一种航空发动机智能温度传感器系统技术方案

本发明专利技术公开一种航空发动机智能温度传感器系统，其由信号采集及处理模块、微处理器模块、通信模块以及附属电路模块组成。信号采集及处理模块实现基于热电阻的温度模拟信号采集和对温度模拟信号的放大、滤波以及模数转换处理；微处理器模块采用ZYNQ作为核心计算单元，实现温度信号的AD采集、量纲变换以及为智能温度传感器的故障诊断和数据通信提供必要的硬件资源。通信模块采用高实时性的TTP/C总线。本发明专利技术采用双余度设计方案，系统可靠性高；模块化设计，使用维护方便；采用高性能处理器，系统响应快、容错能力强；设计基于FPGA的通信模块，数据传输实时性好、总线利用率高，满足航空发动机对温度信号智能感知的需求。空发动机对温度信号智能感知的需求。空发动机对温度信号智能感知的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种航空发动机智能温度传感器系统


[0001]本专利技术涉及一种航空发动机智能温度传感器系统，其属于航空发动机控制领域。
技术背景
[0002]航空发动机的工作环境极为恶劣，同时对航空发动机工作稳定性要求也极为严苛。温度作为航空发动机工作过程中需监视的重要参数之一，反映了航空发动机工作过程的性能以及自身健康状况等信息。
[0003]传统的温度传感器仅仅用于温度的采集，单一的功能已无法满足新一代航空发动机对传感器的功能需求。智能温度传感器在传统温度传感器已有功能的基础之上，加入微处理器等元件，可以对于传感器自身健康状态、数据的可靠性进行判断，同时实现多传感器节点、执行机构以及中央控制器间的数据传输与融合。智能温度传感器实现数据的本地计算处理以及存储，减少中央控制器的数据处理任务，从而提升航空发动机控制系统的工作可靠性以及响应速度。
[0004]考虑到航空发动机对智能温度传感器系统的可靠性、小型化以及轻量化要求，微处理器需要在具备丰富的逻辑资源的同时，做到小型化处理，以满足设计需求。
[0005]在系统通信层面，国内应用较多的是CAN总线，其成熟度较高、配置灵活性较好。但同时其具备数据传输速率低，运行中容错率低，实时性差的劣势，无法满足未来的控制系统需求。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，基于高智能化、高精度，减小体积、重量的迫切需求，提供一种航空发动机智能温度传感器系统，用于航空发动机分布式控制系统研究应用。
[0007]本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种航空发动机智能温度传感器系统，其设计方案包括如下步骤：
[0009]步骤1、智能温度传感器总体构架设计：
[0010]智能温度传感器系统由信号采集及处理模块、微处理器模块、通信模块和附属电路模块组成。
[0011]信号采集及处理模块包括温度模拟信号采集单元和温度模拟信号处理单元两部分；温度模拟信号采集单元由Pt100热电阻组成，实现温度信号到电信号的转换；温度模拟信号处理单元由温度模拟信号调理电路及模数转换电路组成，实现对温度模拟信号的放大、滤波以及模数转换；经过处理后的温度信号为二进制数字信号，后经串行总线进入微处理器模块。
[0012]微处理器模块采用集成ARM和FPGA于一体的高性能ZYNQ 7020芯片，其分别与信号采集及处理模块、通信模块以及附属电路模块连接，用于对温度信号的AD采集、量纲变换、故障诊断以及作为数据通信的控制单元，是整个系统的核心。
[0013]通信模块由TTP/C协议控制器组成，该控制器通过并行总线与微处理器模块连接，数据经过微处理器处理计算后被发送至TTP/C协议控制器上，再按照消息描述调度表的调度安排有序发送至TTP/C总线上。
[0014]附属电路模块主要包括电源模块单元、晶振时钟单元以及程序存储单元。电源模块单元分别与信号采集及处理模块、微处理器模块和通信模块连接，为这三个模块提供所需的电能。时钟晶振单元分别与微处理器模块和通信模块连接，为二者提供触发时钟。程序存储单元分别与微处理器模块和通信模块连接，用于存储二者的启动和调度程序。
[0015]步骤2、智能温度传感器信号采集及处理模块设计：
[0016]步骤2.1、温度信号采集电路设计。采用Pt100热电阻作为温度信号感受件，将Pt100热电阻与阻值精度高于
±
0.01％、温度系数低于+50ppm/℃的高温电阻串联，采用四线制、恒流源供电方案，激励电流由ADC供给，并设置为1mA；热电阻与精密高温电阻两端的电压经过放大、滤波后分别作为ADC的采集端和参考端输入。
[0017]步骤2.2、温度信号放大电路设计。信号放大选用INA128仪表放大器：
[0018][0019]其中G为放大倍数，R为放大器外接电阻值。
[0020]步骤2.3、温度信号滤波电路设计。采用二阶有源低通滤波方案，设计二阶有源低通滤波器，滤波器的传递函数为：
[0021][0022]其中U
o
(s)、U
i
(s)分别是经过拉普拉斯变换后的输出和输入信号，s为复数域的复数变量，K为滤波器的通带增益，w为特征角频率，q为品质系数，它们的表达式为：
[0023][0024][0025][0026]上式中，R1、R2、R3、R4为所设计滤波器的阻抗，C1、C2为所设计滤波器容抗。
[0027]步骤2.4、模数转换电路设计。选用ADI公司的AD7793芯片作为模数转换元器件，其将温度模拟信号转换为对应的二进制数字信号。具体转换操作步骤为：
[0028]步骤2.4.1、往ADC中连续写入32个逻辑1，复位芯片；
[0029]步骤2.4.2、往ADC中写入0x28，选择IO寄存器，再写入0x03，配置激励电流为1mA；
