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1軟件處理流程

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行自檢與初始化。航空蓄電池的安裝與使用都有嚴(yán)格的要求與限制，系統(tǒng)要求提供履歷追溯功能。因此，系統(tǒng)上電后，讀取并校驗(yàn)授權(quán)碼、電池編號(hào)、傳感器ID是否與系統(tǒng)的設(shè)置值一致，如果匹配，則初始化板載指示燈為正常狀態(tài),同時(shí),連接(RS232/485)航空儀表盤的顯示系統(tǒng)。然后，映射EEPROM到內(nèi)存空間。EEPROM的時(shí)鐘線速率低，每次存取的數(shù)據(jù)量比較大，會(huì)占用過多的CPU時(shí)鐘周期，影響其他部件的工作。RAM時(shí)鐘線的速率高，將EEPROM映射到獨(dú)立開辟的內(nèi)存空間，可以快速地存取測(cè)量數(shù)據(jù),等到CPU空閑時(shí)將數(shù)據(jù)復(fù)制到EEPROM中，方便優(yōu)化程序流程。最后，開始循環(huán)檢測(cè)并記錄電池的累計(jì)機(jī)載時(shí)間(U.Time)、溫度、電流、電壓、電解液等參數(shù)數(shù)據(jù)。若是檢測(cè)到飛機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)，則開始記錄蓄電池累計(jì)的運(yùn)行時(shí)間（W.Time），并且在飛機(jī)運(yùn)行時(shí)，每5min檢測(cè)一遍運(yùn)行參數(shù)；若是檢測(cè)到飛機(jī)停機(jī)，停止記錄電池的運(yùn)行時(shí)間，并且在飛機(jī)停飛后，每30min檢測(cè)一遍運(yùn)行參數(shù)。上位機(jī)通過中斷請(qǐng)求接收監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳送的蓄電池運(yùn)行數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)在儀表盤中以圖形方式顯示。

2具體設(shè)計(jì)

具體的系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)需要考慮航空設(shè)備對(duì)環(huán)境、制備規(guī)格及實(shí)時(shí)響應(yīng)條件的要求，這里主要給出系統(tǒng)關(guān)鍵的硬件電路與特殊的軟件測(cè)算的處理方法。

2.1硬件電路

2.1.1核心控制電路核心控制器采用STC12C5A16AD微控制器，內(nèi)置8路高速A/D通道，可以滿足系統(tǒng)對(duì)模擬信號(hào)的采樣要求，如圖3所示。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)，外擴(kuò)CPLD控制電路，負(fù)責(zé)LCD的圖形界面顯示、LED指示燈組顯示、蜂鳴器警報(bào)聲及繼電器模塊的開關(guān)動(dòng)作，這樣縮短了MCU主程序中控制部分的代碼量，經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)正常的一次參數(shù)巡檢僅耗時(shí)166ms。為了記錄運(yùn)行時(shí)間及存儲(chǔ)運(yùn)行參數(shù)，系統(tǒng)中分別外擴(kuò)了時(shí)鐘芯片DS1302及EEPROM存儲(chǔ)芯片AT24C1024。

2.1.2電源電路這里不能使用常用的雙極型線性穩(wěn)壓芯片，這類芯片使用過程中散熱效果差，并且飛機(jī)上有專用的輔熱設(shè)備，長時(shí)間持續(xù)運(yùn)行會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實(shí)際電路中采用了開關(guān)穩(wěn)壓芯片LM2596s，如圖4所示，最大承載1.5A的電流，還可以通過外加三極管擴(kuò)流，可以滿足系統(tǒng)要求。

2.1.3電壓檢測(cè)電路電壓檢測(cè)電路如圖5所示。Ra為傳感器輸入電阻、Rb為線路電阻、Rc為傳感器輸出電阻。需要測(cè)量蓄電池電壓時(shí)，由控制器發(fā)送信號(hào)給CPLD，由CPLD控制繼電器切換電路到電源端，將蓄電池模擬電壓Vi輸入到電壓傳感器，輸出信號(hào)Vo經(jīng)濾波電路送主控制器的A/D接口進(jìn)行采樣。電壓傳感器的比例系數(shù)K=0.1041,線性化指標(biāo)小于±0.8%，參考電壓為標(biāo)準(zhǔn)參考電壓芯片提供的+2.5V電壓。

2.1.4電流檢測(cè)電路這里使用霍爾傳感器檢測(cè)蓄電池電流,如圖6所示。線圈采用線繞線圈，其磁導(dǎo)率與匝數(shù)的常量可以通過變阻器調(diào)定。其數(shù)值量化及補(bǔ)償在后面“軟件測(cè)算”部分介紹。為了實(shí)現(xiàn)快速維修，在現(xiàn)場(chǎng)也可以使用瑞士LEM公司的LA28-NP電流傳感器替換線圈與霍爾傳感器組成的采樣電路。

