大氣機高度輸出接口電路的設計

摘 要：為完成俄制大氣機與國產航管應答機的交連，設計了由單片機、A/D轉換器、電平轉換電路、驅動電路、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。采取數據校準和抗干擾技術，簡化硬件電路，提高高度數據轉換精度和系統的抗干擾能力。實驗表明，該接口電路實現了高度數據的數字化，能夠將俄制大氣機輸出的模擬高度電平信號轉換成滿足國產航空應答機要求的數字編碼信號。

關鍵詞：大氣機； 航管應答機； 接口電路； 設計

中圖分類號：

TN962-34

文獻標識碼：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

我國早期飛機上裝備的電子設備大多為俄制產品［1］。由于這些產品定型早，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［2］。為提高飛機性能，需對部分設備進行國產化。在某型飛機的改裝中，需用國產航管應答機替換原機俄制航管應答機，與航管應答機交連的大氣數據計算機(簡稱大氣機)仍沿用原俄制產品。原機俄制大氣機的氣壓高度輸出接口為模擬信號，而要換裝的國產新一代航管應答機，其高度輸入接口已經數字化。為此，設計了一種高度接口板，完成了俄制大氣機與國產航管應答機的交連。

1 應答機高度信號輸入要求

換裝的國產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字信號，接口電氣性能采用RS 422規范，數據格式符合國際民航組織的相關規定，高度內容由10位格雷碼構成，單位為英尺，范圍為：-1 000~62 700英尺(-304~19 111 m)，按100英尺的高度增量進行編碼［3］。

2 大氣機高度輸出信號形式

大氣機是根據大氣壓強隨著高度增加而下降的原理測量飛機高度的［4］。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R3組成，組成原理如圖1所示。可調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，可調電位器本身的阻值分布依據氣壓與高度之間的函數關系制成，它將氣壓與高度之間復雜的函數關系，轉變為線性關系。因此也稱其為函數電位器。絕對氣壓高度與W之間的關系曲線如

從表1可以看出，W和絕對氣壓高度之間近似為線性關系，當絕對氣壓高度大于1 000 m時線性較好。表1數據可用下面一次函數近似表示［5］：

3 接口板設計

3.1 硬件構成與原理

根據大氣機輸出信號形式和航管應答機輸入信號要求，設計了高度接口板，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/驅動電路、隔離電路、TTL/RS 422轉換電路及電源電路等組成。

圖2 接口板組成框圖

由AD574產生的基準電壓，經隔離/驅動電路加到大氣機高度函數電位器的2端，函數電位器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字信號，經單片機變換成用串行格雷碼表示的高度數值，最后由TTL/RS 422變換電路變換為符合RS 422接口規范的信號，送至航管應答機。

隔離/驅動電路用來對AD574產生的基準電壓源進行電流放大，同時起隔離作用，防止函數電位器的阻抗變化對基準電壓源產生影響，從而影響A/D轉換精度。

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電位器的阻抗產生影響。

A/D變換器的作用是將模擬的高度電壓信號轉換成數字信號，同時產生大氣機函數電位器需要的輸入電壓［6］。

由于大氣機給出的氣壓高度精度有限，國際民航組織規定高度編碼的增量為100英尺。現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N應由下式確定［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變換器的轉換精度不僅取決于輸出位數，而且與供電電源的品質也有很大關系。目前主要有模擬串聯穩壓和開關DC/DC變換兩種電源體制［8］。模擬串聯穩壓電源有開關電源無法比擬的優點就是不產生尖峰干擾，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/400 Hz電源為高度接口板的原始電源，采用串聯穩壓電源體制加π型濾波方案，為12位A/D變換器提供了高品質的電源系統。

CPU是接口板的控制計算中心，主要完成A/D轉換控制、數據校準與編碼(將二進制數字信號變換成符合國際民航組織規定的串行格雷碼)、并-串轉換和數據軟件濾波等功能。

3.2 數據校準與編碼

由于函數電位器的輸出與氣壓高度為近似的線性關系，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。因此需要對高度數據進行校準。

數據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中數據點之間的點，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(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備或環境的干擾等。為提高測量精度，本設計采取了有效的抗干擾措施。

電源設計上采取了低紋波方案，消除電源本身產生的干擾。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干擾信號。

軟件抗干擾是一種簡便、有效的方法。本設計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據再次求平均值，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脈沖干擾和噪聲干擾非常有效［10］。

4 結 語

本設計采取了數據校準和抗干擾措施，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應答機的接口要求。工作穩定、可靠，轉換精度高，其輸出高度和大氣機的高度指示器讀數的誤差不大于2 m，滿足指標要求。另外，產品的通用性好，只要加載不同的函數電位器數據及編碼格式，就可以適應不同的輸出源及輸入目標產品的要求。

參 考 文 獻

［1］李大軍.航空電子設備［M］.北京：國防工業出版社，1999.

［2］高偉.某型空管應答機高度源模擬器電路設計［J］.現代電子技術，2008，31(21)：18-20.

［3］黎廷璋，張德馨.空中交通管制機載應答機［M］.北京：國防工業出版社，1992.

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［5］萬讓新.數值計算原理［M］.北京：科學普及出版社，2002.

［6］馬建立.模擬數字轉換電路原理與設計［M］.北京：國防工業出版社，2001.

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［8］侯民勝.電源瞬時波動對微機的影響及防護［J］.現代電子技術，2007，30(11)：148-150.

［9］崔少輝.基于CPLD的信號產生電路及其可靠性處理［J］.電子測量技術，2009，32(7)：31-33.

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