陸曉磊 錢政 張秦嶺

摘要 為解決無人機(jī)半物理仿真實(shí)驗(yàn)中活塞發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)長(zhǎng)時(shí)輸入問題，提出了一種輕量級(jí)便攜式多傳感器信號(hào)模擬系統(tǒng)解決方案。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了觸摸屏人機(jī)／MCU／信號(hào)模擬模塊的三級(jí)結(jié)構(gòu)，以某型活塞發(fā)動(dòng)機(jī)為模擬對(duì)象，搭建了信號(hào)模擬系統(tǒng)，可簡(jiǎn)單方便地實(shí)現(xiàn)各參數(shù)排程輸出;設(shè)計(jì)了電路模擬方法，可對(duì)熱電阻、熱電偶、4～20 mA電流信號(hào)、轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)及開關(guān)量信號(hào)等進(jìn)行模擬;對(duì)其中部分易受干擾信號(hào)進(jìn)行了誤差分析，給出誤差計(jì)算公式和誤差值估算，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。該系統(tǒng)可替代發(fā)動(dòng)機(jī)作為各個(gè)長(zhǎng)時(shí)試驗(yàn)的信號(hào)源，不僅大大節(jié)約了試驗(yàn)成本，還有利于進(jìn)一步拓展試驗(yàn)邊界。

關(guān)鍵詞 半物理仿真實(shí)驗(yàn);活塞發(fā)動(dòng)機(jī);傳感器;信號(hào)模擬;誤差分析

中圖分類號(hào)：TM930? DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2023-01-006

Signal simulation of piston engine sensor and error analysis

LU Xiaolei1， QIAN Zheng1， ZHANG Qinling2

（1.School of Instrumentation and Optoelectronic Engineering， Beijing University of

Aeronautics and Astronautics， Beijing 100191， China；

2.Institute of Unmanned System， Beijing University of Aeronautics and Astronautics， Beijing 100191， China）

Abstract In order to solve the problem of long-time input of piston engine parameters in UAV semi physical simulation experiment， a lightweight portable multi-sensor signal simulation system is proposed. Firstly， the three-level structure of touch screen man-machine／MCU／signal simulation module is designed and realized. Taking a certain piston engine as the simulation object， a signal simulation system is built， which can simply and conveniently realize the scheduled output of various parameters. The circuit simulation method is designed， which can simulate thermal resistance， thermocouple， 4～20 mA current signal， speed pulse signal and switching value signal. The error of some easily disturbed signals is analyzed， the error calculation formula and error value estimation are given， and the feasibility is verified. The system can replace the engine as the signal source of each long-term test， which not only greatly saves the test cost， but also helps to further expand the test boundary.

Keywords semi physical simulation experiment; piston engine; sensor; signal simulation; error analysis

目前，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)仍是中小型遠(yuǎn)程無人機(jī)主要的動(dòng)力來源。發(fā)動(dòng)機(jī)各傳感器數(shù)據(jù)是無人機(jī)飛行控制算法和邏輯的重要數(shù)據(jù)輸入，對(duì)飛行平臺(tái)的精確控制和可靠飛行具有非常重要的意義。在實(shí)際工程應(yīng)用中，尤其是無人飛行平臺(tái)的半物理仿真實(shí)驗(yàn)，需要長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器參數(shù)輸入，以驗(yàn)證飛行控制算法的邏輯和可靠性冗余。半物理仿真實(shí)驗(yàn)原理框圖見圖1。

活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的油電混合特性決定了其傳感器種類較多，涉及壓力、溫度、電阻、脈沖信號(hào)等多種物理量，無法使用單一常規(guī)設(shè)備如電阻校驗(yàn)儀、信號(hào)發(fā)生器等進(jìn)行模擬［1-2］。受限于發(fā)動(dòng)機(jī)壽命時(shí)間，若以發(fā)動(dòng)機(jī)作為長(zhǎng)時(shí)信號(hào)源，不僅增加了試驗(yàn)場(chǎng)地、排放要求等成本，還會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命造成損失，浪費(fèi)極大。使用多種信號(hào)模擬方法替代發(fā)動(dòng)機(jī)各類傳感器，作為各類實(shí)驗(yàn)的信號(hào)源輸入，是更為經(jīng)濟(jì)可行且穩(wěn)定可靠的辦法［3-4］。

