旋转爆震发动机地面试验台可编程控制仪及其工作方法

本发明属于嵌入式系统开发控制，具体涉及一种旋转爆震发动机地面试验台可编程控制仪及其工作方法。

背景技术：

1、吸气式发动机通过压缩空气，燃烧混合燃料从而产生推力，具有燃料消耗较少、结构简单、成本低廉等特点。吸气式发动机工作的时候需要吸入空气中的氧气作为氧化剂，只能作为航空器的发动机在大气层内工作。吸气式发动机模拟试验是指在地面试验设备上采用模拟发动机进口总温、总压和出口环境压力的方法模拟发动机空中飞行高度、速度条件，进行高空模拟试验时，可根据要求的高度、速度条件得到发动机进口总温、总压的各项发动机试验。

2、吸气式旋转爆震发动机试验台目前还存在一些明显的不足，例如：在发动机点火之前设置空气流量大小是通过手动调节球阀实现，此方法无法精确控制空气流量，无法实现闭环控制流量，且人工成本大，效率低下；在实验过程中没有人机交互界面，实验人员无法查看各个参数的实时数据，无可视化曲线结果；在实验完成后无法可选择性地导出需要的数据，对数据分析不便；因此采用一种嵌入式的自动化控制技术可实现对试验系统中各个组件的精确控制和检测，大大提高实验人员的实验效率。

技术实现思路

1、本发明设计一种旋转爆震发动机地面试验台可编程控制仪及其工作方法，以解决当前试验台效率低，存在安全风险，集成度低等问题。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：

3、一种旋转爆震发动机地面试验台可编程控制仪，包括核心控制模块、人机交互模块、信号转换模块、时序控制模块、电源模块；

4、所述核心控制模块采用微控制器作为控制仪的核心进行各种信号采集与处理，所述人机交互模块包括串口屏和指示灯，所述核心控制模块通过usart串口和串口屏建立通讯，使用串口屏和指示灯作为人机交互接口，串口屏用于显示当前条件下由传感器采集到的各种数据并将可视化曲线实时显示在串口显示屏的屏幕上，并搭配指示灯来提示实验人员的实验进度状态；

5、所述信号转换模块包括信号隔离器，各个压力、温度、流量传感器的信号输入至信号隔离器中后其转换为单片机gpio口可识别的信号再传递给微控制器进行计算后显示在屏幕中；

6、所述时序控制模块包括微控制器的定时器部分和继电器，微控制器将实验人员在屏幕上输入的时序信息进行转换后由定时器计时，在对应的时序下微控制器将输入阶跃信号来控制继电器的通断，进而控制电磁阀的通断；

7、所述电源模块包括一个5v开关电源和一个24v开关电源用于为单片机、串口屏、继电器和信号隔离器供电。

8、进一步地，还包括数据存储模块，所述数据存储模块包括一块w25q128芯片，该芯片具有128m-bit的大容量，用于为实验数据提供大量存储空间，数据存储模块能够对实验人员输入的各个实验参数和时序数据进行长期储存，具有断电不丢失的功能，微控制器在上电时将优先初始化w25q128芯片将信息读出并显示。

