某型航空發(fā)動機(jī)溫控盒通過熱電偶測量渦輪后溫度，從而保證排氣溫度不超過規(guī)定值。溫控盒是否正常工作直接關(guān)系到發(fā)動機(jī)工作安全，需定期檢測。航空兵部隊(duì)曾經(jīng)就發(fā)生過因溫控盒故障而導(dǎo)致的飛行事故，因此溫控盒的檢測非常重要。

    溫控盒將噴管中K型熱電偶輸出的熱電動勢值與設(shè)定的限制電壓比較來判斷發(fā)動機(jī)是否超溫。超溫時，將溫差信號調(diào)制、放大、解調(diào)、功率放大，輸出供油控制信號及座艙內(nèi)告警信號。超過700℃時，輸出一定頻率和占空比的方波信號限制燃油供油量；超過730 ℃時，輸出連續(xù)直流信號停止供油。溫控盒檢測儀的主要任務(wù)是模擬熱電偶工作，測量溫控盒輸出的溫控信號是否正確。
    目前已有兩種檢測儀，實(shí)際使用情況如下：
    (1)基于單片機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：成本小。缺點(diǎn)：操作復(fù)雜，顯示信息有限，人機(jī)交互性能相對不足(熱電偶模擬信號需手動轉(zhuǎn)把手調(diào)節(jié))，精度較低，檢測內(nèi)容的切換需要通過手動開關(guān)完成，可存儲數(shù)據(jù)量小，利用數(shù)碼管顯示信息，無法顯示漢字，查看歷史數(shù)據(jù)不方便。
    (2)基于PC104工業(yè)計算機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行桌面Windows系統(tǒng)，顯示信息多，人機(jī)交互性較理想，開發(fā)周期相對較短。缺點(diǎn)：成本太高，體積較大，功耗較大。PC104主板及A/D功能板卡價格都在萬元以上，VGA顯示器體積大，功耗10 W以上。
    這兩種檢測儀都不能很好地滿足實(shí)際需求。因此提出了一種基于ARM-WinCE的改進(jìn)設(shè)計方案，該檢測儀結(jié)合了已有兩種方案優(yōu)點(diǎn)，可鼠標(biāo)操作，顯示信息多，人機(jī)交互性好，開發(fā)周期短，體積小，功耗小，且支持觸屏。與原檢測儀設(shè)計復(fù)雜電路測量熱電偶冷端溫度和手動控制輸出模擬熱電勢信號相比[1]，本文利用DS1820測量冷端溫度，D/A模擬輸出熱電勢信號，縮短了開發(fā)周期與檢測時間，提高了測量精度與實(shí)時性，同時降低了成本。
1 檢測儀需求分析
1.1 常遇故障
    常遇故障概括起來就是在一定排氣溫度下，溫控盒輸出錯誤的溫控信號，主要有兩種情況：
    (1)未到限制溫度卻切油、停車、告警，影響飛機(jī)飛行性能或造成空中停車；
    (2)超過限制溫度未切油、停車、告警，燒壞發(fā)動機(jī)。
1.2 參數(shù)需求分析
    根據(jù)維護(hù)規(guī)程規(guī)定，溫控盒需檢測參數(shù)及最大允許誤差如表1。

2 檢測儀總體設(shè)計
    首先進(jìn)行自檢。系統(tǒng)根據(jù)輸入的幅值、頻率和占空比控制D/A輸出對應(yīng)的方波信號，該信號不經(jīng)溫控盒直接進(jìn)入檢測儀進(jìn)行測量，檢測儀通過對比測試結(jié)果與原始輸入來判斷系統(tǒng)是否正常。
    正常檢測時，輸入待檢溫度，系統(tǒng)讀取冷端溫度，根據(jù)熱電偶工作原理，控制D/A輸出熱電勢到溫控盒，溫控盒輸出溫控信號，溫控信號經(jīng)調(diào)理后分為兩路：一路進(jìn)入I/O端口觸發(fā)中斷，另一路進(jìn)入A/D采樣。設(shè)置中斷觸發(fā)為雙邊沿，則方波信號邊沿到來時觸發(fā)中斷，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入中斷處理進(jìn)行計時或采樣，完成溫控信號物理量測量，同時實(shí)時顯示并保存測量結(jié)果。檢測儀主要由5個模塊組成，如圖1所示。

    (1)電源模塊：主要由電源和分壓電路等組成，提供檢測所需電壓。
    (2)信號調(diào)理模塊：由信號調(diào)理電路與穩(wěn)壓傳感器、模擬開關(guān)等組成，實(shí)現(xiàn)A/D、D/A輸入/輸出信號調(diào)理及其他信號通斷控制。
    (3)信號轉(zhuǎn)換模塊：包括激勵信號源和信號測量電路，是完成測量功能、保證測量精度的關(guān)鍵。
    (4)控制模塊：主要由ARM處理器(S3C2440)及外圍芯片組成，檢測流程控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)處理，。
    (5)顯示模塊：由支持觸屏的顯示器組成，提供檢測界面并實(shí)時顯示檢測結(jié)果。
3 硬件設(shè)計
    硬件設(shè)計難點(diǎn)主要是激勵信號源，需模擬熱電偶輸出0～80 mV，且最大允許誤差為0.04 mV。
   
