飞机控制设备与仪表专业毕业论文文档格式.docx

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再在轴承的适当位置测量轴承载荷及转子振动加速度、速度、位移值，以及频率、相位、外传力等参数。

利用FFT快速傅氏变换得到发动机临界转速、振动频谱与转速的关系等特征，从而反映发动机的振动情况，这种方法涵盖了结构试验、旋转机械、声学试验分析，需要测试大量的物理数据工作量非常大，而且某一部份的数据出现错误都可能导致最终测量的准确性。

西北工业大学的邹华、廖明夫同学2006年在Labwindows/cVI虚拟仪器平台上研制航空发动机振动台振动测试实验系统。

其振动测试实验系统主要完成正弦振动、随机振动、冲击测量三大振动实验。

南京航空航天大学自动化学院学生徐军、赵敏等在“一种基于ARm处理器的航空发动机振动测量仪的设计”一文中运用以ARm为核心处理器，IcP型加速度传感器为振动传感器。

由安装在航空发动机上的交流测速发电机提供的发动机转速信号。

实时地对日标齿轮的振动量进行测量与显示。

徐军又在其硕士论文“基于ARm处理器Linux开发平台的发动机振动测量仪的研究与实现”一文中，采用嵌入式系统构成发动机的振动测量系统。

对于飞机发动机振动测量仪的研制可以从多方面来考虑，本课题介绍的振动测量仪的研制基于单片机mc9S12XS128，采用有效值电路测速度与频压转换电路测频实现振动位移的带通测量，16位AD转换芯片ADS7809进行AD转换送入单片机处理后通过LED进行显示。

并在软件上针对传感器的频率响应对测量结果进行补偿，将部分软件功能硬件化，降低了单片机开销，减小了计算误差，保证了仪器的精度。

对于硬件电路无法实现的稳定频响带和理想的高低截止频率采用软件进行处理从而使振动测量仪具有精度高，抗干扰能力强，稳定性好结构简单，易于操作等特点。

随着智能化仪器仪表的快速发展，在工业控制和消费电子领域，越来越多应用到单片机系统，其以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁减，适用于对功能、可靠性、成本、体积以及功耗等有严格要求的专用计算机系统。

单片机技术的快速发展预示着自动控制领域新的研究方向。

在将来的振动仪表改进和发展中，必然朝着此方向继续发展。

第二章振动测量仪总体设计方案2.1应用系统研制过程整个振动测量仪的设计由硬件和软件组成，硬件主要为单片机、扩展的存储器、输入/输出设备等硬件组成的系统，软件是各种工作程序的总称。

要设计出高性能的单片机系统，就必须使硬件和软件功能不断调整，相互配合，以达到最佳协调状态。

如图2-1所示，单片机应用系统的研制过程主要包括总体设计、硬件设计、软件设计、在线调试等几个阶段，它们是相互联系的，有时交叉进行。

图2-1应用系统研制过程框图首先，在开始设计前，必须明确应用系统的功能和技术要求，综合考虑系统的先进性、可靠性、可维护性、成本、经济效益，选定单机型号。

然后，划分软、硬件功能，根据系统要求确定哪些功能用硬件实现，哪些功能用软件实现。

功能划分之后再根据研制任务和系统精度、可靠性、速度等要求确定硬件电路器件和设备。

最后，进行软硬件分别设计、调试，及系统联调，并根据出现的问题进行修改、固化系统软硬件各独立功能，达到完全稳定、可靠时方可成品。

2.2硬件设计原理在振动测量中，待测的基本的参数主要有加速度、速度和位移三个。

三者存在积分和微分关系，所以根据其中任意一个已知量，可以得出其它两量。

一般情况下，位移参量对低频振动敏感，加速度对高频振动敏感，而速度对频率的敏感程度是前二者的折中，所以要测量低频时应选择位移参量，高频时选择加速度参量，而进行宽频带测量时则选择速度参量[5]，本振动测量仪要求的频率响应为30－270HZ,所以选用速度参量进行测量较好。

