單片機開發(fā)
單片機氣壓檢測系統(tǒng)
基于單片機的氣壓檢測系統(tǒng)的設(shè)計
以前我國都采用國外進口的全靜壓系統(tǒng)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(shè)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。隨著傳感器智能化技術(shù)的發(fā)展，函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ＦＬＡＮＮ）和數(shù)據(jù)融合技術(shù)引入后實現(xiàn)了傳感器的非線性校正和溫度補償。以單片機為核心，構(gòu)建了檢測系統(tǒng)．基于此方法研制的氣壓檢測裝置功能和精度大大提高。
一、氣壓檢測系統(tǒng)硬件
系統(tǒng)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(tǒng)、真空壓力泵單元以及氣路及控制組合開關(guān)等５部分組成，其中嵌入式微處理系統(tǒng)組成，如圖２．當(dāng)壓力傳感器感受外界壓力，經(jīng)過頻／數(shù)（Ｆ／Ｄ）轉(zhuǎn)換和模／數(shù)（Ａ／Ｄ）轉(zhuǎn)換，其結(jié)果由主微處理器進行采集，經(jīng)過解算、補償修正濾波，其結(jié)果經(jīng)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(shù)據(jù)和下傳命令的數(shù)據(jù)同步，對于觸摸鍵盤接口的采集和數(shù)據(jù)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(nèi)容、數(shù)據(jù)解算方式、儀器運行狀態(tài)等。通訊處理器用于實現(xiàn)ＲＳ２３２通訊接口功能，可選的ＩＥＦＥ４８８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(shù)據(jù)通過接口向上進行傳輸，一方面可接受下傳的信息。
１．１處理器單元
主處理器選用ＭＣＳ５１單片機系列８０３１構(gòu)成了最小應(yīng)用系統(tǒng)。片外擴展存儲器選用一片２７５１２（６４Ｋ８）ＥＰＲＯＭ和一片６２６４（８Ｋ８）ＲＡＭ作為程序存儲器及數(shù)據(jù)存儲器。采用一片ＡＴＭＥＬ公司的ＡＴＦ１６Ｖ８ＰＬＤ器件設(shè)計地址譯碼器，實現(xiàn)了傳統(tǒng)設(shè)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ＭＣＳ５１單片機系列８７５１，用于實現(xiàn)ＲＳ２３２通訊接口功能、ＩＥＥＥ４８８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(fā)送器．打印機接口選用了８２５５，通過并行Ｉ／Ｏ擴展方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的打印工作。在與主處理器進行通訊時，采用ＤＳ１６０９芯片實現(xiàn)主處理器和通訊處理器的批量數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理功能的分離，使它們各司其職，保證了系統(tǒng)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
該儀器所采用的壓力傳感器是高精度（０．０２％～０．００７％ＦＳ）高穩(wěn)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(nèi)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(gòu)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(yīng)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(yīng)１０～１０７０ｈＰａ的壓力范圍，輸出變化３５萬個字，即每個字對應(yīng)０．１Ｐａ，對應(yīng)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(jīng)過多道老化工處理，故長期穩(wěn)定性好，短期穩(wěn)定性則更為優(yōu)異。
１．３接口技術(shù)
（１）Ｆ／Ｄ（頻率／數(shù)字）轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成數(shù)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(jù)輸入高頻時鐘分４檔控制；轉(zhuǎn)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(shù)器，一組高頻２０位高速同步計數(shù)器，它們均為循環(huán)計數(shù)器．低頻計數(shù)器通過緩沖器與數(shù)據(jù)總線相連，高頻計數(shù)器以鎖存器與數(shù)據(jù)總線相連．同步控制器是芯片的核心部件，它用于同步計數(shù)控制，并保證鎖存的高頻計數(shù)值為對應(yīng)于被測周期的整數(shù)倍，同時產(chǎn)生一個ＲＤＹ信號，用于通知ＣＰＵ，高低頻數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好，可以讀取。另外，還有標(biāo)準(zhǔn)采樣周期控制器，用于產(chǎn)生４個檔次的標(biāo)準(zhǔn)定時周期，并以ＩＮＴＲ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(shù)字）轉(zhuǎn)換接口：雖然該傳感器的溫度系數(shù)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(nèi)部加了溫度傳感器（ＡＤ５９０ＪＨ），該溫度傳感器具有０．１％的線性度，經(jīng)放大器轉(zhuǎn)換為０～５Ｖ的電壓信號，再經(jīng)１２位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，由ＣＰＵ對振筒進行溫度補償，在工作溫度范圍內(nèi)（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(tǒng)選用８２７９芯片作為觸摸鍵盤接口，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(nèi)容、數(shù)據(jù)解算方式、儀器運行狀態(tài)等。此外，用戶還可以通過數(shù)據(jù)小鍵盤對當(dāng)前數(shù)據(jù)進行非線性校正。系統(tǒng)采用了ＶＦＤ熒光數(shù)碼管顯示，可視尺寸１５０×３５ｍｍ，顯示內(nèi)容分為上、下兩排，每排２０個字符，一般均由“參數(shù)符號＋參數(shù)值＋單位”三部分組成，同時顯示三個參數(shù)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）。