3.2 激勵信號源
    激勵信號源主要由DS1820、D/A及調(diào)理電路組成。DS1820測溫范圍為-55 ℃～+125 ℃，精度為0.5 ℃，兼容TTL電平，可直接與處理器進(jìn)行串行數(shù)據(jù)交互，簡化了冷端溫度測量的問題。D/A選用18位分辨率的AD760，經(jīng)分壓后串行輸出0～80 mV電壓。系統(tǒng)軟件讀取DS1820測得的冷端溫度和用戶輸入的待檢溫度，根據(jù)3.1所示的熱電偶工作原理直接控制D/A向溫控盒輸出一定大小的激勵熱電勢，無需檢測人員手動調(diào)節(jié)。
3.3 溫控信號測量電路
    A/D轉(zhuǎn)換器選用A/D7190。A/D7190是一款適合高精度測量應(yīng)用的低噪聲完整模擬前端，可直接輸入小信號，具有24位轉(zhuǎn)換，分辨率可達(dá)微伏級，能較好地滿足激勵信號檢測的精度要求。
4 檢測儀軟件設(shè)計
    軟件是檢測儀設(shè)計的核心，負(fù)責(zé)根據(jù)待測溫度計算激勵信號幅值，并實(shí)時測量、顯示溫控信號參數(shù)。軟件開發(fā)主要包括操作系統(tǒng)定制、驅(qū)動程序開發(fā)、應(yīng)用程序開發(fā)三部分。驅(qū)動程序負(fù)責(zé)具體數(shù)據(jù)采集；應(yīng)用程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，控制檢測儀工作邏輯，提供人機(jī)交互界面，在VS2008中基于MFC開發(fā)。
    ThreadTemp和ThreadData分別表示冷端溫度測量線程與數(shù)據(jù)處理線程，IST為中斷處理線程。正常檢測時，軟件總體流程圖如圖2所示。

4.1 操作系統(tǒng)定制
    檢測儀選用WinCE6.0操作系統(tǒng)， 主要為應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境和文件管理，并為檢測人員提供人機(jī)交互平臺，簡化操作。WinCE對 Win32API子集的支持使桌面Windows程序開發(fā)經(jīng)驗(yàn)可直接應(yīng)用到檢測儀應(yīng)用程序開發(fā)中，縮短了開發(fā)時間。
    檢測儀操作系統(tǒng)是在Platform Builder軟件中根據(jù)測試需求及硬件特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)組件及相關(guān)信息配置、調(diào)試及編譯定制的ARM_V4I模式操作系統(tǒng)。為支持應(yīng)用程序，操作系統(tǒng)定制時選擇MFC支持模塊，不選擇檢測所不需要的網(wǎng)絡(luò)、串口等模塊以最大限度減少系統(tǒng)大小，提高系統(tǒng)運(yùn)行速度。
4.2 驅(qū)動程序開發(fā)
    WinCE下驅(qū)動程序采用流式接口驅(qū)動，以用戶態(tài)下DLL形式存在。外設(shè)被抽象成一個文件，應(yīng)用程序通過使用操作系統(tǒng)提供的文件API調(diào)用對應(yīng)的流式接口函數(shù)來訪問外設(shè)，這不同于桌面Windows中直接以函數(shù)名調(diào)用DLL中函數(shù)。流式接口函數(shù)包括xxx_Open()，xxx_Close()，xxx_Init()，xxx_Deinit()，xxx_Read()，xxx_Write()，xxx_IoControl()等12個函數(shù)，其中，xxx為自定義設(shè)備名[2]。
    檢測儀驅(qū)動開發(fā)實(shí)質(zhì)是在固定的流式接口函數(shù)中實(shí)現(xiàn)對硬件部分的具體操作。
4.3 冷端溫度實(shí)時測量
    應(yīng)用程序通過ThreadTemp實(shí)現(xiàn)測溫并顯示結(jié)果，完成對冷端溫度的實(shí)時測量[3]。DS1820與S3C2440單線連接，關(guān)鍵是保證正確的時序：初始化→ROM操作→存儲器操作→數(shù)據(jù)處理[4]。
4.4 自檢輸出信號及溫控信號測量的實(shí)現(xiàn)
    利用TX1100A電位計校準(zhǔn)激勵信號源后，控制激勵信號輸出大小對系統(tǒng)進(jìn)行自檢。自檢時，ARM處理器根據(jù)檢測人指定的占空比、頻率、幅值，控制D/A輸出相同參數(shù)的模擬量，模擬量進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)自檢，自檢時程序的運(yùn)行如圖3所示。正常檢時，溫控盒輸出溫控信號。檢測結(jié)束后，系統(tǒng)自動以設(shè)備編號為標(biāo)記將結(jié)果分文件夾保存，設(shè)備編號統(tǒng)一存儲在文本文檔中，讀寫由系統(tǒng)軟件完成。