所以本仪器使用SZQ－4和SZQ－8系列磁电式振动传感器，该类型传感器输出电压信号与振动速度成正比，经过对该信号一次积分可得出振动位移量。

磁电式速度传感器的特点是输出信号大，输出阻抗低，抗干扰能力强，信噪比高，使用方便，特别适于装卸频繁而环境污染又比较严重的发动机台架车时的振动测量。

本测振仪主要电路由传感器信号放大电路，有效值测量电路、频压转换电路、16位A/D模数转换器，串行输入16位D/A转换器，检流计等组成。

由于磁电式传感器存在频率响应，可测频率范围窄（30—270Hz）。

传统测量仪在超出该范围测量存在很大的误差。

针对此问题，本测振仪设计出测量信号频率的硬件电路，通过软件上的频率补偿来消除不同频率下的频率响应对测量结果的影响，以达到精确测量。

硬件电路原理如下图所示：

测量时，通过传感器将速度信号转化为电压的正弦波信号，经过放大后分别测得振动的速度与频率。

振动速度由有效值测量电路计算得出（正弦波均方根），经过A/D采集后将有效值送单片机处理。

振动频率经比较器后通过Lm2907频压转化电路转化为电压值，经过A/D转换器将频压信号转换为数字信号送入单片机系统中与速度有效值进行计算。

在测量频率时采用的是先将频率转换为电压，再由电压值通过计算得出频率，这种频率测量方法在振动测量中是个创新点，其减小了其他小频率对频率测量的影响。

两路A/D电路所采集到的速度值与频率值，进入单片机通过滤波后，再通过公式。

（式中V为速度有效值，f为频率值）即可得出振动的位移峰峰值S。

最终的有效值由数码管显示出来。

该测振仪采用16位AD转换芯片ADS7809进行A/D转换，并在软件上将传感器的频率响应对测量结果的影响进行补偿，同时将部分软件功能硬件化，降低了单片机开销，减小了计算误差，保证了仪器的精度。

图2-2硬件电路原理图第三章振动测量仪软件设计3.1单片机系统的概述将中央处理器（cPU）、随机存储器、只读存储器、中断系统、定时器/计数器及I/o接口电路等微型计算机的主要部件集成在一块芯片上，使其具有计算机的基本功能，就叫做单片微型计算机（Singlechipmicrocomputer,Scmc,）简称单片机。

单片机按内部数据通道的宽度，可分为4位、8位、16位、32位,自1975年美国IT公司首次推出4位单片机TmS-1000后，各计算机公司竞相推出4位单片机，4位单片机主要应用于家用电器、电子玩具等领域。

1976年9月美国Intel公司率先推出mcS-48系列8位单片机，单片机发展进入了一个新的阶段，8位单片机主要应用于工业控制、智能接口、仪器仪表等个领域。

1983以后，集成电路的集成度达到十几万只晶体管/片，16位单片机逐渐问世。

16位单片机具有高速输入/输出（HSIo）、脉冲宽度调制（Pwm）输出、特殊用途的监视定时器（watchdog）等。

16位单片机可用于高速复杂的控制系统。

近年来各计算机生产厂家已进入更高性能的32位单片机研制、生产阶段。

由于控制领域对32位单片机需求并不十分迫切，而且考虑成本，所以32位单片机的应用并不广泛。

当前从单片机的实际使用来看，4位、8位、16位单片机在各领域都有很广泛的应用，如4位单片机在一些简单家电用器、高档玩具中仍有应用。

8位单片机在中、小规模应用中仍占主流地位，16位单片机在比较复杂的控制领域中中才用。

单片机有两种基本结构:

一种称为普林斯顿（Princeton）结构，是将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，在通用微型计算机中广泛采用。

另一种称为哈弗（Harvard）结构，是将程序存储器和数据存储器分开，分别寻址的结构。

考虑到单片机“面向控制”实际应用的特点，一般需要较大的程序存储器，所以，目前单片机采用哈弗结构的较多。

单片机具有的基本特点是：

（1）存储器Rom和RAm严格区分开的。

Rom为程序存储器，只存放程序、固定常数及数据表格。

RAm为数据存储器，用作工作区急存放用户数据

（2）采用面向控制的指令系统。

例如，位处理、查表、多种跳转、成除法运算、状态检测中断处理等增强了实时性。

（3）I/o引脚通常是多功能的。

（4）外部扩展能力强。

如扩展Rom、RAm、I/o接口、定时器/计数器、中断系统等。

（5）体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，可方便组成各种只能化的控制设备和仪器，做到机电一体化。

（6）抗干扰能力强，适应温度范围宽，各种恶劣环境下都可可靠工作，这是其他类型的计算机无法比拟的。

（7）可方便的实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。

由于单片机具有这些特点，使它在工业控制、智能仪表、计算机外部设备与智能接口（传真机、打印机、复印机）、家用电器、商用产品（如电子收款机、电子秤）、儿童智能玩具、军事装置交通控制等方面得到了广泛地应用。

