1 引言

某型航空發(fā)動機性能試驗，需要精確測量發(fā)動機各工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)速及從慢車到最大狀態(tài)的加速時間，傳統(tǒng)的測量方法是采用指針表測量轉(zhuǎn)速和人工操作秒表測量時間。由于指針轉(zhuǎn)速表慣性大，分辨率低，加上人工秒表記時全靠手疾眼快，主觀影響大，因此很難實現(xiàn)精確測量。在本系統(tǒng)中，我們采用單片機內(nèi)部計數(shù)器來完成轉(zhuǎn)速的精確測量，同時利用程序判別發(fā)動機從慢車到最大狀態(tài)過程的開始時刻和終止時刻，從而實現(xiàn)精確的加速過程時間的測量。

2　原理分析

轉(zhuǎn)速測量：

發(fā)動機傳感器輸出頻率與發(fā)動機轉(zhuǎn)速成正比，本系統(tǒng)采用頻率測量法，即通過測量發(fā)動機傳感器的輸出頻率來得到相應的轉(zhuǎn)速，由于轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號的頻率太低，如果直接利傳感器輸出的頻率來計數(shù)，其轉(zhuǎn)速測量分辨率也很低，因此在轉(zhuǎn)速信號的預處理電路中對經(jīng)放大整形后的脈沖信號還進行了鎖相倍頻處理，以提高轉(zhuǎn)速的測量分辨率和測量精度。

脈沖頻率的計數(shù)由單片機內(nèi)部16位計數(shù)器完成，計數(shù)的閘門時間（時基）由晶振提供，閘門時間脈沖通過控制外部中斷來控制計數(shù)的開始與停止，此設(shè)計中還利用了數(shù)字濾波技術(shù)來提高轉(zhuǎn)速的測量精度和測量穩(wěn)定性。

加速時間的測量：

典型的發(fā)動機加速過程如下圖1所示：

如圖中所示，測量發(fā)動機的加速時間通常是測量慢車狀態(tài)到最大狀態(tài)的時間。根據(jù)試車大綱的操作要求，從慢車狀態(tài)快推油門到最大，轉(zhuǎn)速從慢車轉(zhuǎn)速達到峰值的時間即為加速時間，即圖1中的t1時間。時間測量的開始時刻通過一個開關(guān)控制，在測量時由操作員在推油門的同時通過閉合該開關(guān)來啟動計時，因此，用單片機測量加速時間的關(guān)鍵是如何正確判別加速過程的終止時刻。

我們采用的判別方法如下：計時開始后，單片機程序一方面測量轉(zhuǎn)速，另一方面不斷將當前測量值與上次測到的轉(zhuǎn)速進行比較，如果大于上次的測量值則說明加速過程未結(jié)束，如果等于或小于上次的測量值則說明加速過程已結(jié)束，單片機通過輸出結(jié)束計數(shù)命令停止計數(shù)。

為了提高判別的可靠性，降低由于轉(zhuǎn)速擺動等干擾所造成的誤判，軟件設(shè)計規(guī)定必須在連續(xù)兩個閘門時間內(nèi)的轉(zhuǎn)速測量值不大于上次的測量值，才被認為轉(zhuǎn)速的加速時間已結(jié)束，但由此引起判斷的時間的滯后（見圖１中的td）。因為閘門時間是確定的，所以可以很容易地通過軟件對滯后時間進行補償。

時間計數(shù)器件采用通用十進制計數(shù)器，計數(shù)脈沖由時基電路產(chǎn)生，頻率為10赫茲。加速時間的分辨率為0.1秒。

3　具體實現(xiàn)