目前，飛行器半物理仿真實(shí)驗(yàn)中常常采用搭建單個(gè)電路的方法對(duì)傳感器進(jìn)行模擬。如Henry Tam等人提出的無人機(jī)半實(shí)物仿真試驗(yàn)臺(tái)實(shí)例，通過電機(jī)控制編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)以模擬角度傳感器信號(hào)，用于驗(yàn)證系統(tǒng)的信號(hào)濾波算法是否能滿足飛行控制要求［5］。趙文鋒等人研制了一種基于FPGA的信號(hào)發(fā)生器，可產(chǎn)生方波信號(hào)、缺齒方波信號(hào)和占空比可調(diào)方波信號(hào)，用于模擬汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸位置霍爾傳感器［6］，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行虛擬車輛運(yùn)行試驗(yàn)，大大降低汽車診斷和實(shí)驗(yàn)成本。以上均實(shí)現(xiàn)了針對(duì)單一電量傳感器的模擬，但通用性較差，且系統(tǒng)不易擴(kuò)展。劉丹等人研制了一種渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)信號(hào)模擬平臺(tái)，由上位機(jī)通過總線，控制信號(hào)模擬控制管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)磁力線、熱電偶、鉑電阻等傳感器控制模塊的模擬［7］，具備多狀態(tài)模擬能力，具有良好的實(shí)時(shí)性。該模擬平臺(tái)可覆蓋多種傳感器類型，通用性好，但系統(tǒng)架構(gòu)龐大，便攜性較差，不適宜中小型無人飛行器平臺(tái)頻繁的外場(chǎng)試驗(yàn)需求。郭健等人提出了一種便攜式發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)模擬器［8］，外形小巧易于攜帶，使用基于PC104總線的硬件架構(gòu)和LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)，技術(shù)成熟模塊化程度高，但仍需要耗費(fèi)較高的硬件成本和較長(zhǎng)的軟件開發(fā)周期。

本文針對(duì)中小型活塞發(fā)動(dòng)機(jī)常用傳感器類型，提出了一種輕量級(jí)便攜式多傳感器信號(hào)模擬系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱電阻、熱電偶、標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA電流信號(hào)、脈沖信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)的電路模擬，對(duì)其中的易受干擾信號(hào)進(jìn)行誤差分析，驗(yàn)證了本文方案的可行性，并根據(jù)誤差估算結(jié)果給出了優(yōu)化途徑。

1 系統(tǒng)指標(biāo)及架構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

系統(tǒng)以Rotax914活塞發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器為模擬目標(biāo)，需要對(duì)熱電阻、熱電偶、轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)、壓力信號(hào)和開關(guān)量進(jìn)行精確模擬。輸出信號(hào)技術(shù)要求如表1所示。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

信號(hào)模擬系統(tǒng)由人機(jī)界面／二級(jí)MCU／傳感器模擬模塊等三級(jí)結(jié)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)框圖見圖2。人機(jī)界面由觸摸屏、液晶儀表盤、測(cè)試端子及開關(guān)等組成?？筛鶕?jù)用戶需求定制，方便地實(shí)現(xiàn)測(cè)試界面切換、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)記錄等功能，通過422串口與二級(jí)MCU控制器進(jìn)行交互，可方便地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試，數(shù)據(jù)穩(wěn)定、易于擴(kuò)展。MCU通過IO、SPI、DA等外設(shè)控制各個(gè)傳感器模擬模塊進(jìn)行自動(dòng)檔位切換。

其中，觸摸屏選用了Panel Master人機(jī)模塊，長(zhǎng)期的工業(yè)應(yīng)用使其具備了成熟的用戶開發(fā)庫(kù)和豐富的物理量控件，尤其是其靈活的排程輸出能力，可按用戶設(shè)置通過簡(jiǎn)單編程語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)對(duì)控件狀態(tài)的精確定時(shí)調(diào)整，以簡(jiǎn)單快捷的低成本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試，對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)具有非常好的適配性。該信號(hào)模擬系統(tǒng)人機(jī)界面實(shí)例見圖3。MCU選用了STM系列單片機(jī)，其豐富的外設(shè)接口，可靈活驅(qū)動(dòng)各類模擬數(shù)字芯片，擴(kuò)展性強(qiáng)。觸摸屏與MCU間通過422接口和標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議進(jìn)行通信，具有良好的可擴(kuò)展性和維護(hù)性。傳感器模擬模塊是本模擬系統(tǒng)的核心部件，包含熱電阻、熱電偶、脈沖信號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)等子模塊，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)各種信號(hào)的模擬輸出。

