基于單片機的氣壓檢測系統的設計

馬玉瓊

(滄州師范學院 機械與電氣工程學院，河北 滄州 061001)

圖1　系統硬件框圖

以前我國都采用國外進口的全靜壓系統原位檢測儀對飛行器進行氣壓檢測.這些檢測儀是70年代研制的通用設備，用途單一，不能滿足機上多種儀表及傳感器的檢測，不能定量進行性能檢測[1-3].隨著傳感器智能化技術的發展，函數鏈神經網絡(FLANN)和數據融合技術引入后實現了傳感器的非線性校正和溫度補償[4-6].以單片機為核心，構建了檢測系統.基于此方法研制的氣壓檢測裝置功能和精度大大提高.

1　檢測系統硬件

系統硬件部分框圖如圖1.它是由電源部分、壓力傳感器部分、嵌入式微處理機系統、真空壓力泵單元以及氣路及控制組合開關等5部分組成，其中嵌入式微處理系統組成，如圖2.當壓力傳感器感受外界壓力，經過頻/數(F/D)轉換和模/數(A/D)轉換，其結果由主微處理器進行采集，經過解算、補償修正濾波，其結果經顯示接口交付顯示，同時，通過通訊處理器的同步接口進行數據和下傳命令的數據同步，對于觸摸鍵盤接口的采集和數據的采集也由主處理器進行，使用戶可通過鍵盤來改變顯示內容、數據解算方式、儀器運行狀態等.通訊處理器用于實現RS-232通訊接口功能，可選的IEFE-488儀用(GP1B)總線接口功能，可選的配置打印機接口功能，它一方面可將數據通過接口向上進行傳輸，一方面可接受下傳的信息.

圖2　微處理器系統框圖

1.1　處理器單元[7-8]

主處理器選用MCS-51單片機系列8031構成了最小應用系統.片外擴展存儲器選用一片27512(64K*8)EPROM和一片6264(8K*8)RAM作為程序存儲器及數據存儲器.采用一片ATMEL公司的ATF16V8 PLD器件設計地址譯碼器，實現了傳統設計方法需多片或多級譯碼才能完成的功能.

通訊處理器采用了MCS-51單片機系列8751[9-11]，用于實現RS-232通訊接口功能、IEEE-488儀用(GPIB)總線接口功能、打印機打印接口功能.其中RS232接口選用了MAXIM公司的MAX202接收/發送器.打印機接口選用了8255，通過并行I/O擴展方式實現數據的打印工作.在與主處理器進行通訊時，采用DS1609芯片實現主處理器和通訊處理器的批量數據交換，實現了數據傳輸與數據處理功能的分離，使它們各司其職，保證了系統的實時性，也有效解決了上位機對下位機的尋址問題.

1.2　傳感器

圖3　傳感器結構圖

該儀器所采用的壓力傳感器是高精度(0.02%～0.007%FS)高穩定性(年變化量0.01%FS)的諧振筒式壓力傳感器.其工作原理如圖3所示：(1)組成：諧振筒是用特殊恒彈性材料制成，壁厚0.08mm.外保護筒材料與諧振筒材料類似.壓電陶瓷片是用來激勵和拾取筒的諧振率，在兩筒之間為高真空.(2)原理：在諧振筒內部通以被測壓力，使諧振筒受到一個張緊力，壓力不同，張緊力不同，其自身具有的固有頻率也不同.用放大器和激(拾)振元件以及筒體，構成一個機電閉合振蕩器(正反饋)，它們諧振在諧振最低能級的固有頻率點上并輸出.也就是說，不同的壓力對應不同的頻率，測其頻率，便知壓力.由于振筒外部為真空，故所測壓力為絕對壓力.(3)特點：該傳感器的分辨率很高，對應10～1070hPa的壓力范圍，輸出變化35萬個字，即每個字對應0.1Pa，對應10～3400hPa輸出變化70～75萬字，分辨率均在1～3/百萬.采用恒彈性，并經過多道老化工處理，故長期穩定性好，短期穩定性則更為優異.

