便攜式發動機油壓數據采集系統的設計與實現

孫景濤，胡永紅

（西北工業大學 第365研究所，陜西 西安 710065）

發動機是無人機的動力核心，其工作穩定性直接影響無人機的空中飛行安全[1]，定期對發動機參數進行測試是保證飛機發動機性能的正常發揮和飛行安全的必要手段[2]。因此，為確保發動機研制、生產、調試及檢驗過程中對發動機工況的實時監控，必需研發一種便攜式發動機綜合數據采集系統，以便對發動機的油壓、缸溫以及燃油流量等參數進行實時監控，以保證在發動機研制、生產、調試、檢驗與使用過程中實行量化監控、快速檢驗故障并實施故障定位，便于操作人員和調試人員對發動機的工作狀態實時掌控，確保將發動機調至最佳狀態。

在發動機的這些參數中，對油壓數據的準確采集至關重要，發動機燃油供給系統的油壓高低直接影響燃油噴射的精確性，從而影響發動機的工作性能[3]。因此，發動機油壓數據采集系統是發動機綜合數據采集系統的重要組成部分。

1 系統概述

發動機油壓數據采集系統，主要是對發動機燃油壓力數據進行實時采集、顯示與存儲，由壓力信號采集電路板和手持計算機組成。其中壓力信號采集電路板完成油壓數據采集、A/D轉換和串口收發功能；手持計算機完成系統自檢、數據顯示和數據存儲功能。在實際使用中，將壓力信號采集電路板和壓力傳感器安裝在測量盒內，通過電纜和手持計算機相連。壓力信號采集原理框圖如圖1所示。由圖可見：首先將壓力傳感器產生的電流信號通過精密電阻轉換為電壓信號，然后將該電壓信號經過放大濾波處理后送給C8051F005型單片機，最后在單片機內完成A/D轉換并采用RS232串口通信方式發送給手持計算機，實現數據傳輸、顯示和保存功能。

2 工作原理

壓力信號采集原理框圖如圖1所示。

圖1 壓力信號采集原理框圖Fig.1 The principle diagram of pressure signal acquisition

其中，壓力傳感器采用國產的MPM430型微壓變送器[4]，其輸出電流范圍為4～20 mA，壓力傳感器的供電由壓力信號采集電路板提供。發動機油壓測量范圍為5～15 kPa，壓力傳感器產生的電流信號經過精密電阻R后，電流信號就轉換為電壓信號，再經過濾波放大后轉換為適合單片機A/D輸入范圍的電壓U，在單片機內完成A/D轉換，A/D轉換后的數據以X表示，則有：

將A/D轉換后的數據X通過串口送給手持計算機。手持計算機需要將串口數據轉化為油壓值P顯示出來，由于壓力和電流信號之間是線性關系，所以，只要測量出兩組壓力和串口數據的對應值，利用公式：

可以解算出a和b，從而將串口數據轉換為油壓值。

設計油壓數據采集系統的關鍵技術是壓力信號采集電路設計及C8051F005單片機系統軟硬件設計。

3 硬件電路設計

3.1 壓力信號采集電路設計

壓力信號采集電路主要完成將壓力傳感器產生的電流信號轉換為電壓信號，并將之經過濾波和放大后送給下一級電路處理，所以這部分電路是整個油壓采集系統設計的基礎，直接決定了壓力測量的精度。壓力信號采集電路主要由運算放大器及其外圍電路組成，主要完成電流/電壓轉換和濾除噪聲的功能，其電路原理圖如圖3所示。

圖2 油壓采集電路原理圖Fig.2 The circuit principle diagram of oil pressure acquisition

如圖所示：信號輸入in為壓力傳感器產生的電流信號，經過精密電阻R1后轉換為電壓信號，然后通過濾波、放大后送給單片機。為了保證在全溫度范圍工作時的測量精度，圖中電阻R1必須為精度高、溫度特性好的精密電阻，濾波電路中的所有電阻電容也要選擇溫度特性好的器件。

