?

　　為完成俄制大氣機與國產(chǎn)航管應答機的交連，設(shè)計了由單片機、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高度輸出接口板電路。采取數(shù)據(jù)校準和抗干擾技術(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。實驗表明，該接口電路實現(xiàn)了高度數(shù)據(jù)的數(shù)字化，能夠?qū)⒍碇拼髿鈾C輸出的模擬高度電平信號轉(zhuǎn)換成滿足國產(chǎn)航空應答機要求的數(shù)字編碼信號。

　　1 應答機高度信號輸入要求

　　換裝的國產(chǎn)新一代航管應答機為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：-1000～62700英尺(-304～19111m)，按100英尺的高度增量進行編碼。

　　2 大氣機高度輸出信號形式

　　大氣機是根據(jù)大氣壓強隨著高度增加而下降的原理測量飛機高度的。俄制大氣機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R3組成，組成原理如圖1所示?？烧{(diào)電位器的滑動觸點與氣壓膜盒相連，當氣壓變化時，膜盒帶動觸點滑動，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值，其表達式為：

?

　　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)系曲線如表1所示。

　　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：

　　H=187.5(W-10) (3)

　　式中H為絕對高度，單位為m。

　　3 接口板設(shè)計

　　3.1 硬件構(gòu)成與原理

　　根據(jù)大氣機輸出信號形式和航管應答機輸入信號要求，設(shè)計了高度接口板，其原理框圖如圖2所示。該接口板主要由單片機、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。

　　由AD574產(chǎn)生的基準電壓，經(jīng)隔離/驅(qū)動電路加到大氣機高度函數(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的數(shù)字信號，經(jīng)單片機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，送至航管應答機。

　　隔離/驅(qū)動電路用來對AD574產(chǎn)生的基準電壓源進行電流放大，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)生大氣機函數(shù)電位器需要的輸入電壓。

　　由于大氣機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。模擬串聯(lián)穩(wěn)壓電源有開關(guān)電源無法比擬的優(yōu)點就是不產(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是接口板的控制計算中心，主要完成A/D轉(zhuǎn)換控制、數(shù)據(jù)校準與編碼(將二進制數(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)進行校準。

　　數(shù)據(jù)校準可采用硬件校準或軟件校準。采用硬件校準，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，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中的查表法。

　　表格的制作方法是：第一步，通過實驗測出表1所示大氣機絕對氣壓高度值對應的A/D輸出的二進制值Un第二步，將絕對高度值以格雷碼形式存入單片機內(nèi)部的存貯器，存貯器地址對應A/D輸出的二進制值U。對于位于表1中數(shù)據(jù)點之間的點，可將相鄰兩點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，當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，如本機噪聲及來自其他機載電子設(shè)備或環(huán)境的干擾等。為提高測量精度，本設(shè)計采取了有效的抗干擾措施。

　　電源設(shè)計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)計采取了剔除奇異值法和平均值濾波法抗干擾措施。

　　對每一高度值進行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。

　　4 結(jié)語

　　本設(shè)計采取了數(shù)據(jù)校準和抗干擾措施，使測量精度大大提高。實踐表明，該高度接口板滿足俄制大氣機與國產(chǎn)應答機的接口要求。工作穩(wěn)定、可靠，轉(zhuǎn)換精度高，其輸出高度和大氣機的高度指示器讀數(shù)的誤差不大于2 m，滿足指標要求。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，就可以適應不同的輸出源及輸入目標產(chǎn)品的要求。