1.3　接口技術[12]

(1)F/D(頻率/數字)轉換接口：由于傳感器輸出量為頻率量(周期值)，故使用頻率量轉換成數字量的專用集成電路芯片(FDC9201).FDC9201輸入輸出口與TTL/CMOS兼容；采樣周期根據輸入高頻時鐘分4檔控制；轉換精度視情況在0.1%～0.001%之間變化；具有F/D自檢功能；單一+5V電源.FDC9201有四組獨立的低頻12位二進制計數器，一組高頻20位高速同步計數器，它們均為循環計數器.低頻計數器通過緩沖器與數據總線相連，高頻計數器以鎖存器與數據總線相連.同步控制器是芯片的核心部件，它用于同步計數控制，并保證鎖存的高頻計數值為對應于被測周期的整數倍，同時產生一個RDY信號，用于通知CPU，高低頻數據已準備好，可以讀取.另外，還有標準采樣周期控制器，用于產生4個檔次的標準定時周期，并以IN-TR作為定時信號通知CPU.周期的長短取決于外接時鐘CLK.

(2)A/D(模擬/數字)轉換接口：雖然該傳感器的溫度系數非常小，每度百萬分之一，但對于高精度而言，仍是不可忽視的，故在傳感器內部加了溫度傳感器(AD590JH)，該溫度傳感器具有0.1%的線性度，經放大器轉換為0～5V的電壓信號，再經12位A/D轉換，由CPU對振筒進行溫度補償，在工作溫度范圍內(軍品：-55℃～85℃，民品0℃～50℃)，儀器不再進行任何修正就可保證前面所提到的精度.

(3)鍵盤顯示控制接口：系統選用8279芯片作為觸摸鍵盤接口[13-15]，通過對其編程完成對觸摸鍵盤的掃描工作，用戶可以通過觸摸鍵盤來改變顯示內容、數據解算方式、儀器運行狀態等.此外，用戶還可以通過數據小鍵盤對當前數據進行非線性校正.系統采用了VFD熒光數碼管顯示，可視尺寸150×35mm，顯示內容分為上、下兩排，每排20個字符，一般均由“參數符號+參數值+單位”三部分組成，同時顯示三個參數時，上排為Pt或Ps，下排顯示相對的傳感器周期值(μs)和溫度電壓值(V).

2　系統主要特點

(2)在檢測飛行器靜壓系統和全壓系統的氣密性時，本儀器給出精確的定時時間和標準測量參數，其定時時間和測試點，均可由用戶設定(指定專人密碼保護)，并可長期(十年)保存，并可進行聲響提示和參數顯示，同時顯示出設定值和定時值.當設置定時時間到時，時間、壓力變化值或高度變化值停止變化，并發出聲響提醒.

(3)本儀器不僅在原位檢測中用其飛行大氣參數與飛行器上儀表比對做協調一致有效性檢查，而且還可作為內場檢測飛行參數的標準使用.

(4)本儀器可用于外場，也可用于內場(修理廠)，以外場為主.但其技術參數指標均達到ZHY型飛行大氣參數綜合測試儀和GCY-1A高精度綜合測試儀的技術指標.本儀器的氣路控制組合開關，可對任何飛行氣壓儀表和傳感器的檢測進行控制.

(5)傳感器修正功能：任何傳感器均有長期穩定問題，為用戶使用方便，特設此修正功能.只需用戶有壓力標準就可進行.本儀器有兩種修正功能，即線性修正和非線性修正，并有密碼保護.

(6)氣壓原位檢測參數的修改功能：可修正壓力氣密性定時時間、壓力氣密性考查測試壓力、壓力漏氣量最大允許值、真空壓力變化速度最大允許值等參數.由于不同飛行器上述參數不同，故允許用戶或有資格者修正，并有密碼保護.

