偉，陳 迪，胡 強

(中國航天空氣動力技術(shù)研究院，北京 100074)

JetCat系列發(fā)動機是目前航模領(lǐng)域采用較多的一款渦噴發(fā)動機。每套JetCat P200發(fā)動機系統(tǒng)包括1個P200發(fā)動機、1個發(fā)動機控制單元(ECU)、1個LED指示板、1個地面支持單元(GSU)、2個電磁閥和2個壓力傳感器。本文介紹的發(fā)動機監(jiān)測控制器需要同時監(jiān)測并控制3臺P200發(fā)動機為某型飛行器提供4～65 Kgf的動力，3臺發(fā)動機按照正三角形的方式排列，即正三角型的每個角固定一臺發(fā)動機。該型發(fā)動機監(jiān)測控制器需要監(jiān)測每臺發(fā)動機的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)并根據(jù)轉(zhuǎn)速/推力曲線控制3臺發(fā)動機轉(zhuǎn)速以保持推力均衡，同時把監(jiān)測到的推力數(shù)據(jù)和其他發(fā)動機數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到飛行器的飛行控制計算機用于飛行控制計算機控制飛行器飛行。

1 系統(tǒng)原理

由于JetCat P200系列發(fā)動機主要應用于航模領(lǐng)域，發(fā)動機的控制模式主要為ECU解算來自RC接收機的2組PWM控制信號(THR和AUX)，同時發(fā)動機的只能通過地面支持單元(GSU)或通過計算機上的專用監(jiān)控軟件進行設(shè)置和對參數(shù)進行監(jiān)測。發(fā)動機的ECU與地面支持單元和計算機的通訊方式為TTL電平的RS232串行通信。因此該型發(fā)動機監(jiān)測控制器要想同時控制和監(jiān)測3臺發(fā)動機并把參數(shù)反饋給飛行控制計算機，必須具備輸出6路PWM控制信號的能力用以控制發(fā)動機，同時具備4路RS232串行通信接口以便同時與3臺發(fā)動機和飛行控制計算機進行通信。動力系統(tǒng)組成原理圖如圖1所示。

2 監(jiān)測控制器設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計

根據(jù)對該型發(fā)動機監(jiān)測控制器進行的需求分析，選定MSP430F149作為監(jiān)測控制器的控制核心。MSP430F149芯片是美國TI公司推出的超低功耗微處理器，是1款16位的單片機，具有獨立16位硬件乘法器，帶有2個串行通信接口，其16位定時器支持 PWM輸出。同時還選定ST16C554DCJ68作為串口擴展芯片，以滿足監(jiān)測控制器的4路串口通訊的需求。ST16C554是美國XREXAR公司生產(chǎn)的通用異步通信芯片，其與Intel8250兼容，是常用的串口擴展芯片。含有4個增強型16C550。支持FIFO模式，每個發(fā)送器和接收器都帶有16字節(jié)的FIFO緩沖器。

ST16C554D與Intel8250兼容，因此其內(nèi)部寄存器分布和設(shè)置與Intel8250類似。ST16C554D有16模式和68模式2種，本設(shè)計中選擇68模式。該模式下需要用到的管腳如下:讀寫信號控制線R/-W，低電平有效，該信號線僅在68模式下啟用。控制寄存器選擇線A0～A2，可理解為寄存器地址線，能夠選擇的寄存器有接收寄存器 RHR、發(fā)送寄存器THR、中斷使能寄存器IER、FIFO控制寄存器FCR、中斷狀態(tài)寄存器ISR，行控制寄存起LCR、行狀態(tài)寄存器LSR、波特率設(shè)置寄存器DLL和DLM等。串口選擇線A3～A4，可選擇4路串口。使能信號線-CS，低電平有效，控制4個UART AD的使能狀態(tài)。中斷請求線-IRQ，在68模式下，來自4個UART A-D的中斷是“Wire-OR”的關(guān)系，該管腳必須接一上拉電阻與VCC相連。復位信號線-RESET，在68模式下為低電平有效，觸發(fā)時會清空內(nèi)部寄存器和所有輸出，在RESET期間，發(fā)送器和接收器將被禁用。

圖1 動力系統(tǒng)組成原理

MSP430F149與ST16C554D連接原理圖如圖2所示。

圖2 MSP430F149與ST16C554D連接原理

由于MSP430F149的定時器具有捕獲/比較和輸出PWM波的功能，因此可通過MSP430F149直接產(chǎn)生PWM脈沖波形，同時由于MSP430F149是3.3 V電平的邏輯系統(tǒng)，而Jet-Cat P200發(fā)動機ECU的PWM接收器是5 V電平的邏輯系統(tǒng)，因此需要進行電平轉(zhuǎn)換，同時為了加強PWM脈沖的驅(qū)動能力以增加整個發(fā)動機系統(tǒng)的抗干擾能力，在MSP430F149后增加了電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC07，它的每路通道使用一個漏極開路緩沖器，在實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換功能的同時增加了驅(qū)動能力。MSP430F149與ECU的PWM接收器連接原理圖如圖3所示。