9、进一步地，所述信号隔离器通过与微控制器的通信实现信号的稳定传输和隔离保护。

10、进一步地，还包括电动调节阀，所述微控制器根据用户的流量设定值和流量传感器的实时采集数值进行裁定，实现空气、燃料和酒精管道的流量控制。

11、进一步地，还包括风扇，所述微控制器通过控制所述风扇实现温度的调节和系统散热。

12、进一步地，所述微处理器为arm cortex-m系列stm32f407处理器，串口显示屏控制器由cortex m3内核和高速fpga组成。

13、进一步地，所述数据存储模块使用sd卡记录实验过程所有参数数据，使用u盘可选择性地导出所需参数数据。

14、进一步地，还包括空气开关，所述空气开关作为总闸保护电路，能够在系统异常情况下切断电源，保障操作人员和设备的安全。

15、进一步地，所述指示灯为led灯，包括led电源指示灯、led阀门调节状态灯、led试验状态指示灯、led存储状态指示灯和ledusb状态指示灯。

16、根据上述的旋转爆震发动机地面试验台可编程控制仪的工作方法，包括以下步骤：

17、(1)系统上电，电源模块将220v电压分别转换为24v和5v为控制仪供电，核心控制模块和串口屏开机自检，自检通过将进入下一步；

18、(2)微控制器与串口屏进行usart通信，微控制器将w25q128芯片内容读取出来并发送给串口屏进行初始化显示；

19、(3)微控制器进行初始化，准备adc采集、gpio口控制、识别外扩sd卡和u盘等一系列初始化操作，至此控制仪初始化工作完毕；

20、(4)打开各个管道手动球阀，为各个试验气路提供所需的气体和压力；

21、(5)在人机交互串口屏上进行参数设置，输入主气路空气流量和出口温度后，微控制器自动计算出将该流量下的空气加热到设定温度所需的燃料流量和氧气流量，根据空气、氧气、燃料三条管路的压力和通径大小计算出各个电动调节阀所需要调节的大小并使电动调节阀行进到一定的位置，该过程通过led调节状态灯闪烁提示电动调节阀正在调节，led调节状态灯关闭提示电动调节阀调节完毕；

22、(6)在人机交互串口屏上进行时序设置，输入各个时序开始时间和持续时间，输入完毕后将自动保存在外扩w25q128储存芯片中，下次上电将会自动读取；在设置完时序之后，再输入实验周期时长和周期个数，至此实验前所有准备工作完成；

23、(7)点击屏幕上实验开始标志按钮，微控制器的定时器开始工作，系统将根据上一步输入的预定时序首先打开空气管路电磁阀，空气管路流量计开始工作，并通过信号隔离器将0-20ma信号转换为0-3.3v信号供微控制器识别，微控制器依据流量计测得的流量和输入的预定流量进行比对，再通过电动调节阀对空气管路流量进行调节，在短时间内调节至预定流量；

24、(8)空气流量达到稳定后，系统根据时序设置将打开氧气管路和燃料管路电磁阀，电动调节阀将对各个管路流量进行调节，在短时间调节至预定流量，火花塞进行点火，发动机实验开始，led实验状态指示灯打开；

25、(9)系统开始采集所有传感器的数据，为保障数据的稳定性，每10组数据去除掉最大值和最小值之后取平均值显示在串口屏上并绘制实时曲线，并将所有数据先保存至微控制器闪存中，再利用微控制器中断将其写入sd卡，led存储状态指示灯打开；

26、(10)发动机完成实验后，时序周期结束，led实验状态指示灯关闭，控制仪停止所有信号采集，系统关闭sd卡文件，led存储状态指示灯关闭，本次实验所有参数将记录至sd卡中并以当前时间命名，随后系统控制高压空气对发动机进行冷却操作；

27、(11)系统对出口压力、出口温度和加热器压力三个参数进行暂时保存，如需导出，将u盘插入控制仪的usb接口中，读取成功屏幕上将会显示u盘的标志，ledusb状态指示灯打开，点击屏幕上导出数据标志后系统会将本次实验的三个参数导出至u盘并以当前时间命名，导出完成后ledusb状态指示灯将会闪烁3秒提示导出完成，同时系统将这三个参数各绘制成曲线显示在串口屏的曲线查看页面中；若不选择导出，该数据则在下次实验开始后自行替换。

28、相较于现有技术，本发明包括以下有益效果：

29、(1)全面控制和检测功能：该控制仪提供了对旋转爆震发动机地面试验系统的全面控制和检测功能，通过集成多个外设和传感器，可以实时监测试验过程中的关键参数，并实现精确控制，从而提高试验的准确性和可靠性。

30、(2)灵活的信号转换和隔离：采用多个信号隔离器使得该控制仪能够转换和隔离各种所需的信号，使其与控制系统兼容，确保了信号的准确传递和可靠性，提高整个系统的稳定性和安全性。

31、(3)直观的操作界面和状态指示：串口屏作为整个系统的人机交互界面使得实验人员操作更加直观，多个led指示灯作为功能提示和状态指示的手段，使得实验人员可以更加直观地了解各个功能地运行状态，方便操作和故障排查。

32、(4)精确的流体控制：通过继电器控制电磁阀的通断，该控制仪能够实现对试验系统中的流体控制，通过使用电动调节阀可以实现对试验系统中气路流体的调节，有助于优化试验条件和确保试验过程的稳定性。

33、(5)散热和保护性能的提升：两个风扇的应用提高了散热效率，有效降低了控制仪内部的温度，保护系统组件免受过热的影响，此外空气开关作为总闸保护电路，提供了过载和短路保护功能，提高了试验系统的安全性。

34、(6)可靠的电源供应：两个电源模块为系统提供稳定的24v和5v电源，确保试验系统和控制仪的稳定运行，消除了电源不稳定或电力故障对试验过程的影响，提高了系统的可靠性和稳定性。

35、(7)数据保存和处理的便捷性：软件系统配备了数据保存模块，可以实现高效采集和试验记录，提供了便捷的数据处理和分析功能。