基于数字控制器的燃油测量系统设计与实现

张晓敏　孙保良

摘 要： 燃油测量是保证飞机燃油系统正常、准确运行的一个关键环节，燃油测量系统的测量精度、可靠性和维护性对飞机的整体性能有着重要的影响。随着微电子技术发展，燃油测量系统数字化趋势明显，使其在故障分析和测试及故障隔离重构等技术上有了发展的空间。设计了基于机载数字控制器的燃油测量系统，经过实践验证，该测量系统具有工作可靠、测试准确等优点。

关键词： 数字控制器； 燃油测量； 传感器； 故障分析

中图分类号： TN06?34； TP216 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）11?0129?03

Abstract： Fuel measurement is an important step to ensure the fuel system of airplane to run formally and precisely. Its measurement precision， reliability and maintainability have great influence on the performance of the whole airplane. The digital tendency of the fuel quantity measurement system is more and more obvious with the development of microelectronic technique. Therefore， there is a room to develop it in the technologies of fault analysis， testing and fault isolation and so on. A fuel measurement system based on airborne digital controller was designed. It is proved by many tests that the system has the advantages of working reliability and accurate measurement.

Keywords： digital controller； fuel quantity detection； sensor； fault analysis

0 引 言

燃油测量系统通过对传感器输出信号进行变换，处理传感器所感受的油位、燃油介电常数为数字信号，进而在机载数字控制器上解算出油箱内油面的油位高低，同时根据油箱油位和油面姿态从质量特性数据库中解算出燃油体积，再通过燃油密度传感器实时解算油箱内燃油密度，最终测量出各油箱燃油质量（重量），从而实现高精度的油量测量。其系统框图如图1所示。

燃油测量系统的CIM（电容接口模块）采用UCP机箱的专用标准，总线采用RS 422A标准设计，通过RS 422A通信协议和燃油UCP机箱总线接口模块（BIM）交换数据。燃油测量系统接收传感器数据以及航姿信号，在传感器处理专用模块转换信号，在机载数字控制器中对油位介电常数处理模块以及密度温度等测量模块进行逻辑和时序控制、故障诊断等，并结合航姿信号等数据计算油量。一个基于机载数字控制器的燃油测量平台需要实现如下功能：

（1） 测量飞机各油箱的燃油油量、全机总油量；

（2） 测量飞机各油箱的燃油介电常数，用于修正油位高度测量误差；

（3） 测量飞机油箱的燃油密度，用于修正燃油质量测量误差；

（4） 测量飞机油箱的燃油温度，用于供油箱、热油箱温度监控；

（5） 左、右机翼油箱组油量不平衡时，发出不平衡告警信号；

（6） 具有燃油异常消耗、燃油泄漏等危险状态的判断及告警功能；

（7） 系统具有机内自检测（BIT）功能。

为实现上述功能，本文主要对传感器信号处理模块和机载数字控制器进行设计。

1 传感器信号处理模块设计

1.1 油位、介电常数处理模块

油位、介电常数都属于电容信号，为了能够增强传感器部件的可靠性，电容信号转换采用数字电桥处理技术（数字式零位平衡技术）。它是一种交流平衡式测量技术，利用控制器控制下的数字器件完成平衡。数字电桥处理技术原理框图如图2所示。

1.2 温度/密度传感器信号处理模块

温度传感器信号大多为PT100或PT1000的电阻信号，电阻信号转换采用电阻电桥处理，原理框图如图3所示。

待测电阻为非平衡电阻电桥的一个桥臂，加入电压基准后输出压差信号。数字控制单元控制A/D器件，将压差信号转换为数字量。密度传感器为谐振式直接测量密度传感器，主要通过频率信号的变化来表示燃油密度的变化。故在本系统中将频率周期信号经过调理、放大、滤波后形成周期方波，通过在一定时间内计算方波个数来得到密度数据。

2 机载数字控制器设计

飞机燃油测量系统将向高精度、高可靠性，智能化、综合化方向发展，即需要具备较大的程序和数据存储单元，提供系统海量数据处理和分析的能力；较高的工作频率以适应实时测量环境和快速相应中断的能力；较强的外部接口扩展能力，以适应不同的测量平台应用以及在线检测平台；较强算法处理器单元，满足燃油测量系统中日趋多样的算法和数据要求；并且具有快速可更换和模块自检测的能力。

