飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)同步器信號(hào)的采集

關(guān)鍵詞：飛行參數(shù)記錄儀；黑匣子；同步器

飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)俗稱“黑匣子”，是民用和軍用飛機(jī)普遍加裝的重要機(jī)載設(shè)備之一。飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)采集的同步器信號(hào)參數(shù)主要是飛機(jī)的姿態(tài)角和航向角參數(shù)，包括地平儀姿態(tài)陀螺的俯仰角、傾斜角和航向陀螺的航向角，這些都是飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)中重要的飛機(jī)姿態(tài)參數(shù)對(duì)于保障飛行安全，提高飛行訓(xùn)練水平和機(jī)務(wù)維護(hù)質(zhì)量都具有十分重要的作用。

系統(tǒng)組成
某型機(jī)載飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)由飛參控制器、飛參數(shù)據(jù)采集器、防護(hù)記錄器、電源4部分組成。其中飛參數(shù)據(jù)采集器采用了統(tǒng)一總線方式下的功能模塊設(shè)計(jì)技術(shù)，按功能分為6個(gè)模塊：中央處理器板、模擬量采集板、開關(guān)量采集板、頻率量采集板、同步器信號(hào)采集板、固態(tài)記錄卡。本文著重介紹同步器信號(hào)采集板的采集原理和實(shí)現(xiàn)過程。同步器信號(hào)采集板由同步器轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)鎖存電路、地址譯碼電路、控制電路等組成，完成3路同步器信號(hào)的采集。

同步器信號(hào)采集原理
航空地平儀用來測(cè)定飛機(jī)在空間相對(duì)于地平線的狀態(tài)，輸出與俯仰角和傾斜角成比例的電信號(hào)；航向系統(tǒng)用于測(cè)定飛機(jī)相對(duì)于地磁場(chǎng)的航向角，輸出與航向角成比例的電信號(hào)。飛機(jī)姿態(tài)和航向陀螺輸出的角度信號(hào)為三相交流同步器信號(hào)。三相交流同步器又稱自整角機(jī)，分解器又稱旋轉(zhuǎn)變壓器，它們皆歸類于微特電機(jī)。在傳統(tǒng)的測(cè)角跟蹤系統(tǒng)與機(jī)電模擬解算系統(tǒng)中，它們都是重要的組成部件。在轉(zhuǎn)角與位移測(cè)量系統(tǒng)中，它們也是一種常用的角度傳感器。本設(shè)計(jì)選用的ZSZ/XSZ-02是一種超小型、模塊式、通用化的自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器—數(shù)字轉(zhuǎn)換器，采用二階伺服原理設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)輸出具有三態(tài)鎖存功能，采用32線雙列直插金屬外殼封裝，體積小，重量輕，可靠性高。
輸入信號(hào)可以接收來自三線自整角機(jī)的角度激勵(lì)信號(hào)和參考電壓信號(hào)，也可以接收來自四線旋轉(zhuǎn)變壓器的角度激勵(lì)信號(hào)和參考電壓信號(hào)。輸出角度信號(hào)經(jīng)過三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器鎖存、變成與TTL電平兼容的并行二進(jìn)制碼數(shù)字量信號(hào)。三態(tài)輸出能使多個(gè)轉(zhuǎn)換器直接掛在數(shù)據(jù)總線上，而且在使用禁止信號(hào)/INH時(shí)不斷開轉(zhuǎn)換器內(nèi)部回路。該系列轉(zhuǎn)換器和美國AD公司生產(chǎn)的SDC/RDC1740系列兼容。