3.2 C8051F005單片機系統硬件設計

根據系統設計要求，還要將采集到的模擬電壓型的壓力信號轉換成數字信號，并通過串口送給手持計算機顯示。選擇低功耗C8051F005型單片機作為A/D轉換和串口通信的核心芯片。

本工程采用BIM技術對核心筒爬模工具進行了建模并與實體結構模型進行了整合，確定了各專業與爬模的碰撞，并模擬人員行走和疏散路線（見圖23～圖25）。

3.2.1 C8051F005單片機原理

Silicon公司的C8051F005單片機集成在一塊芯片上的混合信號系統級單片機，是真正能獨立工作的片上系統[5]。具有與MCS－51系列單片機完全兼容的高速CIP－51內核；峰值速度可達25MIPS；在一個芯片內集成了構成一個單片機數據采集或控制系統所需要的幾乎所有模擬和數字外設及其他功能部件（包括 PGA、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、UART、SPI、定時器、可編程計數器/定時器陣列等）；具有大容量的FLASH存儲器[6]。

3.2.2 C8051F005單片機硬件配置電路

C8051F005單片機的硬件配置電路如圖3所示。為提高A/D轉換的精度，ADC的參考電壓不使用內部參考電壓，而是由外部高精度電壓源來做為外部參考電壓。

在使用時需要注意：盡管RST引腳在內部有弱上拉，但最好還要提供一個外部上拉，并對RST引腳去耦以防止強噪聲引起復位。如圖3所示，在RST引腳加一個10 kΩ的上拉電阻和0.1μF的去耦電容。

將壓力信號采集電路輸出的兩路模擬電壓型油壓信號送到C8051F005單片機的ADC模擬輸入管腳AIN0和AIN1，經過A/D轉換后通過串口發送給手持計算機。

3.2.3 串口通信電路設計

串口通信采用RS232串口收發芯片ADM3202，采用單+3.3 V電源供電，僅需外接幾個電容即可完成從LVTTL電平到RS－232電平的轉換，其硬件配置圖如圖4所示。圖中，RX_in為手持計算機所發送的自檢指令，TXin是單片機所發的油壓數據。

4 軟件設計

C8051F005的軟件設計包括芯片配置、A/D轉換軟件設計、定時器設計和RS232串口通信軟件設計。軟件設計的整體流程如圖5所示。由圖5可見，主程序開始后，需要先對C8051F005單片機進行初始化，這主要包括振蕩器和I/O端口初始化，初始化完成后，單片機就可以正常工作。然后再調用3個功能子程序：定時器中斷子程序、A/D轉換子程序和串口通信子程序。

4.1 芯片配置

為了正確的使用C8051F005單片機，必須對其進行正確的配置，主要包括配置振蕩器、配置端口I/O的工作方式和配置端口I/O的交叉開關譯碼器。

1）配置振蕩器。主要是配置內部振蕩器控制寄存器OSCICN和外部振蕩器控制寄存器OSCXCN，等待1 ms后如果晶體振蕩器穩定標志位有效，則時鐘正常，可以開始執行程序。

2）配置端口I/O的工作方式。I/O口的工作方式有漏極開路和推挽兩種方式，可通過對端口配置寄存器置1的方式將相應的端口設為推挽方式。

3）配置端口I/O的交叉開關譯碼器。由于需要完成串口通信，所以要對I/O口的交叉開關譯碼器進行配置，也就是將P0.0連到TX，將P0.1連到RX。

4.2 A/D轉換軟件設計

圖3 C8051F005硬件配置圖Fig.3 Hardware configuration diagram of C8051F005

圖4 ADM3202硬件配置圖Fig.4 Hardware configuration diagram of ADM3202

圖5 軟件設計流程圖Fig.5 Flow chart the software design

C8051F005可以分時完成外部8路A/D轉換，ADC子系統包括一個9通道的可配置模擬多路開關（AMUX），一個可編程增益放大器和一個100 ksps、12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC中還集成有跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器。