用单片机制作的测量、控制仪表，能使仪表向数字化、智能化、多功能化、柔性化发展，并使监测、处理、控制等功能一体化，使仪表重量大大减轻，便于使用，同时降低了成本，提高了性价比。

4.1.2单片机选择原则[25]单片机是实现整个控制系统智能化的主要指挥者，它的选择对整个仪器功能的实现具有相当重要的作用，一般单片机的选择主要从以下几个方面考虑：

（1）字长。

字长反映了计算机的计算精度、指令数目、寻址能力和执行操作时间。

在其他指标相同情况下，字长越大计算机处理数据的速度就越快，但同时辅助电路的成本就越大、越复杂。

所以，应根据实际需要来选择字长，通常要求不高时8位的单片机即可满足要求，对于精度要求较高的系统则选用16位或32位的单片机。

（2）寻址范围和寻址方式。

寻址范围反映了系统可存放程序的数量和大小，根据系统要求选择与寻址范围有关的合理内存容量。

单片机寻址方式一般有直接、间接、变址寻址等方式。

（3）指令种类和数量。

一般来说，指令条数越多，针对特定操作的指令也必然增多，这可使处理速度加快，程序量减少。

字越短的单片机，通常指令条数也会少一些。

（4）性能。

根据单片机所要完成任务的复杂程度选择型号。

（5）存储器。

一般单片机都有三种类型的程序存储器形式：

程序存储器Rom、数据存储器RAm、外围模块寄存器和特殊寄存器，实际应用中则根据程序运行速度选择不同的存储器。

（6）运行速度。

单片机的运行速度首先看时钟频率、指令集、几个时钟为一个机器周期，单片机的速度选择应该与被控制对象的要求相适应，不可片面追求高速度，单片机的稳定性、抗干扰性等参数基本上根速度成反比，所以，盲目追求高速度会给整个系统带来不必要的麻烦。

（7）I/o口的数量和功能。

I/o口的数量和功能是选择单片机时必须考虑的问题之一，选择时应该根据实际需要来选择I/o数量，不必盲目追求功能多、数量大，应该这样会增加芯片的体积和成本，造成不必要的浪费。

（8）定时/计数器。

一般单片机都有2-3个定时/计数器，有些单片机还自带有看门狗定时器，单片机“死机”时可以自动复位。

使用定时器可以简化软件设计，减少cPU资源的占用。

（9）模拟电路功能。

很多单片机内部都自带AD转换器、DA转换器、Pwm输出、电压比较器、等模拟电路功能模块。

在实际应用中可根据需要选择单片机内部自带的模拟功能，从而简化了外部电路。

（10）工作电压、功耗。

单片机常规工作电压为3V和5V，最低也可达到1.8V，最高也可达到6V，使用中只有保证单片机的正常工作电压才能实现单片机功能的正常实现。

单片机的功耗参数一般是指正常模式、空闲模式、掉电模式下的工作电路。

（11）封装形式。

单片机的封装形式主要有双列直插式（DIP）、PLcc对应插座式、四侧引脚扁平式（QFP）、贴片式（SoP）等，应据实际需要选择封装形式。

（12）抗干扰性和保密性。

不同单片机抗干扰性不同，应根据实际需要选择不同抗干扰性的单片机，如在干扰比较大的工业环境中就必须选择好的抗干扰性单片机，同时选择保密性好的单片机可以保护知识产权不受侵犯。

除了上述几点外，单片机的可开发性、开发工具、编译器、开发成本等也是单片机选择中必须考虑的因素。

3.26位单片机mc9S12XS128本课题研制开发的振动测量仪采用美国飞思卡尔公司的超低功耗16位单片机—mc9S12XS128作为系统芯片。

mc9S12XS128单片机（或称为微控制器），是一种具有超低功耗特性的功能强大的单片机。

与过去经常采用的mc9S12DG128相比，其性能方面有较多的改善：

速度更快、AD精度更高，增加了cPU寄存器和指令，可实现大存储空间的线性寻址，闪存操作简化，使用更方便。

容错纠错功能及片内温度传感器可提高控制系统可靠性，较S12DG128总体性能上有很大提高，是当前Freescale最先进的单核16位单片机。

其基本模块主要有端口整合模块（包含端口A、E、T、S、m、P、H、AD,大部分I/o引脚可由相应的寄存器位来配置选择数据方向、驱动能力，使能上拉或下拉式装置）、脉冲宽度调制模块（具有8位8通道的Pwm，相邻的两个通道可以级联组成16位的通道）、定时器模块（基本的定时器模块由1个增强的可编程预分频器驱动的可编程计数器、8个输入捕捉/输出比较通道和1个脉冲累加器组成。