為了將模擬信號(hào)變換成表示角度的數(shù)字信號(hào)，以前往往采用模擬開關(guān)、采樣/保持、A/D轉(zhuǎn)換器等組成轉(zhuǎn)換電路來完成。近十多年來研制出將自整角機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的交流信號(hào)直接變換成數(shù)字信號(hào)的器件，即自整角機(jī)/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(SDC)和旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)器件。
自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器—數(shù)字轉(zhuǎn)換器模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
自整角機(jī)輸出的三線電壓或旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的四線電壓分別對(duì)應(yīng)接至轉(zhuǎn)換器SDC或RDC的輸入端S1、S2、S3端或S1、S2、S3、S4端。
如果器件是自整角機(jī)一數(shù)字轉(zhuǎn)換器，則自整角機(jī)三線輸出應(yīng)連接到轉(zhuǎn)換器上的S1、S2和S3端，那么微型Scott變壓器將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成正弦、余弦形式。即：
V1=K1U0sinwtsinq
V2=K1U0SinwtCosq
這里q是自整角機(jī)軸角。
如果器件是旋轉(zhuǎn)變壓器一數(shù)字轉(zhuǎn)換器，則旋轉(zhuǎn)變壓器四線輸出應(yīng)連接到轉(zhuǎn)換器上的S1、S2、S3、和S4端，那么此時(shí)的微型變壓器只起隔離和變壓作用。
V1=K1U0sinqcoswt
V2=K1U0cosqsinwt
為便于理解轉(zhuǎn)換過程，假定可逆計(jì)數(shù)器當(dāng)前字狀態(tài)為f，那么，V1乘以Cosf、V2乘以Sinf得到：
K1U0 sinqcosfsinwt
K1U0 cosqsinfsinwt
這些信號(hào)經(jīng)誤差放大器后得到：K1U0(sinqcosf-cosqsinf)sinwt
經(jīng)三角函數(shù)變換后得到：K1U0sin(q-f) sinwt
由相敏解調(diào)器、積分器、壓控振蕩器(VCO)和可逆計(jì)數(shù)器等組成的閉環(huán)系統(tǒng)使Sin(q-f)趨近于零，即q=f。當(dāng)這個(gè)過程完成時(shí)，可逆計(jì)算器內(nèi)的代碼(f)就等于轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果，轉(zhuǎn)換器輸出的二進(jìn)制數(shù)字值(φ)代表了自整角機(jī)或旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的軸角θ，該數(shù)字值直接或通過三態(tài)鎖存器送至計(jì)算機(jī)用于顯示。假定禁止信號(hào)“/INH”是邏輯高電平，那么，可逆計(jì)數(shù)器被更新以后，其數(shù)字量φ將被選通進(jìn)入三態(tài)鎖存器，如果使能信號(hào)“/ENM”和“/ENL”是邏輯低電平，那么φ將出現(xiàn)在輸出端上。

