?

　　為完成俄制大氣機(jī)與國(guó)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(dòng)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(jiǎn)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(hào)轉(zhuǎn)換成滿足國(guó)產(chǎn)航空應(yīng)答機(jī)要求的數(shù)字編碼信號(hào)。

　　1 應(yīng)答機(jī)高度信號(hào)輸入要求

　　換裝的國(guó)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(hào)，接口電氣性能采用RS 422規(guī)范，數(shù)據(jù)格式符合國(guó)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：-1000～62700英尺(-304～19111m)，按100英尺的高度增量進(jìn)行編碼。

　　2 大氣機(jī)高度輸出信號(hào)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(cè)量飛機(jī)高度的。俄制大氣機(jī)的高度輸出為模擬電壓信號(hào)，其輸出接口電路等效為一個(gè)電位器，由兩個(gè)固定電阻R1，R2和一個(gè)電位器R3組成，組成原理如圖1所示。可調(diào)電位器的滑動(dòng)觸點(diǎn)與氣壓膜盒相連，當(dāng)氣壓變化時(shí)，膜盒帶動(dòng)觸點(diǎn)滑動(dòng)，將氣壓的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化。

　　圖1中，1端為公共端，一般接地;2端為電壓輸入端;3端為高度電壓輸出端。大氣機(jī)輸出的高度電壓Uout為：

　　Uout=UinW (1)

　　式中：Uin為輸入電壓;W為電位器阻值變化相對(duì)值，其表達(dá)式為：

?

　　由于固定電阻R1，R2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(duì)氣壓高度與W之間的關(guān)系曲線如表1所示。

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

　　H=187.5(W-10) (3)

　　式中H為絕對(duì)高度，單位為m。

　　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(hào)形式和航管應(yīng)答機(jī)輸入信號(hào)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(dòng)電路、隔離電路、TTL/RS 422轉(zhuǎn)換電路及電源電路等組成。

　　由AD574產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓，經(jīng)隔離/驅(qū)動(dòng)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(hào)。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(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，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(hào)，送至航管應(yīng)答機(jī)。

　　隔離/驅(qū)動(dòng)電路用來(lái)對(duì)AD574產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行電流放大，同時(shí)起隔離作用，防止函數(shù)電位器的阻抗變化對(duì)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(duì)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，同時(shí)產(chǎn)生大氣機(jī)函數(shù)電位器需要的輸入電壓。

　　由于大氣機(jī)給出的氣壓高度精度有限，國(guó)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：

　　2N≥493-1 (4)

　　由式(4)得，N≥log2(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(kāi)關(guān)DC/DC變換兩種電源體制。模擬串聯(lián)穩(wěn)壓電源有開(kāi)關(guān)電源無(wú)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(guò)濾波降低到足夠低的水平。本方案采用機(jī)上115 V/400Hz電源為高度接口板的原始電源，采用串聯(lián)穩(wěn)壓電源體制加兀型濾波方案，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(hào)變換成符合國(guó)際民航組織規(guī)定的串行格雷碼)、并一串轉(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(huì)造成較大誤差。因此需要對(duì)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(jiǎn)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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出表1所示大氣機(jī)絕對(duì)氣壓高度值對(duì)應(yīng)的A/D輸出的二進(jìn)制值Un第二步，將絕對(duì)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(duì)應(yīng)A/D輸出的二進(jìn)制值U。對(duì)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(guò)線性插值法求出每個(gè)A/D輸出值對(duì)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(duì)測(cè)高精度也有較大的影響，如本機(jī)噪聲及來(lái)自其他機(jī)載電子設(shè)備或環(huán)境的干擾等。為提高測(cè)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(hào)。

　　軟件抗干擾是一種簡(jiǎn)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。

　　對(duì)每一高度值進(jìn)行N次等時(shí)間間隔采樣，并求出N個(gè)采樣值的平均值。如果某個(gè)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(duì)消除瞬態(tài)脈沖干擾和噪聲干擾非常有效。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　本設(shè)計(jì)采取了數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和抗干擾措施，使測(cè)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(guó)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。