基于MDC103的模擬飛控數據采集系統設計與聯試故障分析

陳新華+尹川+谷士鵬

摘 要：該文依據某飛行試驗測試任務的需要，詳細描述了基于通用采集系統KAM500下的MDC103板卡下模擬飛控數據測試系統的搭建和模擬飛控隔離器的設計，并通過分析模擬飛控的接口電路，解決了地面聯試中飛控系統與數據采集系統之間的交聯問題，實現了模擬飛控的數據采集，順利保證了型號任務。

關鍵詞：模擬飛控 ?MDC103板卡 ?系統設計 ?故障分析

中圖分類號：V429 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0081-02

Analog Flight Control Data Acquisition System Design And Associated Test Failure Analysis Based MDC103

Chen Xinhua ?Yin Chuan ?Gu Shipeng

（ Chinese Flight Test Establishment， Xi'an ?Shaanxi，710089，China ）

Abstract：Based on a flight test mission requirements，a detailed description of building flight control data test system based on the use of the MDC103 card under the universal data acquisition KAM 500 system.And solved cross-linked problem between fight control system and data collection system in the associated test by analyzing the flight control system interface circuit，and achieved the analog flight control data collection，to ensure the task successfully.

Key Words：Flight Control Computer;MDC103;System Design;Failure Analysis

飛控計算機是飛行器飛行系統的中央控制單元。隨著航空技術的發展，飛控計算機正向著多功能、低成本、高精度和小型化的方向發展。通過其內部的控制算法，飛控計算機將根據飛行器自身傳感器測得的飛機的姿態、高度、速度等參數，對飛行員的操作或者指令做出適當的輸出響應，控制飛行器飛行姿態，完成飛行員所希望的動作。該文主要講述的是在KAM500采集系統下，利用MDC103板卡搭建某型模擬飛控計算機的采集系統的設計以及在聯試時解決的飛控數據無法采集的問題。

1 模擬飛控測試系統

1.1 模擬飛控計算機的測試接口特性

通過前期調研與協調，決定通過預留的檢測口對模擬飛控數據進行實時采集，這樣既能夠順利采集模擬飛控的數據又不影響飛行器的控制。根據廠家提供的資料，該型模擬飛控計算機檢測口通道內部信號建立時間大約為2～3 ms，數據輸出是通過6根地址線以及2根數據線來完成的。飛控計算機內部通過判讀地址線的高低電平，將外部的選通地址與其內部各個模擬量所在的內部地址進行比對，從而將與之所對應的開關接通，然后將所需要的模擬量通過數據線輸出。數據線與地址線的電氣特性分別如下所示。

（1）數據線信號輸出特性：①信號形式：差分;②信號電平：±10V;

（2）地址選通信號輸入特性：①每通道6線地址輸出;②輸出形式：地/開; ?③邏輯電平：“地/開”形式，計算機內部上拉12 V，形成“地/12 V”地址選通信號。邏輯“0”：0 V，選通地址線與選通源（地）連接;邏輯“1”：開路，選通地址線懸空（開）。

1.2 模擬飛控采集測試方案

KAM-500是性能卓越的模塊式PCM數據采集系統，符合IRIG-106標準，也滿足民用飛機適航標準，已被批準可以應用于飛機機載測試設備系統。在測試方案中，針對模擬飛控測試接口的電氣特性，筆者選用KAM500數據采集系統所采用的模塊是MDC系列中的MDC/103板卡。

MDC/103是一塊具有雙通道的采集板卡，每個通道最多能夠設置64個測試參數，每個通道的循環周期T可選擇從3.2 ms到512 ms，由于每個通道64個測試參數循環采集，因此，每個參數的采樣時間t（即地址線選通后最大通訊建立時間）通過計算可以得出：

t=（3.2～512）ms÷64=50u～8ms （1）

滿足模擬飛控計算機檢測口通道循環時間大約為2～3 ms的采樣要求。

而MDC/103板卡的數據線輸入與模擬飛控數據輸出口電氣特性一致，都是±10 V的差分信號。MDC/103板卡的地址線同樣為6根地址線，但是輸出形式為12 V/接地，12 V邏輯值為“1”，接地邏輯值為“0”。

由于MDC/103板卡的地址線的電氣特性與模擬飛控的地址線的電氣特性不一樣，另外為了防止機載測試設備影響飛機模擬飛控計算機工作狀態，因此，需要開發一款既實現地址線的電氣特性轉換，又完成與原機設備的電氣隔離的模擬飛控匹配隔離器。

1.3 模擬飛控隔離器的設計

模擬隔離器的功能主要是將采集設備輸出的2路（各6位）參數地址選擇信號匹配隔離之后以地/開的形式傳給模擬飛控計算機，選通所需要采集的PAM參數;同時，接收模擬飛控計算機輸出的兩路差分PAM信號，隔離之后再以差分得形式傳輸給采集器。根據上述的分析可知，模擬隔離器主要包括兩個部分，即地址線的匹配隔離輸出和數據PAM信號的隔離輸出。其原理框圖如圖1所示。endprint