3.1 測量頻率

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，我們所用發(fā)動機轉(zhuǎn)速與頻率的對應關(guān)系是：轉(zhuǎn)速10000轉(zhuǎn)/分時傳感器輸出頻率為83.3333Hz，因此，根據(jù)前面的原理分析，為了減小誤差，首先要對轉(zhuǎn)速進行倍頻，根據(jù)對應關(guān)系，設(shè)計總倍頻系數(shù)300，并取閘門時間取為0.2S。51系列單片機內(nèi)部設(shè)置了兩個16位可編程的定時器/計數(shù)器T0和T1，它們具有計數(shù)器和定時器兩種工作方式和4種工作模式，通過設(shè)置狀態(tài)字，可以方便的選擇適當?shù)墓ぷ鞣绞脚c工作模式；同時，單片機設(shè)有兩個外部中斷請求輸入線INT0和INT1，用于輸入外部中斷源的中斷請求信號。在此，我們采用計數(shù)器T1的16位計數(shù)模式，計數(shù)器計數(shù) (83.3333*300)*0.2=5000，并從INT0輸入0.2秒的外部定時中斷，T1在0.2秒內(nèi)計數(shù)5000，測量時，每次采到的頻率先乘以 2后再做運算。

3.2 上升時間的測量

用從晶振來的10Hz頻率信號作為時間測量的計數(shù)輸入，計數(shù)開始時間由開關(guān)（面板上的開始開關(guān)）和轉(zhuǎn)速輸入（轉(zhuǎn)速必須大于3000轉(zhuǎn)/分）決定。當轉(zhuǎn)速達到某個值（如3000轉(zhuǎn)/分），單片機系統(tǒng)準備計數(shù)，時間顯示器的小數(shù)點以每秒兩次的速度閃爍，提醒準備按計數(shù)起始按鈕?！　　　　　　　　　　　　　　?/p>

具體計時由INT1中斷完成，在中斷程序中完成對外部0.1秒定時脈沖輸入的計時，計時的結(jié)束時間由轉(zhuǎn)速的峰值時刻決定。轉(zhuǎn)速峰值時刻的判斷方法：記錄用傳感器輸出頻率的2倍頻信號T1，當此次T1值如果大于上次T1值，則該次T1存入峰值單元；如果所測得的T1連續(xù)3次（0.6S）不大于所記錄峰值，則認為峰值已過。為補償0.6S滯后時間，接到“開始計時”指令時，延時0.6S才開始計時。

3.3 系統(tǒng)方框圖

圖2　系統(tǒng)方框圖

系統(tǒng)方框圖說明：
    1 看門狗輸入脈沖；
    2 看門狗復位脈沖；
    3 系統(tǒng)設(shè)置開關(guān)，為提高測量顯示的穩(wěn)定度，通過數(shù)字開關(guān)選擇濾波系數(shù)。濾波系數(shù)（平均次數(shù)）可在1-16之間由開關(guān)設(shè)定，濾波系數(shù)越大，轉(zhuǎn)速測量速度越慢，但測量顯示越穩(wěn)定。

濾波系數(shù)由系統(tǒng)設(shè)置開關(guān)的最右4位設(shè)置：

顯示速率分4擋,分別表示每秒顯示5次、2.5次、1.25次、0.625次。

顯示分辨率也分4擋，分別表示的顯示分辨率為1、5、10、50。

3.4 程序流程

3.5 操作面板設(shè)計

在操作面板中，設(shè)計兩個顯示窗，一個5位，用于顯示發(fā)動機測得的轉(zhuǎn)速；一個3位，用于加速時間的顯示；一個開始開關(guān)，用于加速時間計時的開始，一個復位開關(guān)，用于系統(tǒng)的復位，一個“測量/自校”開關(guān)，用于系統(tǒng)的測量與自校準模式的選擇，可選擇自校方式，進行儀器自我檢驗，打到“測量”，則進行系統(tǒng)的測量。

4　結(jié)束語　　

本系統(tǒng)基于單片機完成某型發(fā)動機轉(zhuǎn)速與加速時間的測量，對原來的計時計數(shù)方式進行了改進，提高轉(zhuǎn)速測量的精度和加速時間的客觀性，準確性和工作效率，系統(tǒng)中設(shè)置有系統(tǒng)設(shè)置開關(guān)，可以根據(jù)實際工作情況設(shè)置濾波系數(shù)，顯示頻率，顯示分辨率，方便用戶的使用，同時系統(tǒng)中設(shè)置有看門狗復位電路，能夠自動監(jiān)控程序的運行，在系統(tǒng)走飛死機時可自動復位，重新進入正常進行狀態(tài)，提高了可靠性，本系統(tǒng)已經(jīng)投入到實際的測量應用當中，并被證明可完全滿足實際工作要求。

5　參考文獻
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