摘 要：為完成俄制大氣機(jī)與國產(chǎn)航管應(yīng)答機(jī)的交連，設(shè)計(jì)了由單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、電平轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動電路、隔離電路和電源等電路組成的俄制大氣機(jī)高度輸出接口板電路。采取數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和抗干擾技術(shù)，簡化硬件電路，提高高度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度和系統(tǒng)的抗干擾能力。實(shí)驗(yàn)表明，該接口電路實(shí)現(xiàn)了高度數(shù)據(jù)的數(shù)字化，能夠?qū)⒍碇拼髿鈾C(jī)輸出的模擬高度電平信號轉(zhuǎn)換成滿足國產(chǎn)航空應(yīng)答機(jī)要求的數(shù)字編碼信號。

關(guān)鍵詞：大氣機(jī)； 航管應(yīng)答機(jī)； 接口電路； 設(shè)計(jì)

中圖分類號：

TN962-34

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)19

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Design of Height Output Interface Circuit for Atmosphere Machine

HOU Min-sheng， TIAN Yu

(Beijing Aeronautical Technology Research Center， Beijing 100076， China)

Abstract： In order to connect Russian-made atmosphere machine with the domestic ATC（Air Traffic Control）， a Russian-made height output interface circuit for atmosphere machine consisted of single chip microcomputer， A/D converter， level converter， driver circuit， isolator and electrical power was designed. The data correlation and anti-jamming technique were adopted to simplify hardware and to enhance conversion precision of height data and anti-jamming performance of the system. The test shows that the interface circuit can convert the analog height signal to digital encoding signal which is fit for the requirements of domestic ATC transponder.

Keywords： atmosphere machine; ATC transponder; interface circuit; design

我國早期飛機(jī)上裝備的電子設(shè)備大多為俄制產(chǎn)品［1］。由于這些產(chǎn)品定型早，一般采用模擬電路，具有體積大、成本高、智能化低等明顯缺點(diǎn)［2］。為提高飛機(jī)性能，需對部分設(shè)備進(jìn)行國產(chǎn)化。在某型飛機(jī)的改裝中，需用國產(chǎn)航管應(yīng)答機(jī)替換原機(jī)俄制航管應(yīng)答機(jī)，與航管應(yīng)答機(jī)交連的大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)(簡稱大氣機(jī))仍沿用原俄制產(chǎn)品。原機(jī)俄制大氣機(jī)的氣壓高度輸出接口為模擬信號，而要換裝的國產(chǎn)新一代航管應(yīng)答機(jī)，其高度輸入接口已經(jīng)數(shù)字化。為此，設(shè)計(jì)了一種高度接口板，完成了俄制大氣機(jī)與國產(chǎn)航管應(yīng)答機(jī)的交連。

1 應(yīng)答機(jī)高度信號輸入要求

換裝的國產(chǎn)新一代航管應(yīng)答機(jī)為A/C模式，高度輸入要求為串行輸入數(shù)字信號，接口電氣性能采用RS 422規(guī)范，數(shù)據(jù)格式符合國際民航組織的相關(guān)規(guī)定，高度內(nèi)容由10位格雷碼構(gòu)成，單位為英尺，范圍為：-1 000~62 700英尺(-304~19 111 m)，按100英尺的高度增量進(jìn)行編碼［3］。

2 大氣機(jī)高度輸出信號形式

大氣機(jī)是根據(jù)大氣壓強(qiáng)隨著高度增加而下降的原理測量飛機(jī)高度的［4］。俄制大氣機(jī)的高度輸出為模擬電壓信號，其輸出接口電路等效為一個電位器，由兩個固定電阻R1，R2和一個電位器R3組成，組成原理如圖1所示?？烧{(diào)電位器的滑動觸點(diǎn)與氣壓膜盒相連，當(dāng)氣壓變化時，膜盒帶動觸點(diǎn)滑動，將氣壓的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化。

由于固定電阻R1，R2的存在，W的取值范圍為：10≤W≤90。

與一般電位器不同，可調(diào)電位器本身的阻值分布依據(jù)氣壓與高度之間的函數(shù)關(guān)系制成，它將氣壓與高度之間復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性關(guān)系。因此也稱其為函數(shù)電位器。絕對氣壓高度與W之間的關(guān)系曲線如

從表1可以看出，W和絕對氣壓高度之間近似為線性關(guān)系，當(dāng)絕對氣壓高度大于1 000 m時線性較好。表1數(shù)據(jù)可用下面一次函數(shù)近似表示［5］：

3 接口板設(shè)計(jì)

3.1 硬件構(gòu)成與原理

根據(jù)大氣機(jī)輸出信號形式和航管應(yīng)答機(jī)輸入信號要求，設(shè)計(jì)了高度接口板，其原理框圖如圖2所示。該接口板主要由單片機(jī)、A/D變換電路、隔離/驅(qū)動電路、隔離電路、TTL/RS 422轉(zhuǎn)換電路及電源電路等組成。

圖2 接口板組成框圖

由AD574產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓，經(jīng)隔離/驅(qū)動電路加到大氣機(jī)高度函數(shù)電位器的2端，函數(shù)電位器3端輸出和大氣機(jī)氣壓高度成正比的電壓信號。此電壓經(jīng)隔離器加到A/D變換器上，A/D變換器將此電壓變換為與之對應(yīng)的數(shù)字信號，經(jīng)單片機(jī)變換成用串行格雷碼表示的高度數(shù)值，最后由TTL/RS 422變換電路變換為符合RS 422接口規(guī)范的信號，送至航管應(yīng)答機(jī)。

