某型航空發動機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定值。溫控盒是否正常工作直接關系到發動機工作安全，需定期檢測。航空兵部隊曾經就發生過因溫控盒故障而導致的飛行事故，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定的限制電壓比較來判斷發動機是否超溫。超溫時，將溫差信號調制、放大、解調、功率放大，輸出供油控制信號及座艙內告警信號。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，輸出連續直流信號停止供油。溫控盒檢測儀的主要任務是模擬熱電偶工作，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，實際使用情況如下：
    (1)基于單片機。優點：成本小。缺點：操作復雜，顯示信息有限，人機交互性能相對不足(熱電偶模擬信號需手動轉把手調節)，精度較低，檢測內容的切換需要通過手動開關完成，可存儲數據量小，利用數碼管顯示信息，無法顯示漢字，查看歷史數據不方便。
    (2)基于PC104工業計算機。優點：運行桌面Windows系統，顯示信息多，人機交互性較理想，開發周期相對較短。缺點：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際需求。因此提出了一種基于ARM-WinCE的改進設計方案，該檢測儀結合了已有兩種方案優點，可鼠標操作，顯示信息多，人機交互性好，開發周期短，體積小，功耗小，且支持觸屏。與原檢測儀設計復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，縮短了開發周期與檢測時間，提高了測量精度與實時性，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，燒壞發動機。
1.2 參數需求分析
    根據維護規程規定，溫控盒需檢測參數及最大允許誤差如表1。

2 檢測儀總體設計
    首先進行自檢。系統根據輸入的幅值、頻率和占空比控制D/A輸出對應的方波信號，該信號不經溫控盒直接進入檢測儀進行測量，檢測儀通過對比測試結果與原始輸入來判斷系統是否正常。
    正常檢測時，輸入待檢溫度，系統讀取冷端溫度，根據熱電偶工作原理，控制D/A輸出熱電勢到溫控盒，溫控盒輸出溫控信號，溫控信號經調理后分為兩路：一路進入I/O端口觸發中斷，另一路進入A/D采樣。設置中斷觸發為雙邊沿，則方波信號邊沿到來時觸發中斷，系統轉入中斷處理進行計時或采樣，完成溫控信號物理量測量，同時實時顯示并保存測量結果。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)信號調理模塊：由信號調理電路與穩壓傳感器、模擬開關等組成，實現A/D、D/A輸入/輸出信號調理及其他信號通斷控制。
    (3)信號轉換模塊：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，實現實時數據處理，。
    (5)顯示模塊：由支持觸屏的顯示器組成，提供檢測界面并實時顯示檢測結果。
3 硬件設計
    硬件設計難點主要是激勵信號源，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，可直接與處理器進行串行數據交互，簡化了冷端溫度測量的問題。D/A選用18位分辨率的AD760，經分壓后串行輸出0～80 mV電壓。系統軟件讀取DS1820測得的冷端溫度和用戶輸入的待檢溫度，根據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節。
3.3 溫控信號測量電路
    A/D轉換器選用A/D7190。A/D7190是一款適合高精度測量應用的低噪聲完整模擬前端，可直接輸入小信號，具有24位轉換，分辨率可達微伏級，能較好地滿足激勵信號檢測的精度要求。
4 檢測儀軟件設計
    軟件是檢測儀設計的核心，負責根據待測溫度計算激勵信號幅值，并實時測量、顯示溫控信號參數。軟件開發主要包括操作系統定制、驅動程序開發、應用程序開發三部分。驅動程序負責具體數據采集；應用程序負責數據處理，控制檢測儀工作邏輯，提供人機交互界面，在VS2008中基于MFC開發。
    ThreadTemp和ThreadData分別表示冷端溫度測量線程與數據處理線程，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 操作系統定制
    檢測儀選用WinCE6.0操作系統， 主要為應用程序提供運行環境和文件管理，并為檢測人員提供人機交互平臺，簡化操作。WinCE對 Win32API子集的支持使桌面Windows程序開發經驗可直接應用到檢測儀應用程序開發中，縮短了開發時間。
    檢測儀操作系統是在Platform Builder軟件中根據測試需求及硬件特點進行系統組件及相關信息配置、調試及編譯定制的ARM_V4I模式操作系統。為支持應用程序，操作系統定制時選擇MFC支持模塊，不選擇檢測所不需要的網絡、串口等模塊以最大限度減少系統大小，提高系統運行速度。
4.2 驅動程序開發
    WinCE下驅動程序采用流式接口驅動，以用戶態下DLL形式存在。外設被抽象成一個文件，應用程序通過使用操作系統提供的文件API調用對應的流式接口函數來訪問外設，這不同于桌面Windows中直接以函數名調用DLL中函數。流式接口函數包括xxx_Open()，xxx_Close()，xxx_Init()，xxx_Deinit()，xxx_Read()，xxx_Write()，xxx_IoControl()等12個函數，其中，xxx為自定義設備名[2]。
    檢測儀驅動開發實質是在固定的流式接口函數中實現對硬件部分的具體操作。
4.3 冷端溫度實時測量
    應用程序通過ThreadTemp實現測溫并顯示結果，完成對冷端溫度的實時測量[3]。DS1820與S3C2440單線連接，關鍵是保證正確的時序：初始化→ROM操作→存儲器操作→數據處理[4]。
4.4 自檢輸出信號及溫控信號測量的實現
    利用TX1100A電位計校準激勵信號源后，控制激勵信號輸出大小對系統進行自檢。自檢時，ARM處理器根據檢測人指定的占空比、頻率、幅值，控制D/A輸出相同參數的模擬量，模擬量進入A/D轉換實現自檢，自檢時程序的運行如圖3所示。正常檢時，溫控盒輸出溫控信號。檢測結束后，系統自動以設備編號為標記將結果分文件夾保存，設備編號統一存儲在文本文檔中，讀寫由系統軟件完成。

