基于CAN总线的航空发动机智能压力传感器设计

赵泽平，彭靖波，徐若淞

(空军工程大学航空工程学院，陕西西安 710038)

0 引言

航空发动机分布式控制系统由中央控制器、智能传感器、智能执行机构、电源总线和数据总线组成，是未来航空发动机控制系统的发展方向。相比于集中式控制系统，分布式控制系统将信号采集、数据处理等低级功能交由智能装置来完成，中央控制器只完成控制算法实现等高级功能[1]。

由于航空发动机控制系统对信号处理的实时性要求比较高，指令运行速度需要在10 MIPS以上，传统的单片机无法满足此需求，而DSP具有高速运算能力，并且功耗较低，本文选择DSP作为航空发动机智能传感器的微处理器。

本文在PTG500/708压阻式压力传感器的基础上，微处理器选择集成了CAN总线控制器和CAN总线通信接口的TMS320LF2407，设计了一种基于CAN总线的智能航空发动机压力传感器。

1 压阻式压力传感器原理

压阻式压力传感器利用半导体材料在受压条件下自身电阻改变，在电阻两端添加激励电压，通过测量输出电压进而实现对压力的采集[2]。

1.1 半导体压阻效应

半导体电阻率会随着加载在自身的压力而发生相应变化：

Δρ=πσ

(1)

式中：ρ为电阻率；π为压阻系数；σ为施加在半导体上的应力，Pa。

压阻式压力传感器采用半导体膜片对加载在其上的压力进行感应，当有应力作用在膜片上时，此时传感器内电阻变化率为

(2)

式中：πl为纵向压阻系数；πt为横向压阻系数；σl为纵向应力,Pa;σt为横向应力，Pa。

压阻系数与半导体内晶体方向有关[3]，将晶体方向上的压阻系数正交分解为3个方向的压阻系数π11，π12，π44，在晶向[ri,si,ti]上，有：

(3)

式中：li，mi，ni为方向余弦。

则有纵、横向压阻系数：

(4)

在实际传感器设计制作过程中，为简化设计过程，纵、横两个方向的应力只使用其中一个。

1.2 惠斯登电桥测压

前面所说，电阻变化量不易测得，由此通过对电路中输出电压的测量进而求出电阻的变化情况。鉴于硅压传感器输出电压值较小，通过现代扩散工艺，将感压膜片建立在由4个相同的敏感电阻组成的惠斯登电桥中[4]，结构如图1所示。

图1 惠斯登电桥连接方式

图中，R1、R2、Rr、Rs为4个初始值相同的硅型敏感电阻，当没有外界应力作用于膜片时，在激励电压V0的作用下输出电压值为零，当外界应力作用于膜片时，敏感电阻条R1、Rs受到压应力，电阻变小，R2、Rr受到拉应力，电阻变大，电阻变化量均为ΔR，则输出电压V为

(5)

由式(5)可以将对传感器阻值的变化转化为易于测量的输出电压变化，进而由式(2)可以得到输出电压与外界压力的变化。对系统内部进行简化可得：

(6)

由式(6)可以看出，假设压阻系数为定值，则输出电压与作用在膜片上的应力成线性关系，在惠斯登桥路中，4个敏感电阻都受到横向压力，由于4个电阻具有相同的非线性特性，且非线性在桥路中可以相互抵消，本文采用PTG500/708压阻式压力传感器。

2 智能传感器总体结构

智能传感器是把原有的传感器进行微机化，将微处理器植入到传感器系统中，并具有电源总线接口和数据总线接口。在分布式控制系统中，智能传感器完成集中式控制系统中央控制器的低级功能，主要是信号采集、信号传输和信号处理等功能。智能传感器主要包括传感器、微处理器、电源总线接口和数据总线接口，如图2所示。其工作过程是传感器获得被测物理量信号，该信号进入微处理器进行信号处理，并转换为数字信号，通过总线完成与中央控制器的通信。

图2 智能传感器结构图

3 智能压力传感器硬件电路设计

智能压力传感器硬件电路设计原理图如图3所示，主要由上电自检电路、信号处理电路、微处理器DSP以及CAN通讯接口电路组成。

图3 智能压力传感器硬件电路图

3.1 上电自检电路

上电自检功能主要由模拟电子开关MAX319实现，MAX319的工作状态由DSP的IOPA0通用I/O引脚控制。当IOPA0输出低电平时，压力信号接入电路；当IOPA0输出高电平时，自检信号接入电路，与此同时，自检信号与DSP中的预设值比较，如果相等，则电路正常，如果不相等，DSP将智能压力传感器故障信号发送给中央控制器。

3.2 信号处理电路

信号处理电路主要由AD620完成，AD620是信号放大器芯片，其主要将电压信号调理至0～3.3 V，然后输入到DSP中的模拟输入通道ADC0，完成对压力信号的处理。

3.3 微处理器

微处理器选择供电电压为3.3 V、低功耗的TMS320LF2407A芯片。该DSP芯片具有丰富的内外设功能模块：数字输入输出模块(I/O)、10位的模数转换模块(ADC)以及局域网控制模块(CAN)等。DSP芯片接收来自信号处理电路的电压信号，经过模数转换后通过CAN模块发送至CAN通讯电路，完成信号的转换[5]。

对于压阻式的压力传感器，压阻效应主要是基于电阻率的变化，而温度对于电阻率的影响比较大，所以在温度变化比较大的环境中需要对测压过程进行温度补偿。对于智能压力传感器，其可以通过DSP接收CAN总线上的智能温度传感器发出的温度信号，通过文献[6]提出的插值算法，对智能压力传感器的输出量进行补偿，如图4所示。通过DSP实现温度补偿的方法可以避免复杂的硬件补偿电路，同时具有精度高、质量轻等优点。

图4 温度补偿原理图

3.4 CAN通讯接口电路

CAN通讯收发电路由PCA82C250模块完成，该模块是CAN控制器和CAN物理总线的接口，可以发送和接收CAN总线上的信号，一方面，将测量的压力信号转换为差分电平信号，另一方面，通过总线接收智能温度传感器测量的温度信号发送给DSP芯片[7]。

4 实验验证

为了验证智能压力传感器的测压效果，采用PTG500/708压阻式压力传感器，本文以设计的智能大气压力传感器为例进行实验验证。由于航空发动机实际工作的环境在高空，随着高度上升，大气压力不断下降，同时环境温度也会降低。在传感器测试中，理论大气压力取值范围为(0～1)×105Pa，分别测量0、10、20 ℃时的气压值，测量数据如表1所示。

表1 智能大气压力传感器输出数据采集

图5 智能压力传感器输出结果

由表1的数据分析可知，相对误差基本保持在0.2%以下，并且随着压力升高，相对误差有减小的趋势，随着温度的升高，智能压力传感器的测量结果基本保持不变，证明了其具有较好的温度补偿效果。图5为智能压力传感器输出结果。

5 结论

本文设计了一种基于CAN总线的航空发动机智能压力传感器，并基于DSP芯片给出了硬件电路的设计方法，最后通过实验验证了其测压效果。主要成果如下：

(1)提出了一种基于CAN总线的智能传感器的设计方法，并针对分布式控制系统，设计了CAN通讯程序，使其能够完成信号采集、处理、传输等低级功能，减轻了中央控制器的负载。

(2)通过DSP接收CAN总线上的智能温度传感器发出的温度信号对智能压力传感器的输出量进行补偿，避免了多余的硬件电路设计，可以减轻设备的质量。