CN106950002A - 一种嵌入式大气数据传感*** - Google Patents

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豆修鑫
刘吴月
罗雨
邹凯
陈广强
罗小云
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Abstract

本发明公开了一种嵌入式大气数据传感***，包括：若干个测压结构、与测压结构数量相等的压力传感器、解算电路单元、电源、控制串口和遥测串口；其中，每个测压结构通过导气管与其相对应的压力传感器相连接；所述解算电路单元与若干个压力传感器相连接；所述电源与所述解算电路单元相连接；所述控制串口和所述遥测串口分别与所述解算电路单元相连接。本发明能够实时测量飞行器表面气流信号和温度信号以及实时解算飞行大气数据，从而使得测量精确并及时反馈信息。

Description

一种嵌入式大气数据传感***
技术领域
本发明涉及一种嵌入式大气数据传感***，特别是涉及嵌入式大气数据传感***一体化设计方法，属于嵌入式大气数据传感技术新领域。
背景技术
传统测量飞行参数使用空速管和风标的方法，对飞机隐身性能极大影响；增加空速管，改变飞行器外形，对飞行器本体气动参数产生影响，导致升阻比下降；同时在高超声速状态下气动热的问题难以解决，并且不能够实时测量，使得飞行大气数据不能够得到及时的反馈。
发明内容
本发明解决的技术问题是：相比于现有技术，提供了一种嵌入式大气数据传感***，能够实时测量飞行器表面气流信号和温度信号以及实时解算飞行大气数据，从而使得测量精确并及时反馈信息。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种嵌入式大气数据传感***，包括：若干个测压结构、与测压结构数量相等的压力传感器、解算电路单元、电源、控制串口和遥测串口；其中，每个测压结构通过导气管与其相对应的压力传感器相连接；所述解算电路单元与若干个压力传感器相连接；所述电源与所述解算电路单元相连接；所述控制串口和所述遥测串口分别与所述解算电路单元相连接；所述测压结构将飞行器表面的气体通过导气管传输给所述压力传感器，所述压力传感器通过气体解算出气压信号和温度信号，并传输给所述解算电路单元，所述解算电路单元首先从所述控制串口接收到自检指令信号，所述解算电路单元根据自检指令信号判断气压信号和温度信号是否在气压阈值和温度阈值内，当气压信号和温度信号在气压阈值和温度阈值内，则通过控制串口和遥测串口发出自检正常信号；然后所述解算电路单元从所述控制串口接收到解算指令信号，所述解算电路单元在解算指令信号的作用下根据气压信号和温度信号解算出飞行大气数据，然后通过控制串口和遥测串口将气压信号、温度信号和飞行大气数据传输给外部***。
上述嵌入式大气数据传感***中，所述测压结构包括复合材料套和金属转接头；其中，所述复合材料套与所述金属转接头相连接；所述复合材料套与飞行器外壁相连接；所述金属转接头与所述导气管相连接。
上述嵌入式大气数据传感***中，所述金属转接头包括圆台部和导管；其中，所述圆台部和所述导管相连接；所述导管与所述导气管相连接；所述导管为“f”型。
上述嵌入式大气数据传感***中，所述解算电路单元包括DSP单元和FPGA单元；其中，所述控制串口和所述遥测串口分别与所述FPGA单元相连接；所述DSP单元与所述FPGA单元相连接；所述FPGA单元从所述控制串口接收到自检指令信号并传输给所述DSP单元，所述FPGA单元从所述压力传感器接收到气压信号和温度信号并传输给所述DSP单元，所述DSP单元根据自检指令信号判断气压信号和温度信号是否在气压阈值和温度阈值内，当气压信号和温度信号在气压阈值和温度阈值内，则将自检正常信号传输给所述FPGA单元，所述FPGA单元通过控制串口和遥测串口发出自检正常信号；所述FPGA单元从所述控制串口接收到解算指令信号并传输给所述DSP单元，所述FPGA单元从所述压力传感器接收到气压信号和温度信号并传输给所述DSP单元，所述DSP单元在解算指令信号的作用下根据气压信号和温度信号解算出飞行大气数据，将自检正常信号传输给所述FPGA单元，所述FPGA单元通过控制串口和遥测串口发出气压信号、温度信号和飞行大气数据。