常用的基于PCI／PC14總線的信號(hào)模擬系統(tǒng)需要搭建復(fù)雜的四級(jí)結(jié)構(gòu)，硬件成本耗費(fèi)高，適用于需要高速數(shù)據(jù)輸入輸出場(chǎng)景，且軟件復(fù)雜、開發(fā)周期長(zhǎng)，圖4是使用了PC104總線架構(gòu)的某型發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)［8］。

與之相比，該觸摸屏人機(jī)／MCU／傳感器模擬模塊的三級(jí)結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易行、體積小、便攜性好、開發(fā)維護(hù)成本低、開發(fā)周期短等突出優(yōu)點(diǎn)，特別適用于模擬多點(diǎn)多態(tài)穩(wěn)態(tài)參數(shù)。圖5為信號(hào)模擬實(shí)物圖。

2 信號(hào)模擬電路設(shè)計(jì)及優(yōu)化

2.1 熱電阻模擬

活塞發(fā)動(dòng)機(jī)有復(fù)雜的油路和冷卻系統(tǒng)，溫度是準(zhǔn)確判定發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的重要數(shù)據(jù)。一些關(guān)鍵點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)如滑油溫度、冷卻液溫度、機(jī)艙溫度等，在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)工作剖面中，變化范圍為0～200 ℃。目前發(fā)動(dòng)機(jī)上測(cè)量該類參數(shù)常用的傳感器為熱電阻如Pt100，其對(duì)應(yīng)阻值變化范圍為100～200 Ω［9］。

考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)工況中標(biāo)志點(diǎn)溫度數(shù)量不多，且為了節(jié)約測(cè)試時(shí)間與標(biāo)定成本，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，僅需要測(cè)試某幾個(gè)關(guān)注溫度點(diǎn)，對(duì)熱電阻不必做全量程的模擬，因此，文中采用了集成多路模擬開關(guān)陣列切換高精度電阻的方式，如圖6所示。

集成多路模擬開關(guān)內(nèi)部包含多個(gè)開關(guān)陣列，受外部信號(hào)控制，從多個(gè)模擬輸入信號(hào)中切換選擇所需輸入通道。其優(yōu)點(diǎn)是切換速度高、導(dǎo)通電阻低、截止電阻大，在數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)選用的多路模擬開關(guān)NX3L4051是一款低導(dǎo)通電阻的8通道模擬開關(guān)，由MCU控制S1／S2／S3端通過尋址方式設(shè)置閉合的通道，輸入端可配置為施密特觸發(fā)器，具有非常好的抗噪聲特性，模擬電路如圖7所示。

圖7中，Z端為電阻量公共端，R1～R8是根據(jù)測(cè)試需求配置的低溫漂精密電阻，MCU通過IO口輸出電平信號(hào)對(duì)S3／S2／S1尋址，將R1～R8自Y0～Y7分別接入后級(jí)測(cè)試電路。

分析該電阻測(cè)試回路上的誤差源有：集成模擬開關(guān)并非理想開關(guān)，存在接觸電阻Rs;信號(hào)至后級(jí)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試電纜的導(dǎo)線電阻Rw;R1～R8電阻值誤差Re和環(huán)境變化引起的電阻溫漂RT。

可將誤差量估算為

R總=Rs+Rw+R2e+R2T。（1）

式中，Rs與Rw為固有誤差，無法消除，可通過在配置精密電阻R1～R8時(shí)通過減少阻值進(jìn)行補(bǔ)償。Re、RT成為誤差最大來源，因此，在配置R1～R8時(shí)，應(yīng)盡可能選取溫漂系數(shù)較低的高精度電阻。

R1～R8選用0.1％精密電阻，溫度系數(shù)為10 ×10-6/℃。以最大電阻200 Ω計(jì)，Re=0.2 Ω。試驗(yàn)場(chǎng)環(huán)境溫度范圍按0℃～60℃計(jì)（下同），環(huán)境溫度變化引起的電阻溫度漂移RT=0.12 Ω，由式（1）可估算系統(tǒng)誤差為