    自檢信號及溫控信號的實(shí)時測量通過在溫控盒驅(qū)動程序WKH_Open()中創(chuàng)建的IST實(shí)現(xiàn)。中斷到來時，IST完成計時或A/D轉(zhuǎn)換。如圖2所示，IST先創(chuàng)建中斷關(guān)聯(lián)事件，然后利用WaitforSingleObject()一直等待；方波信號輸入檢測儀觸發(fā)中斷后，IST轉(zhuǎn)入計時或采樣中斷處理完成測量。
    測量頻率、占空比、幅值的原理如圖4所示。計時之前，先調(diào)用QueryPerformanceFrequency()函數(shù)獲取機(jī)器內(nèi)部定時器時鐘頻率a[0]，在連續(xù)的3次邊沿到來時調(diào)用QueryPerformanceCounter()函數(shù)獲得當(dāng)前計數(shù)值到a[1]、a[2]、a[3]，兩次計數(shù)之差除以時鐘頻率即可得出精確到微秒的間隔時間，開啟A/D轉(zhuǎn)換可得到方波幅值。以duty表示占空比，f表示頻率，則：
    
    測試結(jié)果的實(shí)時顯示主要通過ThreadData實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，在檢測停止前，ThreadData循環(huán)完成獲取IST所測量到數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)的任務(wù)。
4.5 數(shù)據(jù)保存與故障分析
    檢測過程中，系統(tǒng)將檢測結(jié)果同時寫入文本文檔中完成對檢測結(jié)果的保存，檢測人員以后可在不運(yùn)行測試軟件的情況下直接查看歷史數(shù)據(jù)。故障出現(xiàn)時，系統(tǒng)查詢故障數(shù)據(jù)庫，提示檢測人員可能的故障結(jié)果。
5 檢測結(jié)果及分析
    以幅值(mV)、頻率(Hz)、占空比為一組數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自檢結(jié)果如表2所示。其中誤差取3次測量中所出現(xiàn)的最大誤差。

    由表2可得，測得數(shù)據(jù)誤差均在表1所示范圍內(nèi)。分析數(shù)據(jù)可得以下3點(diǎn)：
    (1)幅值誤差穩(wěn)定在0.010 mV～0.020 mV之間，比較理想。
    (2)頻率為5 Hz、6 Hz或8 Hz時，頻率誤差均小于0.02 mV，占空比誤差不超過0.1%。
    (3)頻率達(dá)到20 Hz時，誤差開始大于0.1 Hz；頻率達(dá)到80 Hz時，會出現(xiàn)結(jié)果未顯示或占空比為0.0%。
    調(diào)試發(fā)現(xiàn)，輸入信號為80 Hz、占空比出現(xiàn)0.0%時，a[2]=0。其原因?yàn)锳RM不支持同級嵌套[5]，系統(tǒng)響應(yīng)第1次中斷時，將中斷屏蔽器相應(yīng)位置1，80 Hz中斷間隔相對較短，第1次中斷未處理完時，第2次中斷到來，中斷請求未被服務(wù)，a[2]=0，由式(4)，高電平時間為0，故占空比出現(xiàn)0.0%。而第3次中斷可被服務(wù)，a[3]值正確，頻率正確。
    結(jié)果未顯示的原因是數(shù)據(jù)線程中消息響應(yīng)函數(shù)的算法繁瑣，消耗時間過長，數(shù)據(jù)未正常顯示。簡化算法后，結(jié)果可正常顯示。
    由表1，溫控盒輸出溫控信號頻率為5～8 Hz，在此范圍內(nèi)，采用圖4方法檢測出誤差在規(guī)定范圍之內(nèi)。增大輸入頻率再進(jìn)行測試，以測量10次內(nèi)有無出現(xiàn)結(jié)果不正常顯示來進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如表3所示。表3中，當(dāng)頻率較高(大于80 Hz)時，圖4中連續(xù)計時或采樣的測量方法將難以實(shí)現(xiàn)測量功能，需間隔采樣，結(jié)合中斷計數(shù)計算方波物理量，以提高測量精度，但測量實(shí)時性減弱。

    本文設(shè)計的檢測儀已通過部隊(duì)實(shí)際應(yīng)用，作為內(nèi)場離位檢測設(shè)備，具有精度高、檢測時間短等優(yōu)點(diǎn)，有效地保障了航空兵部隊(duì)的作戰(zhàn)和訓(xùn)練任務(wù)。設(shè)計思想和工程實(shí)現(xiàn)方法對于低頻方波信號的物理量實(shí)時檢測具有借鑒意義。加上蓄電池電源后，可以拓展為各種體積小、重量輕、功耗低的內(nèi)外場便攜式檢測設(shè)備，具有一定的推廣前景。
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