上述嵌入式大气数据传感***中，所述电源包括一级隔离降压单元、二级电压隔离单元和二级电压转换单元；其中，所述一级隔离降压单元分别和所述二级电压隔离单元、所述二级电压转换单元连接；所述二级电压隔离单元和解算电路单元连接；所述二级电压转换单元和解算电路单元连接；所述一级隔离降压单元对输入电压进行一次降压和电源隔离处理，将降压后的电压传输给二级电压隔离单元和所述二级电压转换单元；所述二级电压隔离单元将一级隔离降压单元输出电压进行隔离后，提供所述解算电路单元供电；所述二级电压转换单元将一级隔离降压单元输出电压转换为多种电压，提供所述解算电路单元供电。
上述嵌入式大气数据传感***中，所述飞行大气数据包括静压、动压、马赫数、攻角和侧滑角。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明实时测量飞行器表面气流信号和温度信号，DSP单元和FPGA单元在线实时解算飞行大气数据，飞行大气数据可用于闭环控制；
(2)本发明的电源隔离设计，确保***可靠性；
(3)本发明的测压结构设置于飞行器的壁内，从而不影响飞行器隐身性能；不产生额外的防热问题、不改变飞行器外形，对飞行器本体气动参数不产生影响；
(4)本发明的金属转接头和导气管的方式，不需要将压力传感器直接安装在飞行器表面，可用于多类型试飞器测压点布置；
(5)本发明的导管为f型结构，改变气体压力流向，同时保证测压力信号的精度。
附图说明
图1为本发明的嵌入式大气数据传感***的框图；
图2本发明的测压结构的结构示意图；
图3本发明的解算电路单元的框图；
图4为本发明的电源的框图；
图5为本发明的压力传感器的框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
图1为本发明的嵌入式大气数据传感***的框图。如图1所示，该嵌入式大气数据传感***包括：若干个测压结构1、与测压结构1数量相等的压力传感器2、解算电路单元3、电源4、控制串口5和遥测串口6。其中，
每个测压结构1通过导气管7与其相对应的压力传感器2相连接。具体的，如图1所示，测压结构1的数量有9个，相对应的，导气管7的数量也为9个，压力传感器2的数量也为9个。导气管7的材料为聚四氟乙烯。
解算电路单元3与若干个压力传感器2相连接。具体的，如图1所示，解算电路单元3分别与9个压力传感器2相连接。
电源4与解算电路单元3相连接。具体的，电源4给解算电路单元3提供电力。
控制串口5和遥测串口6分别与解算电路单元3相连接；
测压结构1将飞行器表面的气体通过导气管7传输给压力传感器2，压力传感器2通过气体解算出气压信号和温度信号，并传输给解算电路单元3，解算电路单元3首先从控制串口5接收到自检指令信号，解算电路单元3根据自检指令信号判断气压信号和温度信号是否在气压阈值和温度阈值内，当气压信号和温度信号在气压阈值和温度阈值内，则通过控制串口5和遥测串口6发出自检正常信号；然后解算电路单元3从控制串口5接收到解算指令信号，解算电路单元3在解算指令信号的作用下根据气压信号和温度信号解算出飞行大气数据，然后通过控制串口5和遥测串口6将气压信号、温度信号和飞行大气数据传输给外部***。具体的，气压阈值选择为5Pa～300kPa，温度阈值为-40℃～80℃。飞行大气数据包括静压、动压、马赫数、攻角和侧滑角。本实施例中的外部***为遥控***和控制***，遥控***与遥测串口6相连接，控制***与控制串口5相连接。
本实施例通过测压结构和压力传感器能够实时测量飞行器表面气流信号和温度信号，解算电路单元能够在线实时解算飞行大气数据，飞行大气数据可用于闭环控制，从而使得测量精确并及时反馈信息。
