用于硬件在回路仿真系统的热电阻模拟装置及方法

摘要

本发明涉及一种用于硬件在回路仿真系统的热电阻模拟装置及方法，包括单片机系统模块、驱动器、步进电机、同轴双联电位器，单片机系统模块从上位机接收要求模拟的热电阻传感器温度值，计算应输出的电阻阻值；同轴双联电位器包括电位器RP1和RP2，其中RP1与单片机模块连接，RP2用于模拟热电阻温度传感器输出；步进电机与同轴双联电位器连接，带动同轴双联电位器旋转；单片机系统模块测量RP1电阻，以RP1电阻为自变量，在同轴双联电位器角度—RP1阻值—RP2阻值关系数据表中线性插值，计算RP2阻值。以传感器要求的输出电阻与RP2之差为反馈，通过驱动器驱动步进电机实现同轴双联电位器闭环控制，从而使RP2模拟热电阻输出电阻与传感器要求的输出电阻一致。

权利要求

1.一种用于硬件在回路仿真系统的热电阻模拟装置模拟热电阻的方法，所述的热电阻模拟装置包括单片机系统模块(1)、驱动器(2)、步进电机(3)和同轴双联电位器(4)；单片机系统模块(1)与上位机连接用于接收要求输出的热电阻传感器温度值，与同轴双联电位器(4)连接用于采集同轴双联电位器(4)的电阻，与驱动器(2)连接用于驱动步进电机(3)；步进电机(3)与同轴双联电位器(4)连接带动同轴双联电位器(4)旋转；所述的同轴双联电位器(4)包括两个电气上独立的可调电位器RP1和RP2，其中RP1的A-B段与精密电阻串联，RP2的A'-B'段模拟热电阻温度传感器输出；其特征在于步骤如下：步骤1：控制步进电机带转同轴双联电位器从电阻为0的关闭状态旋转到电位器电阻最大状态，每一圈旋转120步，每一步记录同轴双联电位器RP1的A-B段、RP2的A'-B'段阻值，记录形成同轴双联电位器角度—RP1阻值—RP2阻值关系数据表；

步骤2：单片机系统模块从上位机接收要求模拟的热电阻传感器温度值，由传感器温度—电阻特性计算对应输出的电阻阻值；

步骤3：单片机系统模块的精密电阻与同轴双联电位器RP1的A-B段串联，并由单片机的基准电压供电，其中RP1的A-B段分压接单片机的A/D端，由单片机采集计算RP1对应的电阻；

步骤4：将上述步骤3测得的RP1电阻作为自变量，在步骤1获得的同轴双联电位器角度—RP1阻值—RP2阻值关系数据表中进行线性插值，计算同轴双联电位器位置角度与RP2的A'-B'段电阻；

步骤5：根据上述步骤2与步骤4获得的电阻之差，采用PID控制算法对步进电机进行闭环控制，最终使同轴双联电位器RP2的A'-B'段电阻与传感器应该输出的电阻阻值一致。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的单片机系统模块(1)包括自带12位A/D转换、基准电压和串行RS232通讯接口的C8051F020单片机和精密电阻。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的精密电阻选用精度为0.05％，阻值为

200Ω的电阻。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的同轴双联电位器(4)为多圈电位器，阻值为2kΩ，转动范围为10圈。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的驱动器(2)具有细分功能。

说明书

用于硬件在回路仿真系统的热电阻模拟装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及测试技术领域，具体为一种用于硬件在回路仿真系统的热电阻模拟装置及方法。

背景技术

[0002] 在航空航天领域，飞行器的发动机配有独立的机载测控计算机，通过测量发动机当前工作参数与大气环境参数对发动机状态进行控制。

[0003] 当机载测控计算机系统软硬件设计完成时，为验证系统的功能，通常需进行硬件在回路仿真(Hardware in Loop Simulation)系统试验，即：机载测控计算机采用实物，与之连接的发动机测量传感器与控制输出作动装置通过程控软硬件系统来模拟，为机载测控计算机搭建与之在机真实工作状况完全相同的外围电气接口环境，从而使机载测控计算机可实现全工况运转以对其测控功能进行考核与验证。

[0004] 机载测控计算机采集的外围信号中，其中一类为温度参数，一般包括燃油温度、滑油温度、大气温度等，这些参数大多数通过热电阻温度传感器获取，其特性是随温度变化而变化的纯电阻输出。在硬件在回路仿真系统试验中，由于没有真实热源作为传感器测量的温度环境，因此通常通过技术途径提供可变的电阻来模拟热电阻温度传感器输出(简称热电阻模拟)。