定时器模块一共有8个引脚，其中脉冲累加器与第7号通道的引脚是共用的）、数模转换器模块，其存储器模块是目前业界所有内部集成Flash存储器产品中能耗最低的一种，同其它微处理器相比，既缩小了线路板空间，又降低了系统成本，在系统设计、开发调试及实际应用都表现出较明显的优点，它具有以下特点：

（1）总线频率最高可达40mHz，并且具有完备的cAN功能,改进了中断处理能力；

（2）128kB程序Flash和8kBDataFlash，用于实现程序和数据存储，均带有错误校正码（Ecc）；

（3）cPU以复杂指令及cISc架构,集成了中断控制器,有丰富的寻址方式；

（4）可配置8、10或12位模数转换器，转换时间3us；

（5）增加了一个平行处理的外围协处理器XGATE模块，该模块是一个可编程的16位RISc核心,其设计运算频率可高达100mHz,是一个智能的、可编程的直接内存存取模块,可进行中断处理、通信和数据预处理,通过提供外围模块、RAm和I/o端口之间的高速数据处理和传输,卸载cPU的任务；

（6）内嵌mScAN模块用于cAN节点应用，内嵌支持LIN协议的增强型ScI模块及SPI模块；

（7）4通道16位计数器；

（8）出色的低功耗特性，带有中断唤醒功能的Io，实现唤醒休眠系统的功能；

（9）8通道Pwm，邻的两个通道可以级联组成16位的通道，易于实现电机控制；

（10）低电源电压范围。

单片机的供电范围是3-5V；

（11）灵活的时钟设置。

主要有以下几种方式：

32kHZ的晶体方式、高频率晶体方式、谐振器方式和外部时钟源方式。

可以根据功耗要求和速度要求进行灵活的时钟设置；

（12）丰富的片上外围模块。

mc9S12XS128集成了较多的片上外围资源，可实现多种功能；

（13）适应工业级运行环境。

mc9S12XS128的运行环境温度范围为－40～125℃，所设计的产品适合运行于工业环境下；

（14）64kB、128kB和256kBIXj存选项，均带有错误校正功能；

（15）支持控制区域网、本地互联网和串行外设接口协议模块。

mc9S12XS128系列单片机的所有外围模块的控制都是通过特殊寄存器来实现的,故其程序的编写相对简单。

编程开发时通过专用的编程器,可以选择汇编或c语言编程，设计语言简单易掌握。

3.3单片机mc9S12XS128的开发语言单片机的编程语言主要有汇编语言或者c语言。

汇编语言是面向机器的程序设计语言，使用汇编语言程序员可以直接对目标代码进行控制，可以对输入/输出端口进行控制，实时性能较好，同时，用汇编语言编写的程序效率高，节省内存，运行速度快。

但是用汇编语言编写程序比较复杂，只有熟练掌握单片机的指令系统并具有一定的程序设计经验，才能编写出功能复杂的应用程序。

c语言属于流行的高级语言，接近英语自然语言和数学表达式，容易理解和掌握。

c语言起源于上世纪60年代，成型与70年代，在近50年的使用过程中表现出了以下几方面特点c语言简洁、紧凑、灵活方便，语法自由；

高级编程语言的结构性和低级编程语言的实用性有效的结合起来了，形成了新的功能强大的编程语言；

应用广泛、可移植性强，适用于多种操作系统；

运算符丰富、完善可以实现各类复杂的数据结构；

多种数据结构类型的使用使c语言除了可以完成各种复杂的数据运算外还具有强大的图形功能；

结构式的语言特点使代码和数据分割，程序层次清晰，便于使用、维护、调试；

c语言可以直接对物理地址进行访问，进行位一级的操作；

模块化开发、生成代码编译效率高、可移植性好、编程调试灵活方便。

所以，c语言的开发利用越来越广，成为一种发展趋势。

mc9S12XS128单片机是一种16位的单片机。

它集成功能丰富，内存也比较大，适合开发比较复杂的系统，c语言是其开发的首选程序设计语言。

单片机一般都用于特定环境和特定用途，从成本、体积、功耗方面考虑，应尽量节省使用资源。

单片机的硬件一般都不支持有浮点数、符号数的运算，且运算位数有限，因此，分配变量时必须认真考虑。

采用c语言进行程序设计时需要注意的事项如下：

（1）单片机系统资源的有限性主要表现在程序的存储器上，mc9S12XS128是16位的cPU，要想提高代码的效率就必须减小变量的长度，无特殊要求时定义变量类型尽量采用字节少的类型和无符号型数据。