图2为本发明的测压结构的结构示意图。如图2所示，测压结构1包括复合材料套11和金属转接头12。具体的，复合材料套11的材料选择为高硅氧，这种材料达到的效果为隔绝高温。金属转接头12的材料一般选择为不锈钢。其中，
测压结构1设置于飞行器外壁13。具体的，如图2所示，飞行器外壁13为实体结构(图2中灰色部分)，飞行器外壁13的下表面为飞行器的外表面。在飞行器外壁13内开设与测压结构1的形状相匹配的槽，将测压结构1嵌设进入槽内，本实施例通过将测压结构设置于飞行器的壁内，从而不影响飞行器隐身性能；不产生额外的防热问题、不改变飞行器外形，对飞行器本体气动参数不产生影响。
复合材料套11与金属转接头12相连接。具体的，复合材料套11的上端面与金属转接头12的下端面胶接，进一步的，金属转接头12开设有螺纹孔，复合材料套11开设有与金属转接头12的螺纹孔相对应的螺纹孔，将螺钉穿过金属转接头12的螺纹孔与复合材料套11的螺纹孔从而将金属转接头12与复合材料套11固定连接起来。本实施例通过将复合材料套11与金属转接头12在胶接的基础上又进行螺纹连接，从而使得复合材料套11与金属转接头12的连接性牢固。
复合材料套11与飞行器外壁13相连接。具体的，复合材料套11与飞行器外壁13相接触的部分通过硅橡胶连接在一起，进一步的，在飞行器外壁13上开设与复合材料套11的螺纹孔相对应的螺纹孔，通过螺钉穿过复合材料套11的螺纹孔与飞行器外壁13的螺纹孔将复合材料套11与飞行器外壁13固定连接在一起。本实施例通过将复合材料套11与飞行器外壁13在胶接的基础上又进行螺纹连接，从而使得复合材料套11与飞行器外壁13的连接性牢固。
飞行器表面的气体进入到复合材料套11内，然后通过金属转接头12后进入到导气管7内。
金属转接头12与导气管7相连接。具体的，金属转接头12与导气管7通过硅橡胶相连接。
如图2所示，金属转接头12包括圆台部121和导管122。其中，
圆台部121和导管122相连接。金属转接头12为一体成型结构。
导管122与导气管7通过硅橡胶相连接。具体的，由于导气管7的内径稍大于导管122的外径，导管122能够***到导气管7，导管122与导气管7相接触的部分通过硅橡胶连接在一起。
导管122为“f”型。具体的，导管122该形状的设计能够改变气体压力流向，同时保证测压力信号的精度。
图3为本发明的解算电路单元的框图。如图3所示，解算电路单元3包括DSP单元31和FPGA单元32；其中，
控制串口5和遥测串口6分别与FPGA单元32相连接。
DSP单元31与所述FPGA单元32相连接。
FPGA单元32从所述控制串口5接收到自检指令信号并传输给DSP单元31，FPGA单元32从所述压力传感器2接收到气压信号和温度信号并传输给DSP单元31，DSP单元31根据自检指令信号判断气压信号和温度信号是否在气压阈值和温度阈值内，当气压信号和温度信号在气压阈值和温度阈值内，则将自检正常信号传输给FPGA单元32，FPGA单元32通过控制串口5和遥测串口6发出自检正常信号。
FPGA单元32从所述控制串口5接收到解算指令信号并传输给DSP单元31，FPGA单元32从压力传感器2接收到气压信号和温度信号并传输给DSP单元31，DSP单元31在解算指令信号的作用下根据气压信号和温度信号解算出飞行大气数据，将自检正常信号传输给FPGA单元32，FPGA单元32通过控制串口5和遥测串口6发出气压信号、温度信号和飞行大气数据，实现在线实时解算飞行大气数据功能。
图4为本发明的解算电路单元的框图。如图4所示，电源4包括一级隔离降压单元41、二级电压隔离单元42和二级电压转换单元43；其中，
一级隔离降压单元41分别和二级电压隔离单元42、二级电压转换单元43连接；二级电压隔离单元42和解算电路单元3连接；二级电压转换单元43和解算电路单元3连接。一级隔离降压单元41对输入电压进行一次降压和电源隔离处理，将降压后的电压传输给二级电压隔离单元42和二级电压转换单元43；二级电压隔离单元42将一级隔离降压单元41输出电压进行隔离后，提供解算电路单元3供电；二级电压转换单元43将一级隔离降压单元41输出电压转换为多种电压，提供解算电路单元3供电。