2.1.5測(cè)溫電路這里采用PTC熱敏電阻測(cè)溫,測(cè)溫電路需要+14V～+16V電源供電，測(cè)溫電路功耗比較低，因此使用雙極型線性穩(wěn)壓電源，輸出電壓Vout通過變阻器線性可調(diào)。為了改善PTC熱敏電阻的線性化，需要使用補(bǔ)償電阻與熱敏電阻構(gòu)建線性網(wǎng)絡(luò)，從而對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化補(bǔ)償，圖8中的RT部分即是熱敏電阻線性化模塊。RT檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)反饋回路，輸出電壓即對(duì)應(yīng)了RT的阻值，直接測(cè)量或經(jīng)過放大電路后測(cè)量該點(diǎn)電壓，可換算出測(cè)溫?cái)?shù)值。補(bǔ)償算法在后面“軟件測(cè)算”部分介紹。

2.2軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)編碼格式設(shè)計(jì)、CPLD時(shí)序信號(hào)測(cè)試、霍爾傳感器電流測(cè)算、熱敏電阻的線性化與測(cè)算[3]。

2.2.1編碼格式系統(tǒng)的授權(quán)碼、電池編號(hào)及傳感器ID存放在主控制器內(nèi)部的ROM中。實(shí)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)存放在外部的EEPROM芯片AT24C1024中，占10B。AT24C1024按塊存取，每塊為256B，共512塊，因此，只能在每塊中存放250個(gè)記錄，其余的6個(gè)字節(jié)存放年份及操作員編號(hào)。這樣，系統(tǒng)最多可以存放2666天的待機(jī)記錄數(shù)據(jù)，還可以最多存放445天的飛行記錄數(shù)據(jù)，可以滿足應(yīng)用需要。

2.2.2CPLD控制時(shí)序CPLD的程序功能分為邏輯比較功能與控制功能。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，在每個(gè)時(shí)鐘下降沿啟動(dòng)比較功能，得到輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)控制指令給出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制功能。CPLD采用頂層原理圖定義模塊的輸入輸出管腳功能，并以VHDL語言描述模塊的實(shí)體。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，繪制CPLD的電路原理圖并設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序模塊，然后，直接在AltiumDesigner6中編寫TestBench程序?qū)壿嫻δ苓M(jìn)行在電路仿真(ICS)，通過時(shí)序波形調(diào)試程序，直到滿足要求。

2.2.3電流及熱敏電阻線性化測(cè)算(1)電流值的測(cè)算使用霍爾元件與磁線圈構(gòu)成的霍爾電流檢測(cè)電路，檢測(cè)信號(hào)為輸出的電壓信號(hào)，因此，需要建立待測(cè)電流與測(cè)量電壓值間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。(2)熱敏電阻的線性化及測(cè)算熱敏電阻RT支路串接一個(gè)補(bǔ)償電阻RS后，支路兩端再并接一個(gè)補(bǔ)償電阻RP，組成溫度測(cè)量線性網(wǎng)絡(luò)。實(shí)測(cè)多點(diǎn)溫度對(duì)應(yīng)的電壓值，使用擬合直線K=CT+D逼近最佳值，其中K=Vout/Vmax，Vmax是測(cè)量的最大輸出值。這是一個(gè)多變量無約束問題，采用共軛梯度法求得以下結(jié)果：在0℃～100℃溫度范圍內(nèi)，補(bǔ)償電阻RS=1.5457kΩ，C=0.878291×10-2，D=0.14313。這樣，在程序設(shè)計(jì)時(shí)通過測(cè)量的電壓值Vout來計(jì)算對(duì)應(yīng)的電阻即可。

3系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)板載的LCD液晶屏及儀表盤中的系統(tǒng)都提供參數(shù)顯示界面[4]。首先，設(shè)置系統(tǒng)為在空飛行狀態(tài)，觀察LCD顯示的蓄電池實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，如圖11所示。屏幕上依次顯示實(shí)時(shí)測(cè)量到的電壓、電流、實(shí)溫、運(yùn)行時(shí)間、機(jī)載時(shí)間、開機(jī)次數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、通信狀態(tài)、充電狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)信息。從觀察結(jié)果看，參數(shù)采集模塊工作正常。通過鍵盤可以選擇觀察上一屏或下一屏的顯示信息。然后,觀察操縱室儀表盤中同步顯示的測(cè)量信息。測(cè)量項(xiàng)目通過“操作選項(xiàng)”下拉框選擇，每一頁都提供實(shí)溫、機(jī)載時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間的數(shù)值顯示。本文研究設(shè)計(jì)的航空蓄電池運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種維修預(yù)警系統(tǒng)[5]，它可以主動(dòng)向維修人員提示各種信息，能快速、準(zhǔn)確地顯示電池的相關(guān)資料，幫助航空公司更迅速、準(zhǔn)確地更換有問題的部件，便于及時(shí)有效地開展維護(hù)，節(jié)省大量查詢維護(hù)日志的時(shí)間與人力，從而降低飛機(jī)維修錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

作者：趙成華紅艷單位：鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院