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1、西安科技大学 硕士学位论文 嵌入式旋翼转速调节放大器测试系统的研制 姓名：张帅 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：任中全 论文题目：嵌入式旋翼转速调节放大器测试系统的研制 专 业：机械电子工程 硕 士 生：张 帅 （签名） 指导教师：任中全 （签名） 摘 要 本系统采用模块化设计思想，以单片机为核心同时运用虚拟仪器技术，设计了一种 全新的旋翼转速调节放大器测试计量分析系统。它能够输出电压、频率、功率等变化范 围大，精度要求高的数字合成信号；采集多种信号变化范围大、测量精度、稳定度要求 较高的交流、直流模拟信号；并能进行多种测试工况之间的功率切换，在汽车电控器件 检测等领域有很好
2、的推广应用前景。 课题主要工作包括： 直升机旋翼转速调节放大器测试仪的工作原理分析， 硬件设计， 软件设计，抗干扰设计。根据旋放工作环境，内部功能原理及测试信号量类型，提出了 模块化系统设计思想。硬件部分包括有高精度低频信号源模块、数据采集模块、数字恒 流源模块、继电器端子板等附属电路的设计。数字低频信号源模块软件算法采用数字频 率合成技术（DDS），结合 C8051F330 单片机片内 D/A 转换器和信号幅值调节电路， 实现了输出信号频率和幅值的同步变化；设计了多达 17 路各种信号量的变送电路，采 用容量为 2M 字节的 SD 卡存储相关数据，保证了波形的快速采集存储显示，便于计算 机对
3、数据实时处理；采用 C8051F330 单片机内部 D/A 来产生数字恒流源发生信号，可 输出变化范围大， 分辨率高的恒定电流； 数据通信模块采用 RS485 通信方式下 MODBUS 通信协议；自制继电器端子板可以实现对多路信号量各种测试工况之间的切换。上位机 软件以 LabWindows/CVI6.0 为开发平台，采用分层设计思想，并运用多线程技术，实现 了数据采集、处理、显示等功能同时进行，满足了旋放性能测试的需要。 目前该系统已投入使用，体积比原有设备缩小一半，各项主要技术参数通过了专业 机构的鉴定，满足了用户的要求。 关 键 词：旋翼转速调节放大器；模块化设计；虚拟仪器；DDS 原理
4、；C8051F330 研究类型：应用研究 Subject : The Development of Embedded Rotorcraft Rev-regulator Amplifiers Test System Specialty : Mechanical Electronic Engineering Name : Zhang Shuai (Signature) Instructor: Ren Zhong-quan (Signature) ABSTRACT A new rotor speed control amplifier test measurement and analysis sy
5、stem is designed which uses modular design and apply both the single chip technology and the virtual instrument technology. It can output voltage, frequency, power, digital synthesis signal which has great range, high precision; collect various types of multi-channel analog signal which contains lar
6、ge-scale AC and DC signal that demands a higher degree of measurement accuracy and stability. Meanwhile, the system can change power between various test conditions which has a very good application prospect in the testing fields of automotive electrical device. Thesis work contains the principle an
7、alysis of helicopter rotor speed regulator amplifier tester, hardware design, software design, anti-jamming design of three parts. According to spin up the work environment, internal capabilities and test semaphore type, modular design is proposed. Hardware includes high-precision low-frequency sign
8、al source modules, data acquisition module, digital current source module, relays of terminal blocks and other ancillary circuit. Digital frequency synthesis technology (DDS) is used in digital low-frequency signal source module software algorithm, combined with C8051F330 MCU on-chip D/A converters
9、and signal amplitude adjustment circuit in order to output signal whose frequency and amplitude of synchronous can be changed. Variable transmitter circuit is designed up to 17 Road various signal with a capacity of 2M bytes of SD card data storage ensuring fast waveform capture and store to facilit
10、ate computer data processing. Digital current source module with C8051F330 MCU internal D/A can generate a digital constant-current with variable output range and high-resolution. MODBUS communication protocol in the RS485 communication mode is used in communication module. Relay terminal board can
11、fully meet the various testing conditions. LabWindows/CVI6.0 is used as development platform of PC software, which is designed by stratified design, and multi-threading technology in order to realize data collection, processing, display and so on at the same time, which meets the test requirements.
12、Currently the system has been put into use, whose volume reduced by half compared with the original equipment. And the main technical parameters identified by the professional bodies meet the user requirements. Key words: Rotorcraft rev-regulator Amplifier Modular design Virtual Instruments DDS prin
13、ciple C8051F330 Thesis : Application Research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 旋翼转速调节放大器作用及原有测试系统概述 某型直升机在飞行过程中，其最佳旋翼转速是一定的。当空速小于 150km/h 时，最 佳旋翼转速为 207r/min；而当空速大于 150km/h 时，最佳旋翼转速为 212r/min。旋翼转 速调节系统就是用于在任何正常飞行状态下， 将旋翼转速自动调节， 使其稳定在207r/min （或 212r/min），以减少飞行员对发动机的操作，减轻飞行员负担。在旋放出现故障时， 飞行员可手动操作对旋翼转速进行调整。 对旋放的地面故障检测，
14、目前均采用高精度专用仪器，如高精度模拟转速源、旋翼 转速传感器、低频信号源、模拟电流源、数字存储示波器等分立式仪器设备，整个测试 系统需要更换使用多种高档仪器设备，硬件庞大、构造复杂且费用高；其测试工作均由 人工完成，测量时采用人工校准系统。人工校准系统需操作人员按照检定规程规定的步 骤一步一步地进行操作，被校仪器和标准仪器的操作与读数、计量结果的记录和处理都 需要人工来完成，其缺点是容易产生由测量人员引起的误差，而且需要连接大量标准仪 器，整个系统的硬件比较庞大，效率较低1。 1.2 现代测试新技术在本系统的应用 目前，国际流行的 ATE（Automatic Test Equipment）技
15、术正处在测试技术发展的巅 峰，其中，虚拟仪器（Virtual Instrument，简称 VI）技术就是其中代表之一。20 世纪中 期，美国国家仪器公司（National Instruments Corporation 简称 NI）首先提出虚拟仪器的 概念，认为虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯 及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统2。虚 拟仪器内部功能原理如图 1.1 示： 采集与控制 插拔式采集 RS-232仪器 VXI仪器 GPIB仪器 数据分析 数字信号处理 数值分析 统计 数字滤波 结果表达 网络 人机交互界面 文件I
16、/O 硬拷贝输出 图 1.1 虚拟仪器内部功能框图 一般来说，虚拟仪器就是一种以计算机作为仪器统一平台，充分利用计算机独具的 运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等基本智能化功能，同时把传统仪器的专 业化功能和操作面板软件化，使之与计算机结合起来融为一体，这样便构成了一台从外 西安科技大学硕士学位论文 2 观到功能都完全与传统硬件仪器一致， 同时又充分享用了计算机智能资源的全新仪器系 统。即软件就是仪器。因此，虚拟仪器可以概括为：虚拟仪器=采集硬件+显示面板+算 法软件3。 虚拟仪器与传统仪器相比具有很多特殊的优点： 软件决定仪器的功能， 灵活、 开放、 可与计算机同步发展，易于扩展、可以与网络及其他周边设备互联，可根据自己的需要 来设计自己的仪器系统，可将多种功能的仪器组合在一起，数据易于存储和恢复等。目 前，虚拟仪器的发展有两条主线37： （1）GPIBVXIPXI，适合于大型高精度集成系统