具体的，如图4所示，一级隔离降压单元1对输入电压28.5V进行一次降压和电源隔离处理为5V电压，将降压后的电压传输给二级电压隔离单元42和二级电压转换单元43；二级电压隔离单元42将一级隔离降压单元41输出电压5V进行隔离后，提供解算电路单元3供电；二级电压转换单元43将一级隔离降压单元41输出5V电压转换为3.3V、2.5V、1.1V和1.2V电压，提供解算电路单元3供电。
图5为本发明的压力传感器的框图。如图5所示，压力传感器2包括：压力敏感单元21、温度敏感单元22、A/D转换单元23、微处理器单元24、SPI单元25、EEPROM单元26、D/A单元27和压力调节单元28。压力敏感单元21、温度敏感单元22均和A/D转换单元23连接，A/D转换单元23、SPI单元25、EEPROM单元26、D/A单元27、压力调节单元28均和微处理器单元24连接，SPI单元25和FPGA单元32进行数字量通信，D/A单元27向FPGA单元32发送模拟量。
每个采集循环开始时，FPGA单元32通过片选芯片，驱动A/D转换单元23开始采样。采样完成后通过片选芯片告知解算机采样完成，解算机通过SPI单元25串行口读取采样数据，即可完成压力敏感单元21和温度敏感单元22采样。压力敏感单元21和温度敏感单元22在内部A/D转换单元23对压力和温度进行高精度A/D转换，直接向外部提供24位数字压力数据、16位数字温度数据，FPGA单元与压力敏感单元21和温度敏感单元22通讯需要使用8根导线完成供电及通讯任务。解算公式：
F1＝a1+(b1×t)+(c1×t2)+(d1×t3)+(e1×t4)+(fa1×t5)
F2＝a2+(b2×t)+(c2×t2)+(d2×t3)+(e2×t4)+(fa2×t5)
F3＝a3+(b3×t)+(c3×t2)+(d3×t3)+(e3×t4)+(fa3×t5)
F4＝a4+(b4×t)+(c4×t2)+(d4×t3)+(e4×t4)+(fa4×t5)
F5＝a5+(b5×t)+(c5×t2)+(d5×t3)+(e5×t4)+(fa5×t5)
F6＝a6+(b6×t)+(c6×t2)+(d6×t3)+(e6×t4)+(fa6×t5)
Y＝A+(F1×p)+(F2×p2)+(F3×p3)+(F4×p4)+(F5×p5)+F6
C＝g1+(g2×t)+(g3×t2)+(g4×t3)
其中，a1～a6、b1～b6、c1～c6、d1～d6、e1～e6、fa1～fa6、g1～g4、A均是EEPPROM单元中烧写进去的传感器标定系数，p为压力值的A/D转换单元数值/16777215，t为压力值的A/D转换单元数值/65535。Y为最终结算出来的压力值(单位PSI)，C为最终结算出来的温度值(单位℃)。
本发明的测压结构设置于飞行器的壁内，从而不影响飞行器隐身性能；不产生额外的防热问题、不改变飞行器外形，对飞行器本体气动参数不产生影响；并且本发明金属转接头和导气管的方式，不需要将压力传感器直接安装在飞行器表面，可用于多类型试飞器测压点布置；并且本发明的导管为f型结构，改变气体压力流向，同时保证测压力信号的精度；并且本发明实时测量飞行器表面气流信号和温度信号，DSP单元和FPGA单元在线实时解算飞行大气数据，飞行大气数据可用于闭环控制，并且本发明的电源隔离设计，确保***可靠性。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种嵌入式大气数据传感***，其特征在于包括：若干个测压结构(1)、与测压结构(1)数量相等的压力传感器(2)、解算电路单元(3)、电源(4)、控制串口(5)和遥测串口(6)；其中，
每个测压结构(1)通过导气管(7)与其相对应的压力传感器(2)相连接；
所述解算电路单元(3)与若干个压力传感器(2)相连接；
所述电源(4)与所述解算电路单元(3)相连接；