R2e+R2TR總×100%=0.23%，

滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 熱電偶模擬

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度是發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的氣動(dòng)熱力性能參數(shù)，是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常與否和工作狀態(tài)判定的重要指標(biāo)。通常發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度是由分布于發(fā)動(dòng)機(jī)艙的熱電偶測(cè)得，熱電偶感應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)信號(hào)變換電路放大后由后端計(jì)量設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。常用的K型熱電偶感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)范圍為0～100 mV，為毫伏級(jí)微電壓，已進(jìn)入電子元器件溫漂和噪聲引起的電壓偏置范圍［10］，這給該類信號(hào)模擬帶來較大困難。

本文采用高精度基準(zhǔn)信號(hào)源和多級(jí)數(shù)字電位計(jì)分壓方式對(duì)該信號(hào)進(jìn)行模擬，如圖8所示?；鶞?zhǔn)電壓源產(chǎn)生U1，經(jīng)電壓跟隨器A1后接入數(shù)字電位計(jì)進(jìn)行一級(jí)分壓，再經(jīng)電壓跟隨器A2隔離后由數(shù)字電位計(jì)做二次分壓，最終經(jīng)A3隔離輸出微小電壓信號(hào)。

MAX6225是一款適配低壓處理器的低功耗基準(zhǔn)信號(hào)源，輸出的2.5 V參考電壓經(jīng)電壓跟隨器接入數(shù)字電位計(jì)X9110進(jìn)行分壓。X9110是一款SPI接口的10位單電源數(shù)控電位計(jì)，標(biāo)稱阻值100 kΩ，包含1 024個(gè)電阻單元。MCU根據(jù)人機(jī)界面發(fā)來指令，通過IO和SPI控制兩個(gè)數(shù)字電位計(jì)的工作狀態(tài)。兩級(jí)分壓后的電壓信號(hào)需經(jīng)電壓跟隨器進(jìn)行隔離以消除后級(jí)分壓電阻的影響。電壓跟隨器使用了低失調(diào)電壓低噪聲高性能運(yùn)算放大器OP07。

由于測(cè)試過程信號(hào)變化緩慢，該信號(hào)的誤差主要表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)誤差。由圖7電路關(guān)系可知

Uc=K1K2×2.5+K2K1Uref_e+K2UA1_e+K2UK1_e+K2UA2_e+UK2_e+UA3_e。（2）

式中：K1、K2為兩級(jí)數(shù)字電位計(jì)的分壓比;Uref-e為基準(zhǔn)電壓源的溫漂和偏置引起的誤差;UK1-e為一級(jí)數(shù)字電位計(jì)分壓誤差;UK2-e為二級(jí)數(shù)字電位計(jì)分壓誤差;UA1-e、UA2-e和UA3-e為各級(jí)運(yùn)算放大器零漂、溫漂和偏置導(dǎo)致的誤差。下面對(duì)這些誤差分別進(jìn)行分析和估算。

2.2.1 基準(zhǔn)電壓源誤差

基準(zhǔn)電壓源誤差可由式（3）得出，

Uref_e=U2ref_t+U2ref_os。（3）

式中：Uref_t為基準(zhǔn)電壓溫漂引起的誤差;Uref_os為基準(zhǔn)電壓偏置。

MAX6225溫漂為2×10-6/℃，初始偏置為0.02％。在環(huán)境溫度為60 ℃時(shí)，總電壓誤差可由式（3）計(jì)算得到，Uref_e=0.531 mV。

2.2.2 電位計(jì)分壓誤差

數(shù)字電位計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖9所示，內(nèi)部電阻陣列相串聯(lián)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)接有數(shù)字開關(guān)，外部數(shù)字信號(hào)經(jīng)譯碼后，驅(qū)動(dòng)數(shù)字開關(guān)通斷，將電阻抽頭W端接入指定節(jié)點(diǎn)。電阻陣列共有n=210個(gè)子電阻，其中，中間抽頭位于第m個(gè)電阻與第m+1個(gè)電阻之間時(shí)，分壓比K=m／n。