[0030]步骤2.4.3、往ADC中写入0x10，选择配置寄存器，再连续写入两个0x10，配置ADC为单极性、无偏置电压、增益为1及选择AIN1缓冲模式；
[0031]步骤2.4.4、往ADC中写入0x08，选择模式寄存器，再分别写入0x80和0x02，将ADC内部配置为零电平校准；
[0032]步骤2.4.5、往ADC中写入0x08，选择模式寄存器，再分别写入0xA0和0x02，将ADC内部配置为满量程校准；
[0033]步骤2.4.6、往ADC中写入0x08，选择模式寄存器，再分别写入0x00和0x02，将ADC配置为数据连续读取模式；
[0034]步骤2.4.7、往ADC中写入0x58，选择数据寄存器，接着微处理器读取该寄存器中的数值。
[0035]上述步骤针对AIN1单通道，AIN2采集通道只需将配置寄存器中选择AIN2缓冲模式即可，其余步骤相同。
[0036]步骤3、智能温度传感器微处理器模块设计：
[0037]微处理器模块选用赛灵思公司的ZYNQ 7020芯片作为核心计算单元，该芯片采用ARM+FPGA架构设计。芯片中ARM部分用于信号的量纲变换和故障诊断，FPGA部分用于信号的AD采集和TTP/C总线通信。微处理器通过串行总线与ADC相连接，通过并行总线与TTP/C协议控制器相连接，信号的处理过程如下步骤所述：
[0038]步骤3.1、利用ZYNQ的GPIO管脚采集由AD7793芯片输出的数字信号，信号为串行方式输入，并通过ZYNQ 7020内部的AXI总线，实现信号由FPGA端到ARM端的传输。
[0039]步骤3.2、ARM端对所接收的信号进行计算处理，包括温度信号的量纲变换和故障诊断两部分。
[0040]步骤3.2.1、温度信号量纲变换。首先ARM对所接守到信号的数值按以下公式计算出热电阻的阻值大小：
[0041][0042]其中，M为ADC的译码值，N为ADC满量程值，K为温度模拟信号放大倍数，r和R分别代表热电阻阻值和精密高温电阻阻值。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航空发动机智能温度传感器系统，其特征在于，包括信号采集及处理模块、微处理器模块、通信模块以及附属电路模块；所述信号采集及处理模块包括温度模拟信号采集单元和温度模拟信号处理单元；温度模拟信号用于实现温度模拟信号的采集；温度模拟信号处理单元由温度模拟信号调理电路及模数转换电路组成，温度模拟信号调理电路包括温度信号放大电路和温度信号滤波电路和模数转换电路，用于实现对温度模拟信号的放大、滤波以及模数转换；经过处理后的温度信号经串行总线进入微处理器模块；所述微处理器模块分别与信号采集及处理模块、通信模块以及附属电路模块连接，用于温度信号的AD采集、量纲变换、故障诊断和数据通信；所述通信模块由TTP/C协议控制器组成，该控制器通过并行总线与微处理器模块连接，数据经过微处理器处理计算后被发送至TTP/C协议控制器上，再按照消息描述调度表的调度安排有序发送至TTP/C总线上；所述附属电路模块用于为信号采集及处理模块、微处理器模块和通信模块连接提供电能，为微处理器模块和通信模块提供触发时钟，并用于存储微处理器模块和通信模块的启动和调度程序。2.根据权利要求1所述的一种航空发动机智能温度传感器系统，其特征在于，所述温度模拟信号采集单元采用Pt100热电阻作为温度信号感受件，将Pt100热电阻与阻值精度高于
±
0.01％、温度系数低于+50ppm/℃的高温电阻串联，采用四线制、恒流源供电方案，激励电流由ADC供给，并设置为1mA；热电阻与精密高温电阻两端的电压经过放大、滤波后分别作为ADC的采集端和参考端输入。3.根据权利要求1所述的一种航空发动机智能温度传感器系统，其特征在于，所述温度信号放大电路选用INA128仪表放大器：其中G为放大倍数，R为放大器外接电阻值。4.根据权利要求1所述的一种航空发动机智能温度传感器系统，其特征在于，所述温度信号滤波电路采用二阶有源低通滤波方案，设计二阶有源低通滤波器，滤波器的传递函数为：其中U
o
(s)、U
i
(s)分别是经过拉普拉斯变换后的输出和输入信号，s为复数域的复数变量，K为滤波器的通带增益，w为特征角频率，q为品质系数，表达式为：量，K为滤波器的通带增益，w为特征角频率，q为品质系数，表达式为：
上式中，R1、R2、R3、R4为所设计滤波器的阻抗，C1、C2为所设计滤波器容抗。5.根据权利要求1所述的一种航空发动机智能温度传感器系统，其特征在于，所述模数转换电路选用ADI公司的AD7793芯片作为模数转换元器件，其将温度模拟信号转换为对应的二进制数字信号，具体转换操作步骤为：步骤5.1、往ADC中连续写入32个逻辑1，复位芯片；步骤5.2、往ADC中写入0x28，选择IO寄存器，再写入0x03，配置激励电流为1mA；步骤5.3、往ADC中写入0x10，选择配置寄存器，再连续写入两个0x10，配置ADC为单极性、无偏置电压、增益为1及选择AIN1缓冲模式；步骤5.4、往ADC中写入0x08，选择模式寄存器，再分别写入0x80和0x02，将ADC内部配置为零电平校准；步骤5.5、往ADC中写入0x08，选择模式寄存器，再分别写入0xA0和0x02，将ADC内部配置为满量程校准；步骤5.6、往ADC中写入0x08，选择模式寄存器，再分别写入0x00和0x02，将ADC配置为数据连续读取模式；步骤5.7、往ADC中写入0...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘慕绚，吴明，郑天翔，王杨婧，黄金泉，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：