A/D的轉換過程依據C8051F005單片機的A/D轉換時序圖。由圖6可見，在進行A/D轉換前需對ADC進行初始化，這主要包括配置ADC的輸入方式為單端還是雙端、配置AMUX配置寄存器AMX0CF、配置AMUX通道選擇寄存器AMUX0SL、配置 ADC配置寄存器 ADC0CF、配置ADC控制寄存器ADC0CN，對ADC正確初始化后就可以啟動A/D轉換，等到A/D轉換完成后，將轉換出的數據放入設定的數據緩沖區，供其他子程序調用。

圖6 A/D轉換流程圖Fig.6 Flow chart of A/D transformation converter

4.3 定時器設計

C8051F005內部有4個定時/計數器，這里采用定時器3，采用自動重裝載方式，每25 ms產生一個定時器中斷，其中斷向量為73 H。先配置時鐘控制寄存器CKCON，使定時器使用系統時鐘，在清定時器3的溢出標志后向寄存器TMR3RLL和TMR3RLH寫入初始值。

4.4 串口通信軟件設計

串口通信軟件設計包括串行口初始化子程序和串口發送子程序，其中串口發送采用查詢方式，其流程圖如圖7所示。

圖7 串口發送流程圖Fig.7 Flow chart of serial port sending

串口初始化主要包括配置寄存器SCON、CKON和SMOD；定時器置初值；啟動定時器。串口發送的主要流程是先將數據長度和數據緩沖區的首地址分別送給寄存器R0和R1，然后將數據緩沖區的數據送到SBUF，然后開始發數。由于單片機的串口是按字節來操作的，所以必須等到發送一個字節結束后，再發送下一個字節，直到把數據緩沖區的數據全部發送出去為止。

5 結 論

便攜式發動機油壓數據采集系統作為無人機發動機生產、調試、使用過程中所需的配套產品，具備參數精準測量、測量數據實時顯示和數據記錄功能，并具備便攜式的優點。這就避免了以往無法量化和保留現場數據以供后期分析等方面的缺陷，擺脫了發動機調試必須由專業設計人員靠經驗來進行調試的傳統模式，徹底解放了發動機設計人員，使用戶或調試人員可以通過該設備實時監控發動機狀態并將發動機調至良好的最終使用狀態。

該發動機油壓測量系統已經通過了系統聯調和產品定型鑒定，其各項指標在全溫度范圍內均達到了研制要求，其中測量精度可達滿量程的±2%，同時設備運行穩定可靠，目前已作為發動機的配套產品裝備在某型號無人機中。

[1]HU Yong-hong，WU Peng，WAN Wei.Design for PDA in Portable Teseing System of UAV’s Engine Based on Wince.Communications in Computer and Information Science，2011.

[2]李罡，祝剛，陳矛，等.某型發動機性能參數測試系統的實現[J].計算機測量與控制，2007，15（7）:860-862.LI Gang，ZHU Gang，CHEN Mao，et al.Implementation of new performance parameter testing system of an engine[J].Computer Measurement&Control，2007，15（7）:860-862.

[3]包壽紅.發動機燃油供給系統對燃油表的影響[J].汽車電器，2008（6）:10-14.BAO Shou-hong.Influence to fuel gauge of engine fuel supply system[J].Auto Electric Parts，2008（6）:10-14.

[4]MPM430型微壓壓力變送器產品使用說明書.V8.0[S].陜西：麥克公司，2009.

[5]孫文義，王興濤.基于C8051F005單片機的單燈控制器的設計[J].儀器儀表學報，2005，26（8）:32-36.SUN Wen-yi，WANGXing-tao.A single-lamp controller based on C8051F005[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2005，26（8）:32-36.

[6]潘琢金.C8051F005混合信號ISP FLASH微控制器數據手冊[S].深圳：新華電子有限公司，2005.