    自檢信號及溫控信號的實時測量通過在溫控盒驅動程序WKH_Open()中創建的IST實現。中斷到來時，IST完成計時或A/D轉換。如圖2所示，IST先創建中斷關聯事件，然后利用WaitforSingleObject()一直等待；方波信號輸入檢測儀觸發中斷后，IST轉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，先調用QueryPerformanceFrequency()函數獲取機器內部定時器時鐘頻率a[0]，在連續的3次邊沿到來時調用QueryPerformanceCounter()函數獲得當前計數值到a[1]、a[2]、a[3]，兩次計數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轉換可得到方波幅值。以duty表示占空比，f表示頻率，則：
    
    測試結果的實時顯示主要通過ThreadData實現。如圖2所示，在檢測停止前，ThreadData循環完成獲取IST所測量到數據、處理數據、顯示數據、保存數據的任務。
4.5 數據保存與故障分析
    檢測過程中，系統將檢測結果同時寫入文本文檔中完成對檢測結果的保存，檢測人員以后可在不運行測試軟件的情況下直接查看歷史數據。故障出現時，系統查詢故障數據庫，提示檢測人員可能的故障結果。
5 檢測結果及分析
    以幅值(mV)、頻率(Hz)、占空比為一組數據，系統自檢結果如表2所示。其中誤差取3次測量中所出現的最大誤差。

    由表2可得，測得數據誤差均在表1所示范圍內。分析數據可得以下3點：
    (1)幅值誤差穩定在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)頻率達到20 Hz時，誤差開始大于0.1 Hz；頻率達到80 Hz時，會出現結果未顯示或占空比為0.0%。
    調試發現，輸入信號為80 Hz、占空比出現0.0%時，a[2]=0。其原因為ARM不支持同級嵌套[5]，系統響應第1次中斷時，將中斷屏蔽器相應位置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，a[2]=0，由式(4)，高電平時間為0，故占空比出現0.0%。而第3次中斷可被服務，a[3]值正確，頻率正確。
    結果未顯示的原因是數據線程中消息響應函數的算法繁瑣，消耗時間過長，數據未正常顯示。簡化算法后，結果可正常顯示。
    由表1，溫控盒輸出溫控信號頻率為5～8 Hz，在此范圍內，采用圖4方法檢測出誤差在規定范圍之內。增大輸入頻率再進行測試，以測量10次內有無出現結果不正常顯示來進行統計，結果如表3所示。表3中，當頻率較高(大于80 Hz)時，圖4中連續計時或采樣的測量方法將難以實現測量功能，需間隔采樣，結合中斷計數計算方波物理量，以提高測量精度，但測量實時性減弱。

    本文設計的檢測儀已通過部隊實際應用，作為內場離位檢測設備，具有精度高、檢測時間短等優點，有效地保障了航空兵部隊的作戰和訓練任務。設計思想和工程實現方法對于低頻方波信號的物理量實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、功耗低的內外場便攜式檢測設備，具有一定的推廣前景。
參考文獻
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[4] Xu Liyong，Dong Yanrong，Gu Liwei，et al.Design and implementation of  the embedded wince software platform drive[C].2nd International Conference on Advanced Computer Theory and Engineering，2009，2(8)：1933-1940.
[5] Samsung Electronics Co，Ltd.S3C2440 32-bit microcontroller  user′s manual revision 1[K]，Seoul：Samsung Press，2004.