二、氣壓檢測系統(tǒng)主要特點
（１）能獨立測量和顯示下列參數(shù)：Ｐｓ，Ｐｔ，Ｑｃ，Ｈ，Ｖｉ，Ｖｔ，Ｍ，Ｍｉ，ΔＨ，Ｈ等１０種參數(shù)的組合顯示，如：Ｐｓ＋Ｈ，Ｐｓ＋Ｐｔ，Ｈ＋Ｈ，Ｈ＋Ｍ，Ｑｃ＋Ｍｉ，Ｈ＋Ｖｔ，Ｑｃ＋Ｖｉ等。
（２）在檢測飛行器靜壓系統(tǒng)和全壓系統(tǒng)的氣密性時，本儀器給出精確的定時時間和標(biāo)準(zhǔn)測量參數(shù)，其定時時間和測試點，均可由用戶設(shè)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(shù)顯示，同時顯示出設(shè)定值和定時值。當(dāng)設(shè)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(fā)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(shù)與飛行器上儀表比對做協(xié)調(diào)一致有效性檢查，而且還可作為內(nèi)場檢測飛行參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)使用。
（４）本儀器可用于外場，也可用于內(nèi)場（修理廠），以外場為主．但其技術(shù)參數(shù)指標(biāo)均達到ＺＨＹ型飛行大氣參數(shù)綜合測試儀和ＧＣＹ１Ａ高精度綜合測試儀的技術(shù)指標(biāo)。本儀器的氣路控制組合開關(guān)，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(wěn)定問題，為用戶使用方便，特設(shè)此修正功能。只需用戶有壓力標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(shù)。由于不同飛行器上述參數(shù)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(guān)Ｋｓｔ，升降速度設(shè)定值開關(guān)Ｐｖ和最大壓力值設(shè)定開關(guān)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(yīng)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。
三、氣壓檢測系統(tǒng)軟件的設(shè)計
３．１軟件功能及其框圖
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(jié)構(gòu)性，能給用戶提供高質(zhì)量的轉(zhuǎn)換代碼。程序從功能上分六個部分：主控程序、初始化程序、數(shù)據(jù)采圖４軟件系統(tǒng)框圖樣及計算程序、鍵盤中斷服務(wù)程序、顯示程序、自檢程序。
主控程序是整個程序的主干，系統(tǒng)平時都在主程序循環(huán)運行。當(dāng)接受到鍵盤中斷信號后轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，進行數(shù)據(jù)采集和壓力轉(zhuǎn)換。此外，主控程序還完成８２７９、定時器等的初始化和自檢任務(wù)．采樣中斷服務(wù)程序具有最高優(yōu)先級，采樣周期為５２．４２８８ｍｓ，在響應(yīng)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(shù)使用。
自檢程序?qū)Γ茫校?、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，“ＣＰＵＥＲＲ”表示ＣＰＵ故障，“ＲＡＭＥＲＲ”表示外部ＲＡＭ故障，“Ｆ／ＤＥＲＲ”表示Ｆ／Ｄ故障，“ＳＥＮＥＲＲ”表示傳感器故障。當(dāng)單片機響應(yīng)８２７９鍵盤中斷后，程序首先進行鍵分析，獲取鍵值，轉(zhuǎn)到相應(yīng)的參數(shù)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(shù)解算。所需解算的飛行參數(shù)有：高度（Ｈ）、升降速度（Ｈ′）、馬赫數(shù)（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(shù)據(jù)存儲器６２６４為８０００～９ＦＦＦＨ．在中斷分配上，Ｆ／Ｄ采樣中斷優(yōu)先級高，定時器定時中斷優(yōu)先級低，８２７９鍵盤中斷優(yōu)先級低．主要程序流程如圖４所示。
３．２數(shù)據(jù)采集及計算程序的編制
在數(shù)據(jù)采集及計算程序中，主要實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集存儲，并用基于函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)對數(shù)據(jù)進行線性化處理和溫度補償，其軟件流程如圖５。
程序主要包括以下幾個部分：
（１）字符串轉(zhuǎn)換．這部分程序包括了數(shù)據(jù)比較、二進制轉(zhuǎn)字符串和字符串轉(zhuǎn)十六進制等功能．在后面的程序中通過調(diào)用此程序?qū)崿F(xiàn)查表、數(shù)據(jù)比較和測量數(shù)據(jù)存儲。
（２）數(shù)據(jù)采集．將采集到的周期值進行存儲，調(diào)用壓力計算程序求解壓力，并對計算結(jié)果進行字符串轉(zhuǎn)化后存儲到數(shù)據(jù)存儲器。
（３）根據(jù)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(xiàn)對壓力的非線性校正和溫度補償。
（４）查表計算溫度．根據(jù)查表法計算測量時的傳感器溫度值。
（５）根據(jù)壓力求解高度、馬赫數(shù)、真空數(shù)等．得到壓力值Ｐｔ，然后根據(jù)Ｐｔ值，解出其它大氣參數(shù)：氣壓高度Ｈ、真空速Ｖｔ、指示空速Ｖｉ、馬赫數(shù)Ｍ、指示馬赫數(shù)Ｍｉ和升降速度Ｈ等。
（６）傳感器校正．用戶只需有精度高于０．０２％的壓力基準(zhǔn)即可對設(shè)備進行定期校驗，設(shè)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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