(7)具有多種保護功能：電源27V，極性接反有保護；升降速度有保護，防止過沖，過沖有告警；空速有保護，防止過壓，過壓有告警；氣密性檢測，漏氣量超差有告警提示；連通開關Kst，升降速度設定值開關Pv和最大壓力值設定開關Pc，有白色警圈提醒，操作要特別注意，不要隨便操作，報警方式有聲、燈顯示、閃等.

(8)自檢功能：上電時自動檢測EPROM，SRAM，EEPROM，F/D，A/D，傳感器等，具有故障定位功能.

(9)寬幅電源變化適應功能：外場27V直流電源變化幅度較大，為此本儀器提供較寬的輸入電壓范圍：在20～36V均能正常工作.

3　系統軟件的設計

3.1　軟件功能及其框圖

圖4　軟件系統框圖

在軟件編程上，采用PLM匯編語言編寫，它可對硬件進行操作，便于改進和擴充，具有很強的可讀性、可靠性、結構性，能給用戶提供高質量的轉換代碼.程序從功能上分六個部分：主控程序、初始化程序、數據采樣及計算程序、鍵盤中斷服務程序、顯示程序、自檢程序.

主控程序是整個程序的主干，系統平時都在主程序循環運行.當接受到鍵盤中斷信號后轉去執行相應的中斷服務程序，進行數據采集和壓力轉換.此外，主控程序還完成8279、定時器等的初始化和自檢任務.采樣中斷服務程序具有最高優先級，采樣周期為52.4288ms，在響應中斷后，首先完成采樣周期的計算工作，再對周期進行算，由此得出壓力值供各飛行參數使用.

自檢程序對CPU、外部RAM、F/D、傳感器進行檢測，如有故障顯示窗報告故障定位信息，供維修人員排除故障參考，“CPU ERR”表示CPU故障，“RAM ERR”表示外部RAM故障，“F/D ERR”表示F/D故障，“SEN ERR”表示傳感器故障.當單片機響應8279鍵盤中斷后，程序首先進行鍵分析，獲取鍵值，轉到相應的參數解算程序，同時不斷接受F/D采樣中斷的壓力值，進行飛行參數解算.所需解算的飛行參數有：高度(H)、升降速度(H′)、馬赫數(M)、指示空速(Vi)、真空速(Vt).在存儲器地址分配上，程序存儲器27512為0～3FFFH，數據存儲器6264為8000～9FFFH.在中斷分配上，F/D采樣中斷優先級高，定時器定時中斷優先級低，8279鍵盤中斷優先級低.主要程序流程如圖4所示.

3.2　數據采集及計算程序的編制

在數據采集及計算程序中，主要實現了數據的采集存儲，并用基于函數鏈神經網絡的數據融合技術對數據進行線性化處理和溫度補償，其軟件流程如圖5.

圖5　線性化軟件框圖

程序主要包括以下幾個部分：

(1)字符串轉換.這部分程序包括了數據比較、二進制轉字符串和字符串轉十六進制等功能.在后面的程序中通過調用此程序實現查表、數據比較和測量數據存儲.

(2)數據采集.將采集到的周期值進行存儲，調用壓力計算程序求解壓力，并對計算結果進行字符串轉化后存儲到數據存儲器.

(3)根據擬合公式計算壓力.將所得到的周期和溫度值代入公式計算，同時實現對壓力的非線性校正和溫度補償.

(4)查表計算溫度.根據查表法計算測量時的傳感器溫度值.

(6)傳感器校正.用戶只需有精度高于0.02%的壓力基準即可對設備進行定期校驗，設備提供傳感器線性及非線性修正功能，用戶只要輸入不同溫度下10，50，150，200，250，300，350，400，450，500，550，600，650，700，750，800，850，900，950，1025，1045，1070共22個點的壓力值，就可對傳感器進行非線性校正.

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