2.1 机载数字控制器组成

针对设计需求，机载数字控制器主要由CPU，FLASH，FPGA，CPLD，RS 232C串口驱动器、电平转换驱动器、晶振和电源模块等组成，如图4所示。

DSP通过外部FLASH加载程序运行，通过将FPGA中的双口RAM资源，译码器资源，UART通信模块资源，控制逻辑资源等用不同的地址总线和DSP的内部命令一一映射，以实现D/A、A/D器件工作控制，电容通道选通，电桥档位选择，状态监控读入，BIT自检测启动命令等功能。

本机载数字控制器的通信采取了通过DMA（直接内存存取）方式进行通信接口传输数据，不需要依赖DSP的大量中断资源，即DMA控制器将通信接口的输入信息读入内部解码器解码后存入内部存储器、或将内部存储器的数据写入通信接口输出给外部，只需要DSP进行DMA的传输初始化，便可以在FPGA中独立完成数据的传输。由于FPGA内部RAM单元有较强的数据存贮能力，数据的传输更新可以做到尽可能不占用过多的程序周期，加强了数据传输的灵活性（可以增减UART的数量，独立设置UART属性），提高数字控制器对信号周期处理效率。

2.2 机载数字控制器功能

机载数字控制器原理框图如图5所示。主要包括A/D采集控制，D/A输出控制，多路开关信号输出控制及BIT电路控制和通信控制4个部分。

（1） A/D采集控制

A/D采样控制在最新的燃油测量系统中主要用于电阻信号，主要是温度传感器的信号采集和密度传感器电阻参数部分的信号采集。和以往的A/D采样数据存储在DSP的RAM中不同，该数字控制器A/D采集时通过FPGA内部编程设计的A/D采集控制器一次采集所有通道数据存入内部存储器。此模式可以将DSP采集A/D的周期时间大大提高，不受限于其他处理任务。

（2） D/A输出控制

D/A器件控制是数字电桥电路的核心部分之一，其关键技术是如何将D/A控制和D/A输出稳定性和数字电桥的求和电路部分高效的结合起来。该机载控制器DAC输出是由DSP写数据到CPLD内部的锁存器，锁存器锁存数据直接输出到D/A器件。同时，数字电桥将DAC输出的模拟信号加载到平衡电容上，不断和传感器电容激励后的信号求和比较，直到平衡为止（参考图2），以此和DSP算法模块共同完成电容信号的采集计算。

（3） 多路开关信号输出控制及BIT电路控制

由于数字电桥电路的特点，采集多通道的电容信号通常运用模拟开关进行通道切换，电阻采集同样将电阻的信号通过模拟开关输入到电桥中，这就需要通过DSP发出指令并控制指令周期，控制多路开关的工作状态。从DSP中发出相应的指令，经过FPGA或者CPLD译码后，完成硬件电路的开断切换，从而为系统BIT测试创造条件。

（4） 通信控制

由图5可知，该机载数字控制器有4个独立的收发接收器（UART）并全部集成在FPGA中，通过DSP向其FPGA内相应的双口RAM写数，解码后通过2个DMA单元，交替发送当前数据，保证数据刷新的同时无需使用DSP的发送接收SCI中断。详细数据流程如图6所示。

3 结 语

燃油密度可由密度传感器直接测量，而燃油总体积算法复杂，需要将油位高度数据和介电常数补偿结合起来，同时充分考虑燃油分仓处理、姿态数据、边界条件等数据，基于机载数字控制器的燃油测量系统具有的强大通信和控制能力来实现高精度的燃油测量功能。机载数字控制器作为将来燃油测量系统的核心处理模块，具备通用、快速调试、功能扩展、在线检测等特点，从而实现燃油测量、控制、系统状态监控、故障诊断隔离、功能重构等功能集于一体，大幅度提高了燃油系统的工作效能和飞机技术指标。

参考文献

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