尽量减少程序中使用的数据类型的种类，合理地选择数据类型，可以大大地减少生成代码的长度。

（2）尽量减少函数调用的层次和递归调用以减省堆栈空间。

（3）避免使用浮点数，尽量使用定点数进行小数运算。

如果必须使用浮点数，则尽量使用32位的float，而不是64位的double。

（4）对于指针变量，如果声明后其值不再改变，则声明成const类型，这样编译器编译时能够更好的优化所生成的代码。

（5）尽量减少使用全局变量或者静态变量（static），多采用局部变量。

在程序开始处定义的全局变量的作用域是整个程序，静态存储变量在程序运行期间其存储空间固定不变，它在函数中的调用是专用的，因此不能被释放，只有局部变量中的动态变量可以被释放，因此，为了避免使编译器无法把局部变量放在cPU的寄存器中，而是放在RAm中，从而失去了优化的机会，所以应尽量避免对局部变量使用&

amp;

取地址符。

在模块内使用的变量应声明为静态变量类型，这样有利于编译器优化，提高内部数据存储器的使用率和利用率。

（6）将参数组成一个数组或者结构，然后用指针传递可以同时传递多个参数。

（7）某些变量在中断程序和普通级别程序中都会被用到，所以必须加以保护。

将变量声明为volatile类型，编译器优化时就不会移动它，对它的访问也就不会被延迟。

应该保证对volatile的变量的访问不被打断，为此，可以在访问它的部分加上_monitor声明。

c语言是具有模块化和结构化功能的通用计算机语言，基于单片机的c语言在功能、结构、可读性、可移植性、可维护习惯方面都具有明显的优势，正是由于这些优势，使它在单片机领域具有重要的意义，是单片机编程语言的首选，或是以其为基础，所以c语言已成为目前单片机语言中最为流行的编程语言。

第四章振动测量仪的抗干扰处理干扰信号就是某些无用的信号混在有用信号中进入单片机系统，造成系统工作不稳，在各种实际环境中，这种干扰常会影响系统的测量精度，甚至运行失常，轻则影响产品质量和产量，重则导致事故，造成重大经济损失。

所以，有效的抑制和排除干扰成为产品设计中的重要组成部分。

4.1干扰的单片机系统在工作过程中，常会受到来自各方面的干扰，其主要来自两方面：

（1）外部环境所产生的。

单片机实际使用的现场存在着很多干扰源，如空间辐射干扰、信号通道干扰、数字电路干扰、电源干扰等都对单片机系统的运行带来了极大的危害，甚至可能带来系统失控。

（2）单片机本身系统所产生的。

单片机本身系统是由多种线路所组成的，各线路之间会相互影响而产生干扰；

单片机电源及各器件的电气性能、接地方式等都会带来干扰。

4.2抑制干扰的措施干扰源不同，干扰信号的频域不同，则产生干扰的方式也就不同。

高电压小电流产生的干扰主要是电场干扰；

低电压大电流产生的干扰主要是磁场干扰；

当电压或电流的频率较高时，产生辐射电磁场，电场干扰和磁场干扰都必须考虑。

在进行具体的系统设计时，应根据干扰源的频域确定相应的抗干扰措施。

4.2.1硬件抗干扰硬件抗干扰主要是通过抑制干扰源，切断干扰传播途径，提高敏感器件的干扰性能等方面入手。

.抑制干扰源在电源电路中稳压片并联电容。

这种做法可有效地滤除电源中的高频干扰。

（1）在单片机和A/D转换芯片上并接一个0.1&

micro;

F的高频电容，以减小Ic对电源的影响。

（2）利用光电耦合器将强电系统与弱电系统隔离开来。

采用光电耦合器能有效地抑制尖脉冲和各种噪声的干扰。

在光电耦合器的输入端即使是幅值很高的干扰，也会由于没有足够的能量使发光二极管发光，而被抑制掉。

光电耦合器的输入回路与输出回路之间是在密封条件下进行的光耦合，故不会受到外界干扰。

因此，能使过程通道信噪比大大提高。

（3）信号通路加入集成滤波器，组成低通滤波电路，滤除高频干扰。

（4）采用具有过流、过压、过热等保护的集成式稳压电源，本课题中使