圖3 MSP430F149與ECU的PWM接收器連接原理

2.2 軟件設(shè)計

JetCat P200發(fā)動機監(jiān)測控制器軟件設(shè)計主要可分為2個部分，一個部分的主要功能是通過ST16C554擴展的串口對3路發(fā)動機的串口數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和解算，并把數(shù)據(jù)發(fā)送給飛行控制計算機。另一個部分的主要功能是根據(jù)解算出來的發(fā)動機轉(zhuǎn)速結(jié)合試驗測得的轉(zhuǎn)速-推力曲線通過調(diào)節(jié)PWM波控制發(fā)動機油門對發(fā)動機的推力進行控制，以滿足飛行控制計算機的要求。

通過ST16C554進行串口擴展主要是通過對其內(nèi)的各個寄存器如接收寄存器RHR、發(fā)送寄存器THR、中斷使能寄存器IER、FIFO控制寄存器FCR等進行設(shè)置和讀/寫操作來實現(xiàn)，這部分功能與在DOS下對Intel8250進行C語言編程時類似，需要注意的是在編寫底層讀/寫驅(qū)動時的各個操作的時序要考慮好。具體讀/寫驅(qū)動的編寫以讀操作為例其流程如圖4所示。

圖4 讀操作流程

通過對JetCat發(fā)動機進行測試發(fā)現(xiàn)其ECU的通訊方式為應答式，即上位機如地面支持單元(GSU)發(fā)送查詢命令，ECU回告相應的參數(shù)信息。通訊的編碼格式為ASCII，主要的查詢命令有以下 2 種:“1，RFI，0”和“1，RAC，1”。通過這2個命令可以查詢到發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、缸溫、電池電壓等信息。如發(fā)送“1，RFI，0”命令后 ECU 將會回告“1，HS，OK，0，500，0，6.93，87”其中的“6.93”即為當前電池電壓。根據(jù)ST16C554的特點結(jié)合JetCat發(fā)動機ECU的通訊方式，設(shè)計該型發(fā)動機監(jiān)測控制器與ECU的通訊模式為以一定時間為周期，對3臺發(fā)動機分別發(fā)送查詢命令，并把解算后的信息傳送給飛行控制計算機。具體通訊程序流程如圖5所示。

由于采用3臺發(fā)動機按正三角形進行排列，即三角型的每個角固定一臺發(fā)動機，因此要保證推力盡量靠近中心，需要使3臺發(fā)動機的推力盡可能的接近。由于只在低空飛行該型渦噴發(fā)動機的推力主要決定因素為轉(zhuǎn)速，因此設(shè)計時首先測量了3臺發(fā)動機的推力與轉(zhuǎn)速曲線，同時油門以10%為步進進行調(diào)節(jié)，測定發(fā)動機發(fā)生變化后的穩(wěn)定時間，由于發(fā)動機油門每變化10%的穩(wěn)定時間是隨著油門的增加而逐漸減小，且比例接近線性關(guān)系，因此最后決定采用PI控制調(diào)節(jié)3臺發(fā)動機的油門以保證3臺發(fā)動機的推力相近。轉(zhuǎn)速與油門的模型如圖6所示。

圖5 通訊程序流程

圖6 轉(zhuǎn)速與油門的模型

3 結(jié)束語

本文基于MSP430F149和ST16C554設(shè)計了一型針對3臺JetCat P200型小型渦噴發(fā)動機的監(jiān)測控制器。該型監(jiān)測控制器通過大量前期試驗測得發(fā)動機ECU的通信協(xié)議以及推力和轉(zhuǎn)速曲線，很好的實現(xiàn)了同時對3臺發(fā)動機進行監(jiān)測并協(xié)調(diào)控制的功能，為飛行控制計算機控制飛行提供了有力的保證。

［1］董燕飛.基于MSP430的直流電機PWM調(diào)速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.煤礦機械，2010，31(6)：206-208.

［2］邵春聲.TL16C6554和DSP的串行通訊［J］.四川工業(yè)學院學報，2004(S1)：43-45.

［3］王少卿，汪仁煌.低功耗MSP430單片機在3V與5V混合系統(tǒng)中的邏輯接口技術(shù)［J］.電子技術(shù)應用，2008，34(8)：85-86.

［4］周玉成，劉軍，趙亮.一種高效多串口擴展方法［J］.木材工業(yè)，2004，18(5)：18-20.

［5］楊名龍，劉泉，艾青松.基于MCU與虛擬儀器的腦電信號采集系統(tǒng)［J］.武漢理工大學學報，2011(7)：152-156.