[0005] 目前，在测试技术领域，热电阻模拟包含以下三类方法：

[0006] 1.通过多个多圈电位器设定不同温度对应的电阻阻值，采用程控继电器切换输出要求的电阻，典型的如专利申请公布号CN103309345A所公开的，该方法的局限性在于输出的阻值范围是分档的，无法实现电阻无级输出。

[0007] 2.通过程控数字式的电子电位器实现电阻输出，典型的如专利申请公布号CN103196582A所公开的，该方法的局限性是通过电子芯片输出电阻，因此输出的不是纯电阻。

[0008] 3.通过运算放大器和数模转换器等构成单口网络，模拟热电阻的电气特性，典型的如专利申请公布号CN103017941A所公开的，该方法的局限性是模拟输出的不是电阻，而是热电阻接入电路的外部特性。

[0009] 在机载测控计算机硬件在回路仿真系统试验中，要求模拟的热电阻温度传感器输出为可实现无级可调(对应任意温度)的纯电阻，显然上述三类方法都不满足要求。目前，试验中所采用的方法是用高精度且具有良好线性度的电位器，对电位器的阻值与位置定标，通过控制电位器位置实现要求的电阻输出，该方法的不足之处，一是采用的电位器由于要求精度高使得成本较高；二是对电位器的位置采用开环控制，影响热电阻模拟输出的准确性。

发明内容

[0010] 要解决的技术问题

[0011] 本发明所要解决的技术问题是，针对目前飞行器发动机机载测控计算机硬件在回路仿真系统中，采用高精度电位器且电位器输出位置采用开环控制所存在的成本高和不能保证热电阻模拟输出准确性的不足，提出一种热电阻模拟装置及方法。

[0012] 技术方案

[0013] 一种用于硬件在回路仿真系统的热电阻模拟装置，其特征在于包括单片机系统模块、驱动器、步进电机和同轴双联电位器；单片机系统模块与上位机连接用于接收要求输出的热电阻传感器温度值，与同轴双联电位器连接用于采集同轴双联电位器的电阻，与驱动器连接用于驱动步进电机；步进电机与同轴双联电位器连接带动同轴双联电位器旋转。

[0014] 所述的单片机系统模块包括自带12位A/D转换、基准电压和串行RS232通讯接口的C8051F020单片机和精密电阻。

[0015] 所述的精密电阻选用精度为0.05％，阻值为200Ω的电阻。

[0016] 所述的同轴双联电位器包括两个电气上独立的可调电位器RP1和RP2，其中RP1的A-B段与精密电阻串联，RP2的A'-B'段模拟热电阻温度传感器输出。

[0017] 所述的同轴双联电位器为多圈电位器，阻值为2kΩ，转动范围为10圈。

[0018] 所述的驱动器具有细分功能。

[0019] 一种用于硬件在回路仿真系统的热电阻模拟方法，步骤如下：

[0020] 步骤1：控制步进电机带转同轴双联电位器从电阻为0的关闭状态旋转到电位器电阻最大状态，每一圈旋转120步，每一步记录同轴双联电位器RP1的A-B段、RP2的A'-B'段阻值，记录形成同轴双联电位器角度—RP1阻值—RP2阻值关系数据表；

[0021] 步骤2：单片机系统模块从上位机接收要求模拟的热电阻传感器温度值，由传感器温度—电阻特性计算对应输出的电阻阻值；

[0022] 步骤3：单片机系统模块的精密电阻与同轴双联电位器RP1的A-B段串联，并由单片机的基准电压供电，其中RP1的A-B段分压接单片机的A/D端，由单片机采集计算RP1对应的电阻；

[0023] 步骤4：将上述步骤3测得的RP1电阻作为自变量，在步骤1获得的同轴双联电位器角度—RP1阻值—RP2阻值关系数据表中进行线性插值，计算同轴双联电位器位置角度与RP2的A'-B'段电阻；

[0024] 步骤5：根据上述步骤2与步骤4获得的电阻之差，采用PID控制算法对步进电机进行闭环控制，最终使同轴双联电位器RP2的A'-B'段电阻与传感器应该输出的电阻阻值一致。

[0025] 有益效果

[0026] 在航空航天飞行器发动机机载测控计算机硬件在回路仿真系统试验中，按本发明提供的装置及方法，采用低成本、线性度无特殊要求的同轴双联电位器来模拟热电阻温度传感器的电阻输出，不仅能实现无级可调的纯电阻准确输出，而且可降低成本。

附图说明

[0027] 图1为本发明实施例所采用的同轴双联电位器结构与原理示意图

[0028] 图2为本发明热电阻模拟装置原理图

[0029] 图中：1-单片机系统模块、2-驱动器、3-步进电机、4-同轴双联电位器。

具体实施方式

[0030] 现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

[0031] 如图2，本实施例用于航空航天飞行器发动机机载测控计算机硬件在回路仿真系统试验中的热电阻类温度传感器输出电阻模拟，装置具体包括单片机系统模块1、驱动器2、步进电机3、同轴双联电位器4。