隔離/驅(qū)動電路用來對AD574產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行電流放大，同時起隔離作用，防止函數(shù)電位器的阻抗變化對基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生影響，從而影響A/D轉(zhuǎn)換精度。

隔離電路的作用是防止A/D變換電路的輸入阻抗對大氣機(jī)函數(shù)電位器的阻抗產(chǎn)生影響。

A/D變換器的作用是將模擬的高度電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，同時產(chǎn)生大氣機(jī)函數(shù)電位器需要的輸入電壓［6］。

由于大氣機(jī)給出的氣壓高度精度有限，國際民航組織規(guī)定高度編碼的增量為100英尺?，F(xiàn)俄制大氣機(jī)的高度輸出范圍為0～15 000 m，換算成英制為0～49 213(15 000/0.304 8≈49 213)英尺。如果按100英尺為量化單位，共需要493(49 213/100≈493)位編碼。A/D變換器的位數(shù)N應(yīng)由下式確定［7］：

由式(4)得，N≥log2(493－1)≈8.9。因此，9位A/D位芯片就能滿足要求。本設(shè)計(jì)采用12位A/D變換器AD574，和9位A/D變換器相比，量化誤差減小到1/8，提高了高度電壓輸出精度。

電源電路的作用是為各部分電路提供直流電源。A/D變換器的轉(zhuǎn)換精度不僅取決于輸出位數(shù)，而且與供電電源的品質(zhì)也有很大關(guān)系。目前主要有模擬串聯(lián)穩(wěn)壓和開關(guān)DC/DC變換兩種電源體制［8］。模擬串聯(lián)穩(wěn)壓電源有開關(guān)電源無法比擬的優(yōu)點(diǎn)就是不產(chǎn)生尖峰干擾，其紋波干擾也可通過濾波降低到足夠低的水平。本方案采用機(jī)上115 V/400 Hz電源為高度接口板的原始電源，采用串聯(lián)穩(wěn)壓電源體制加π型濾波方案，為12位A/D變換器提供了高品質(zhì)的電源系統(tǒng)。

CPU是接口板的控制計(jì)算中心，主要完成A/D轉(zhuǎn)換控制、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)與編碼(將二進(jìn)制數(shù)字信號變換成符合國際民航組織規(guī)定的串行格雷碼)、并-串轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)軟件濾波等功能。

3.2 數(shù)據(jù)校準(zhǔn)與編碼

由于函數(shù)電位器的輸出與氣壓高度為近似的線性關(guān)系，特別是在1 000 m以下線性較差，如果直接按式(3)求高度，將會造成較大誤差。因此需要對高度數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

數(shù)據(jù)校準(zhǔn)可采用硬件校準(zhǔn)或軟件校準(zhǔn)。采用硬件校準(zhǔn)，不僅增加了設(shè)備的體積和重量，提高了成本，而且難度大，精度低。采用軟件校準(zhǔn)，不僅可以節(jié)省成本，而且方法簡單，效果好。因此，本方案采用的是軟件校準(zhǔn)中的查表法。

表格的制作方法是：第一步，通過實(shí)驗(yàn)測出表1所示大氣機(jī)絕對氣壓高度值對應(yīng)的A/D輸出的二進(jìn)制值Un；第二步，將絕對高度值以格雷碼形式存入單片機(jī)內(nèi)部的存貯器，存貯器地址對應(yīng)A/D輸出的二進(jìn)制值U。對于位于表1中數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的點(diǎn)，可將相鄰兩點(diǎn)間的曲線看作是直線，通過線性插值法求出每個A/D輸出值對應(yīng)的高度值，并存入存貯器。假設(shè)(Hn-1，Un-1)和(Hn，Un)是表1中相鄰的兩點(diǎn)，當(dāng)Un-1

采用查表法可大大提高轉(zhuǎn)換精度。

3.3 抗干擾措施

各種干擾對測高精度也有較大的影響，如本機(jī)噪聲及來自其他機(jī)載電子設(shè)備或環(huán)境的干擾等。為提高測量精度，本設(shè)計(jì)采取了有效的抗干擾措施。

電源設(shè)計(jì)上采取了低紋波方案，消除電源本身產(chǎn)生的干擾。另外，在接近各器件供電腳附近加裝濾波電容，消除由供電線引入的各種瞬態(tài)干擾信號。

軟件抗干擾是一種簡便、有效的方法。本設(shè)計(jì)采取了剔除奇異值法和平均值濾波法抗干擾措施［9］。

對每一高度值進(jìn)行N次等時間間隔采樣，并求出N個采樣值的平均值。如果某個采樣值與該平均值相差較大，可認(rèn)為是非正常值(奇異值)，予以剔除。將剔除奇異值后的數(shù)據(jù)再次求平均值，并將該值作為這一點(diǎn)的高度值。

上述軟件抗干擾措施對消除瞬態(tài)脈沖干擾和噪聲干擾非常有效［10］。

4 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)采取了數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和抗干擾措施，使測量精度大大提高。實(shí)踐表明，該高度接口板滿足俄制大氣機(jī)與國產(chǎn)應(yīng)答機(jī)的接口要求。工作穩(wěn)定、可靠，轉(zhuǎn)換精度高，其輸出高度和大氣機(jī)的高度指示器讀數(shù)的誤差不大于2 m，滿足指標(biāo)要求。另外，產(chǎn)品的通用性好，只要加載不同的函數(shù)電位器數(shù)據(jù)及編碼格式，就可以適應(yīng)不同的輸出源及輸入目標(biāo)產(chǎn)品的要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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