某俄制飞机发动机振动仪性能试验器的设计与实现

飞机发动机的涡轮转子或螺旋桨，虽然经过严格平衡调整，在转动中依然存在着或大或小的振动现象，不但会使发动机的能量消耗增加，还会使零件疲劳损伤、轴承加速磨损、发动机寿命缩短[1]。因此，近代飞机上都装有发动机振动仪用于测量发动机的振动速度或加速度。

在购买某型号俄制飞机时，随机配备有发动机振动仪试验器，但由于年久失修，已经无法对发动机振动仪性能进行测试，而目前国内又没有替代产品，所以只能凭经验判断发动机振动仪工作是否正常，给飞行带来了安全隐患。本文提出一种可对该发动机振动仪性能进行精确测试的试验器，功能可以完全替代俄制设备，实现了对发动机振动仪的正常维护。

1 试验器的组成及基本工作原理

发动机振动仪试验器由单片机、开关电源、电压隔离传感器、传感器信号模拟电路、继电器驱动电路、显示驱动和按键检测电路、显示器和按键以及信号转换接口组成，如图1所示。

单片机通过按键检测电路获取按键的状态，得到操作者的意图。经过继电器驱动电路控制继电器组中相应的继电器进行转换，将传感器信号模拟电路产生的信号、115 V 400 Hz交流电源和27 V直流电源加到发动机振动仪上，将振动仪输出的信号接到信号转换接口。单片机对信号转换接口输出的信号和电压隔离传感器输出的信号进行测量和处理，并将结果显示在显示器上。

2 硬件设计

2.1 单片机及继电器驱动电路

单片机采用的C8051系列的F021型单片机[2-3]具有4 352 B的内部存储器，8路12 bit A/D转换器，32个I/O接口和5个捕捉/比较模块。利用8路12 bit A/D转换器可以对信号转换接口和电压隔离传感器输出的电压信号进行测量。利用32个I/O接口可以非常方便地经过继电器驱动电路对继电器组上的继电器进行控制。利用单片机的捕捉/比较模块可准确地对传感器信号模拟电路输出信号的频率进行精确测量。

由于单片机的32个I/O接口输出电流不能直接驱动继电器，所以在单片机的I/O接口与继电器之间增加了继电器驱动电路。该驱动电路由2003A继电器驱动芯片构成。每片2003A包含7个三极管，可驱动7个继电器。

2.2 显示驱动和按键检测电路

显示驱动和按键检测电路采用HD7279芯片。该芯片具有通信接口，可同时驱动8位共阴极数码管，同时还可连接64键的键盘矩阵[4]。单片机可以将要显示的数据发送给HA7279芯片，由HA7279芯片直接驱动数码显示器。一旦有按键按下，HA7279芯片会产生中断请求信号，单片机通过接收HA7279芯片发送的数据，即可知道按下的按键。

2.3 信号转换接口

发动机振动仪工作时，输出两路0～200 μA的电流信号，两路0～5 V的电压信号和两路27 V开关量信号。由于单片机的A/D转换器的参考电源为+2.5 V，所以需将上面的电流信号和电压信号转换为0～2.5 V的电压信号。0～200 μA的电流信号可以直接加到一个阻值为12.5 kΩ的精密电阻上即可实现转换。由于0～5 V电压信号的输出阻抗非常大，所以需要加一级由运放构成的跟随器，然后再由一个电阻分压电路变换为0～2.5 V的电压信号。为了避免单片机的工作电源与发动机振动仪的27 V共地，两路27 V开关量信号的测量需要用到两片P521光电耦合器进行隔离，然后再用单片机的I/O接口对光电耦合器的输出进行测量即可。

2.4 开关电源及电压隔离传感器

发动机振动仪试验器的工作电源为115 V 400 Hz交流电源。试验器所需要的±5 V、+12 V电源以及发动机振动仪需要的+27 V电源全部由开关电源提供。115 V 400 Hz交流电源除了向开关电源供电外，还是发动机振动仪的主要工作电源，其电压范围是需要测量的一个参数。为此，试验器利用一个电压隔离传感器，将115 V 400 Hz交流电压变换为直流电压信号，然后由单片机的A/D变换器进行测量。

2.5 传感器信号模拟电路

由于发动机振动仪传感器工作时，其输出信号的大小和频率随着发动机振动的大小和频率改变而改变，所以传感器信号模拟电路应能够输出大小和频率精确可调的交流信号, 该信号能否精确模拟，决定了能否对发动机振动仪的工作性能进行精确测量。传感器信号模拟电路由MAX038函数发生器、AD536真有效值转换芯片。LM358运算放大器以及电阻和电容组成，如图2所示。

MAX038函数发生器可产生正弦波、方波和三角波，输出方式由芯片的A0端和A1端控制。当A1端为逻辑1，A0端为任意电平时，芯片的OUT端就会输出幅值为±1 V的正弦波电压信号。芯片的REF端可输出一个稳定的2.5 V参考电压，在芯片的REF端和IN端连接一个可变电阻，这样便可改变流入IN端的电流，从而改变输出正弦波的频率[5]。为了准确设定正弦波的频率，需利用单片机对该信号的频率进行测量，为此由LM358构成一个过零比较器，将正弦波变为方波[6]，经“频率信号”端发送给单片机。

为了调整输出信号的大小，将MAX038函数发生器产生的正弦波信号接到由LM358构成的反相输入放大器上，通过改变可变电阻R2来调整输出信号的大小。由于振动仪传感器输出的信号非常微弱，在0～2 mV之间，为了准确模拟这个信号，放大器的输出信号是该信号的1 000倍，然后再由一个0.1%的分压电路进行分压，从而减少放大器产生的干扰信号对输出信号的影响。

另外，为了设定输出信号，须将放大器的输出信号反馈给单片机。这里利用AD536真有效值转换芯，将正弦信号转换为直流电压信号[7]，然后由单片机的A/D转换器转换为数字量，最后通过显示器进行显示。

3 软件设计

软件实现的具体功能如图3所示。首先对单片机进行初始化，主要是对A/D转换接口、捕捉输入接口、I/O接口的控制寄存器进行设置。然后单片机进行按键扫描，判断是否有按键按下，根据按键按下的情况，确定执行设定信号频率、设定信号电压、测量输出电压、测量输出电流、测量开关量中的一项，然后将结果通过数码显示器进行显示。之后再回到按键扫描，进行下一次循环。本文所设计的发动机振动仪试验器目前在外场维护工作中已经应用了近半年时间，实践证明，该试验器的各项性能指标完全符合发动机振动仪测试要求，功能完全覆盖原俄制设备。同原俄制设备相比，该试验器还具有技术先进、体积小、性价比高、操作简单等特点，具有较高的应用价值。