圖1 自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器—數(shù)字轉(zhuǎn)換器模塊原理框圖

圖2 多路同步器模塊連接線路框圖

圖3 同步器信號(hào)發(fā)送與接收模塊連線圖

同步器信號(hào)采集板電路設(shè)計(jì)
ZSZ/XSZ-02同步器模塊控制信號(hào)有三個(gè)：/INH、/EN、BYSEL。計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)時(shí)，要對(duì)外設(shè)發(fā)送設(shè)備選擇信號(hào)/CS和讀信號(hào)/RD，當(dāng)數(shù)據(jù)總線為8位寬度時(shí)，計(jì)算機(jī)還需發(fā)送字節(jié)選擇信號(hào)BYSEL。轉(zhuǎn)換模塊與計(jì)算機(jī)之間交換數(shù)據(jù)的能力與一般外部設(shè)備一樣具有兼容性。/INH引腳與計(jì)算機(jī)的/CS信號(hào)相連，/EN引腳與/RD信號(hào)相連，BYSEL引腳與計(jì)算機(jī)的字節(jié)選擇信號(hào)相連。當(dāng)使用8位寬度的數(shù)據(jù)總線時(shí)，只需ZSZ(XSZ)的高8位依次連接到8位數(shù)據(jù)總線上。在字輸出時(shí)，轉(zhuǎn)換器的BYSEL引腳應(yīng)接高電平(或懸空)，并且模塊全部數(shù)據(jù)輸出線與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線一一相連。
當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，計(jì)算機(jī)可向/INH端發(fā)一個(gè)邏輯低電平，從而阻止鎖存器的刷新，當(dāng)/INH端被置于低電平并延遲600ns后，便可讀取數(shù)據(jù)。最后一個(gè)地址結(jié)束時(shí)須把/INH恢復(fù)成高電平。這里把/EN作為地址信號(hào)。線路框圖見圖2。也可以把每個(gè)轉(zhuǎn)換器的/INH與計(jì)算機(jī)地址信號(hào)相連， /EN與計(jì)算機(jī)讀信號(hào)/RD相連，并相應(yīng)將時(shí)序進(jìn)行調(diào)整。
自整角機(jī)激磁引線端Z1、Z2及信號(hào)輸出端D1、D2、D3與ZSZ模塊的參考引腳RH、RL及輸入信號(hào)引腳S1、S2、S3之間按圖3的對(duì)應(yīng)關(guān)系接線，這種接法與電氣零位調(diào)零的規(guī)則(GB13138-91)自整角機(jī)規(guī)范、(GB10241-88)旋轉(zhuǎn)變壓器規(guī)范相一致。若兩個(gè)參考信號(hào)引腳間接反或三個(gè)信號(hào)引腳間接線錯(cuò)了，不會(huì)引起轉(zhuǎn)換器的損壞，但會(huì)引起零位和編碼方向調(diào)整的麻煩。
同步器信號(hào)采集板完成三路同步器信號(hào)的采集，由同步器轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)鎖存電路、地址譯碼電路、控制電路等組成。同步器信號(hào)采集板電路組成方框圖見圖4。
同步器轉(zhuǎn)換模塊把地平儀、航向陀螺輸出的三相正余弦同步器角度信號(hào)變成單片機(jī)能接收的數(shù)字量信號(hào)，同步器轉(zhuǎn)換模塊是一種采用跟蹤轉(zhuǎn)換技術(shù)和模塊化結(jié)構(gòu)的自整角機(jī)—數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它應(yīng)用二階伺服回路，輸出是與TTL電平兼容的12位并行自然二進(jìn)制碼，完成角度的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，且在數(shù)字輸出端包含三態(tài)鎖存器。
地址譯碼電路，實(shí)現(xiàn)三路同步器轉(zhuǎn)換模塊的地址譯碼，分時(shí)讀取每一路同步器模塊的角度信號(hào)?？刂齐娐酚蛇壿嬮T電路組成，實(shí)現(xiàn)三路同步器轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)分時(shí)讀取使能控制。數(shù)據(jù)鎖存電路由三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器組成，鎖存同步器轉(zhuǎn)換模塊的高4位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)12位同步器數(shù)據(jù)的分時(shí)讀取。飛參數(shù)據(jù)采集器通過系統(tǒng)8位數(shù)據(jù)總線，分兩次讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，先讀取12位同步器轉(zhuǎn)換模塊的低8位數(shù)據(jù)，再讀取同步器轉(zhuǎn)換模塊的高4位數(shù)據(jù)。通過同步器數(shù)據(jù)采集板完成了飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)同步器信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。

圖4 同步器信號(hào)采集板電路組成方框圖

結(jié)語
同步器采集板在原理設(shè)計(jì)階段，解決了12位同步器數(shù)據(jù)的同步采集存儲(chǔ)、三路同步器信號(hào)的分時(shí)采集、同步器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性隨動(dòng)變化、同步器采集板電源去偶濾波等技術(shù)難點(diǎn)。同時(shí)使用非常方便，只需將自整角機(jī)或旋轉(zhuǎn)變壓器的引線和轉(zhuǎn)換器的引腳一一對(duì)應(yīng)相連即可。為減少干擾，在同步器供電模塊電源的+5V、+15V和-15V到公共地(GND)之間并聯(lián)一個(gè)0.1mF和6.8mF的濾波電容。
同步器信號(hào)采集板作為飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)的一部分，已批量裝備部隊(duì)使用。同時(shí)作為試飛測(cè)試系統(tǒng)中機(jī)載數(shù)據(jù)采集器的一部分，已在多個(gè)系統(tǒng)和項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。通過用戶的使用證明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

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