H和L為電阻陣列的兩端，調(diào)節(jié)中心抽頭W時(shí)，W端與H、L兩端阻值隨之變化?？梢婋娢挥?jì)相當(dāng)于2個(gè)同步調(diào)節(jié)的可調(diào)電阻串聯(lián)而成的電阻，可建立數(shù)字電位計(jì)電阻陣列模型如圖10［11］。記電位計(jì)總電阻標(biāo)稱值為R，分壓點(diǎn)電阻誤差為Re，電位計(jì)抽頭接觸點(diǎn)電阻為Rw。

受工藝因素影響，數(shù)字電位計(jì)的電阻陣列必然存在非線性誤差。如圖10所示，對(duì)于電阻陣列R1～Rn，每個(gè)電阻單元均可視為理想阻值Ri與誤差Rie串聯(lián)而成，其中，i=1，2，…，n。電阻陣列的誤差有積分非線性誤差（INL）和差分非線性誤差（DNL）兩種。其中，積分非線性誤差是除了偏移誤差和增益誤差外，實(shí)際傳遞函數(shù)曲線和理想傳遞函數(shù)曲線的最大誤差，單位為最低有效位（LSB）。差分非線性誤差是實(shí)際碼寬與理想碼寬的誤差（1LSB）。在分壓模式下，電位計(jì)的積分非線性誤差RINL和差分非線性誤差RDNL均為±14LSB［12］。電位計(jì)阻值誤差可由式（4）計(jì)算，

Re=R2INL+R2DNL。（4）

對(duì)X9110，有Re=3.452 7 Ω。

輸出電壓理論值為

Uout=KUin，（5）

輸出電壓實(shí)際值為

U′out=KR±ReRUin，（6）

推出數(shù)字電位計(jì)分壓誤差為

U′out-UoutUout＝±ReKR。（7）

可知電位計(jì)分壓誤差與分壓比K相關(guān)，在滿足分壓比例的前提下，對(duì)K1、K2進(jìn)行合理分配可有效降低數(shù)字電位計(jì)分壓誤差。對(duì)第一級(jí)分壓電路，按分壓要求取分壓比K1=0.04時(shí)，電壓誤差比為±0.09%;對(duì)第二級(jí)分壓電路，最低檔信號(hào)取分壓比K2=0.08時(shí)，電壓誤差比為±0.04%?？梢婋娢挥?jì)分壓引入的誤差很小，可忽略不計(jì)。由于后級(jí)電壓跟隨器的高輸入阻抗，Rw的影響也可忽略不計(jì)［13-14］。

綜上分析，可忽略數(shù)字電位計(jì)誤差對(duì)分壓信號(hào)的影響。

2.2.3 運(yùn)算放大器誤差

電壓跟隨器中的運(yùn)放均工作于深度負(fù)反饋狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)誤差主要來源于運(yùn)放失調(diào)電壓Uos及溫漂Uos_dt［15-17］。環(huán)境溫度變化時(shí)，最大電壓偏移為

ΔU=Uos_t0+（T-25）Uos_dt。（8）

式中：Uos_t0為常溫（25℃）時(shí)運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電壓;Uos_dt為運(yùn)放溫漂。

由式（8）可得OP07運(yùn)算放大器有

ΔU=U60 ℃=42.5 μV。

由式（2）可得，在最高環(huán)境溫度為6 ℃時(shí)，取K1=0.04，K2=0.08，誤差可估算為

Ue=0.051 mV。

K型熱電偶的輸出范圍為0～41.269 mV（對(duì)應(yīng)-1 000 ℃），信號(hào)模擬電路輸出誤差比為0.05141.269×100%=0.1%。

滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA電流模擬

滑油壓力是發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的重要參數(shù)，是度量發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命及工作穩(wěn)定性的標(biāo)志信號(hào)。目前常用的滑油壓力傳感器為電動(dòng)式壓力變送器，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA電流供后級(jí)測(cè)量使用，傳感器輸出信號(hào)如圖11所示。

基于運(yùn)放的壓控恒流源，負(fù)載接入方式有懸浮式和接地式兩種。由于接地式對(duì)輸入輸出阻抗的匹配性要求較高［18-19］，本文采用了懸浮式的負(fù)載接入，如圖12所示，負(fù)載由RL兩端接入。MCU通過DA輸出電壓信號(hào)，經(jīng)C1濾波后輸入運(yùn)放同相端，由三極管進(jìn)行電流放大，其中，R為輸出反饋電阻，用于調(diào)節(jié)輸出電壓范圍，C2為去抖電容對(duì)反饋信號(hào)做滯后補(bǔ)償，以防止負(fù)載波動(dòng)對(duì)前端深度負(fù)反饋電路的影響［15］。