[0032] 单片机系统模块1包括单片机与精密电阻；其中单片机选用自带12位A/D转换、基准电压和串行RS232通讯接口的C8051F020单片机，串行RS232通讯接口与上位机连接用于接收要求输出的热电阻传感器温度值，精密电阻与同轴双联电位器RP1的A-B段串联，并由单片机的基准电压供电，单片机与精密电阻连接用于测量电压，所述的精密电阻选用精度为0.05％、阻值为200Ω的电阻。所述单片机系统模块从上位机接收要求模拟的热电阻传感器温度值，计算应输出的电阻阻值。

[0033] 驱动器2驱动步进电机3，步进电机3与同轴双联电位器4的转轴连接用于带转同轴双联电位器4旋转，由于负载小，角度分辨率要求较高，因此选用28HB3302型小功率步进电机配MD415型细分驱动器。

[0034] 同轴双联电位器4，包括两个电气上独立的可调电位器RP1和RP2，其中RP1与精密电阻串联，RP2模拟热电阻温度传感器输出。同轴双联电位器4为多圈电位器，且标称阻值与所模拟的热电阻温度传感器输出范围一致。本实施例中同轴双联电位器以模拟PT1000热电阻温度传感器为对象，标称阻值为2kΩ，转动范围为10圈。

[0035] 本发明的依据与原理是：所述的同轴双联电位器，相当于两个电位器，在结构上为同轴，可实现同步转动；在电气上互相独立，互不关联。对同轴双联电位器成品，两个电位器的阻值范围大致相当，在全部阻值变化范围内的精度与线性度不一致，当转轴处于任一位置时，两个电位器的输出阻值也不完全相同，但在转轴从最小到最大的全部工作范围内，每一个位置下，两个电位器各自的电阻输出阻值是确定的，即每一个电位器满足电阻—位置确定关系。由于两个电位器同轴，因此在转轴位置——电位器RP1的阻值——电位器RP2的阻值之间有确定的对应关系，该关系可列为数据表。

[0036] 为使电位器RP2准确输出要求模拟的电阻阻值，由所述的单片机系统模块测量电位器RP1的阻值，并根据电位器RP1阻值、RP2阻值与转轴位置的关系，通过线性插值计算相同位置下电位器RP2的理论输出电阻，以此电阻值与要求输出的热电阻温度值对应的电阻阻值对比，根据两者之差，驱动所述步进电机旋转，实现对所述的同轴双联电位器转轴位置闭环控制，从而实现电位器RP2准确输出要求温度值对应的电阻阻值。

[0037] 结合图2，下面将详细介绍本发明的实现过程。

[0038] 步骤一：通过对所述的单片机编程，控制步进电机每一圈旋转120步，带转所述同轴双联电位器从电阻为0的关闭状态旋转到电位器电阻最大状态，在步进电机运转的每一步记录同轴双联电位器RP1的A-B段、RP2的A'-B'段阻值，记录形成同轴双联电位器角度——RP1阻值——RP2阻值关系数据表，并存放在单片机内，作为后续同轴双联电位器位置控制的基础数据库。

[0039] 步骤二：所述的单片机系统通过RS232通讯从上位机接收要求模拟的热电阻传感器温度值；由传感器温度—电阻特性，计算传感器应该输出的电阻阻值；

[0040] 步骤三：采用精度为0.05％，阻值为200Ω的精密电阻与RP1的A-B段串联接入单片机A/D端，单片机采集分压计算RP1对应的输出电阻：所述单片机系统的精密电阻与所述同轴双联电位器RP1的A-B段串联，并由所述单片机的基准电压供电，其中RP1的A-B段分压接所述单片机的A/D端，由单片机采集计算RP1对应的电阻；

[0041] 步骤四：将上述步骤三测得的RP1电阻作为自变量，在步骤一获得的同轴双联电位器角度—RP1阻值—RP2阻值关系数据表中进行线性插值，计算同轴双联电位器位置角度与RP2的A'-B'段电阻；

[0042] 步骤五：根据上述步骤二与步骤四获得的电阻之差，采用PID控制算法对步进电机进行闭环控制，最终使用于模拟热电阻传感器输出的同轴双联电位器RP2的A'-B'段电阻与传感器应该输出的电阻阻值一致。

[0043] 以上参照附图描述了本发明的具体实施例，但并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不偏离本发明之精神和范围内，还可对本发明的具体实施方式作变更与替换，这些变更与替换都落在本发明权利要求书限定的范围内。