所述控制串口(5)和所述遥测串口(6)分别与所述解算电路单元(3)相连接；
所述测压结构(1)将飞行器表面的气体通过导气管(7)传输给所述压力传感器(2)，所述压力传感器(2)通过气体解算出气压信号和温度信号，并传输给所述解算电路单元(3)，所述解算电路单元(3)首先从所述控制串口(5)接收到自检指令信号，所述解算电路单元(3)根据自检指令信号判断气压信号和温度信号是否在气压阈值和温度阈值内，当气压信号和温度信号在气压阈值和温度阈值内，则通过控制串口(5)和遥测串口(6)发出自检正常信号；然后所述解算电路单元(3)从所述控制串口(5)接收到解算指令信号，所述解算电路单元(3)在解算指令信号的作用下根据气压信号和温度信号解算出飞行大气数据，然后通过控制串口(5)和遥测串口(6)将气压信号、温度信号和飞行大气数据传输给外部***。
2.根据权利1所述嵌入式大气数据传感***，其特征在于：所述测压结构(1)包括复合材料套(11)和金属转接头(12)；其中，
所述复合材料套(11)与所述金属转接头(12)相连接；
所述复合材料套(11)与飞行器外壁(13)相连接；
所述金属转接头(12)与所述导气管(7)相连接。
3.根据权利2所述嵌入式大气数据传感***，其特征在于：所述金属转接头(12)包括圆台部(121)和导管(122)；其中，
所述圆台部(121)和所述导管(122)相连接；
所述导管(122)与所述导气管(7)相连接；
所述导管(122)为“f”型。
4.根据权利1所述嵌入式大气数据传感***，其特征在于：所述解算电路单元(3)包括DSP单元(31)和FPGA单元(32)；其中，
所述控制串口(5)和所述遥测串口(6)分别与所述FPGA单元(32)相连接；
所述DSP单元(31)与所述FPGA单元(32)相连接；
所述FPGA单元(32)从所述控制串口(5)接收到自检指令信号并传输给所述DSP单元(31)，所述FPGA单元(32)从所述压力传感器(2)接收到气压信号和温度信号并传输给所述DSP单元(31)，所述DSP单元(31)根据自检指令信号判断气压信号和温度信号是否在气压阈值和温度阈值内，当气压信号和温度信号在气压阈值和温度阈值内，则将自检正常信号传输给所述FPGA单元(32)，所述FPGA单元(32)通过控制串口(5)和遥测串口(6)发出自检正常信号；
所述FPGA单元(32)从所述控制串口(5)接收到解算指令信号并传输给所述DSP单元(31)，所述FPGA单元(32)从所述压力传感器(2)接收到气压信号和温度信号并传输给所述DSP单元(31)，所述DSP单元(31)在解算指令信号的作用下根据气压信号和温度信号解算出飞行大气数据，将自检正常信号传输给所述FPGA单元(32)，所述FPGA单元(32)通过控制串口(5)和遥测串口(6)发出气压信号、温度信号和飞行大气数据。
5.根据权利1所述嵌入式大气数据传感***，其特征在于：所述电源(4)包括一级隔离降压单元(41)、二级电压隔离单元(42)和二级电压转换单元(43)；其中，
所述一级隔离降压单元(41)分别和所述二级电压隔离单元(42)、所述二级电压转换单元(43)连接；
所述二级电压隔离单元(42)和解算电路单元(3)连接；
所述二级电压转换单元(43)和解算电路单元(3)连接；
所述一级隔离降压单元(41)对输入电压进行一次降压和电源隔离处理，将降压后的电压传输给二级电压隔离单元(42)和所述二级电压转换单元(43)；所述二级电压隔离单元(42)将一级隔离降压单元(41)输出电压进行隔离后，提供所述解算电路单元(3)供电；所述二级电压转换单元(43)将一级隔离降压单元(41)输出电压转换为多种电压，提供所述解算电路单元(3)供电。
6.根据权利1-5所述嵌入式大气数据传感***，其特征在于：所述飞行大气数据包括静压、动压、马赫数、攻角和侧滑角。
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