由運(yùn)放特性可知

IL=U+R=UDAR。（9）

負(fù)載RL上電流與MCU輸出電壓UDA成線性關(guān)系，當(dāng)DA輸出值與R阻值匹配，在預(yù)定范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，即可在RL上得到精確的4～20 mA電流。由式（9）可知，輸出電流誤差I(lǐng)Le和MCU的DA電壓分度、運(yùn)放失調(diào)電壓及電阻R精度有關(guān)［19-20］?？赏瞥鲭娏髡`差估算式如下，

ILe=U2OS+U2DAeR+UR2×R2e+R2t。（10）

由式（10）可知，選用等級(jí)適宜的低溫漂和高精度電阻R，及低失調(diào)電壓的運(yùn)算放大器，可降低電流誤差。確定電路參數(shù)可通過對(duì)量程上下限分別標(biāo)定來縮小取值范圍［20］。

2.4 電磁脈沖式轉(zhuǎn)速傳感器模擬

電磁脈沖式轉(zhuǎn)速傳感器是通過發(fā)動(dòng)機(jī)軸上的磁體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，盤齒切割磁芯形成的磁場(chǎng)，產(chǎn)生磁感現(xiàn)象，引起傳感器中線圈產(chǎn)生交變電壓，輸出脈沖信號(hào)，每轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖上升沿。圖13為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)，可以看出，轉(zhuǎn)速越大時(shí)脈沖頻率就越高，同時(shí)，由于切割磁芯時(shí)間變短，脈沖變得更窄。轉(zhuǎn)速信號(hào)是頻率和寬度可變的脈沖信號(hào)，范圍為0～6 000 r/min（0～100 Hz），幅值為0～40 V的窄脈沖量，隨著頻率的升高，脈沖寬度相應(yīng)變窄。

如圖14所示，使用MCU定時(shí)器端口+電流放大電路對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行模擬。轉(zhuǎn)速信號(hào)頻率范圍為0～100 Hz，使用MCU定時(shí)器功能，經(jīng)分頻降頻后，輸出低頻方波信號(hào)，脈沖寬度由MCU軟件直接設(shè)置;該信號(hào)經(jīng)三極管Q1、Q2進(jìn)行電流放大后，由模擬開關(guān)ADG5208進(jìn)行幅值調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)信號(hào)由MCU的IO口給出。ADG5208是一款高壓防閂鎖型多路復(fù)合開關(guān)芯片，內(nèi)置8通道開關(guān)，最高信號(hào)接入電壓可達(dá)+40V，適用于較高電壓信號(hào)切換。幅值和脈寬調(diào)制后的方波信號(hào)經(jīng)運(yùn)放隔離后輸入1∶1變壓器T1，由于T1原邊的電感作用，將方波信號(hào)變換為尖峰信號(hào)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)模擬要求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種輕量級(jí)便攜式多傳感器信號(hào)模擬系統(tǒng)架構(gòu)，具有成本低、開發(fā)周期短、易于擴(kuò)展和良好的可維護(hù)性等優(yōu)點(diǎn)，可推廣應(yīng)用于各類半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值;設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了對(duì)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器常見的熱電阻、熱電偶、4～20 mA電流信號(hào)、轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)及開關(guān)量等信號(hào)的精確模擬;對(duì)其中部分易受干擾信號(hào)進(jìn)行了誤差分析，給出誤差計(jì)算公式和誤差值估算，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性并指出了優(yōu)化方向。

該系統(tǒng)可替代發(fā)動(dòng)機(jī)作為各個(gè)長(zhǎng)時(shí)試驗(yàn)的信號(hào)源，可完整模擬飛行剖面中的發(fā)動(dòng)機(jī)各狀態(tài)，已成功應(yīng)用于某型號(hào)生產(chǎn)試驗(yàn)及驗(yàn)證，節(jié)約了試驗(yàn)成本，還有利于進(jìn)一步拓展試驗(yàn)邊界，對(duì)傳感器檢定校驗(yàn)等工作具有一定的參考意義。

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（編 輯 李 靜）