1.3.1 電路設計

由于PAM信號輸入輸出都是差動±10 V信號，因此整個模擬通路的增益為1，所以信號通路中的各級電路的增益也都是1。在輸入緩沖電路設計時，主要考慮信號輸入范圍，信號建立時間、增益誤差和工作的溫度范圍，綜合以上因素，筆者選用AD公司的儀表放大器AD8250，其作用是將模擬飛控計算機輸出的兩路差分PAM信號轉換為單端信號。為了防止高頻信號干擾，可在信號的輸入端搭建一個低通RC濾波網絡，其信號帶寬FilterFreq為：

FilterFreq=1/[2πR×（2C1+C2）]

在隔離電路的設計上，通過對比AD215、AD204、ISO124和ISO120的具體參數，最終選定電路設計采用AD215，雖然AD215的增益誤差較大，但是可通過后級的增益調整電路進行修正。根據AD215的數據手冊，可以得出AD215的增益為1 時的電路圖如圖2所示。

由于AD215的輸出有一定的偏置電壓，所以需要對其調零。筆者通過R3、R4、R5構成調零電路。同時，為了保證調零電路的電源精度，調零電路的電源由基準電壓電路提供。

增益調理電路是由OP284組成的典型反向放大器;輸出驅動電路則是利用OP284搭成的典型單端轉差分電路。這里不再贅言。整個隔離器的整個設計原理如圖3所示。

地址線的信號隔離，筆者通過三個ISO7220BD來實現。ISO7220BD是一個雙通道隔離器。由于采用數字隔離的方式， ISO7220BD輸出的信號，通過接入三極管，然后再接入飛控計算機測試端口，由飛控計算機的內部電路將接地/開路上拉為12 V/0V。

1.3.2 信號建立時間

由于MDC/103板卡的最小采樣時間為50 us，因此該型隔離器的信號建立時間應小于50 us，信號從輸入到輸出，一共經過了5級調理電路，其器件分別是AD8250、AD215和3個OP284。其中AD8250的信號建立時間為615ns，AD215的信號建立時間為9 us，OP284的信號建立時間為4 us。

因此，隔離器模擬通路的信號建立時間T：

T=615ns+9us+4us+4us+4us=21.615us，滿足信號最短建立時間50 us的需要。

1.3.3 模擬電路的精度

由于模擬通路設有增益調整電路，產品調試時可將增益誤差δ控制在需要的范圍之內。電路的誤差主要是由于增益溫度漂移和器件輸入失調電壓產生。

由于增益調整電路及輸出驅動電路的增益電阻選用的都是高穩定性電阻，溫度系數很小，因此，增益溫度附加的誤差幾乎可以忽略不計。只計算輸入失調電壓以及失調電壓溫度漂移引起的誤差。

例如：AD8250的精度指標如下：

失調電壓：0.39 mV;

失調電壓飄移：1.7 uV/℃;

全溫區增益誤差δ1：0.067%。

由于模擬飛控的使用環境為-40 ℃～80 ℃;因此，在20 ℃±60 ℃范圍內的失調電壓V=±0.39 mV×1.7 uV/℃×60 ℃=±0.492 mV。

而由失調電壓帶來的誤差δ5則為：δ5±0.492mV/20V×100%=0.00246%;

同樣的道理，AD215和OP284的失調電壓帶來的誤差δ6和δ7的值分別為0.008%和0.00148%，而整個電路的精度總誤差為：

δs=±δ（δ12+δ22+δ32+δ42+δ52+δ62+δ72）1/2

=0.133%，滿足設計要求。

2 聯試故障現象與分析

2.1 初步分析

按照上述的方案，筆者完成了隔離器的設計，并將數據采集系統與模擬飛控計算機進行地面聯試，卻發現數據無變化。通過分析聯試的數據，數據顯示的結果只是對最初上電狀態進行相應的采集，而對后面的數據變化，MDC/103板卡仿佛沒有采集。降低MDC/103通道的采樣率，現象依舊。將按照技術協議設計的模擬飛控采集仿真器與KAM500采集系統相連接，數據能夠正常采集，證實采集系統沒有問題，初步判斷故障的原因在模擬飛控的測試接口。

通過利用示波器測量模擬飛控測試端口的通道建立時間，發現從地址線信號輸入到模擬量信號輸出的時間大約為18 ms，而MDC/103板卡單個通道的采樣時間（即地址線狀態跳變最長時間）t最大為8 ms，因此當MDC/103的地址線發生跳變時，模擬飛控測試端口還處在判讀地址線，等待輸出數據值狀態，而當下一個地址線狀態輸入的時候，由于地址線狀態發生變化，所以模擬飛控測試端口重新進行判斷，因此測試端口一直處于判斷地址線的狀態，從而無法向外輸出MDC/103所選擇的模擬量參數。顯然，地面聯試出錯的原因是可以初步定位為是由于測試端口通道建立時間偏大所造成的。那么，是什么原因造成通道的建立時間偏大呢？

2.2 進一步分析定位

通過分析模擬飛控的測試端口電路，發現廠家設計員為了防止高頻干擾和電壓的抖動，在模擬飛控的測試端口電路設計了RC濾波電路和電壓比較器電路，使得通道建立的時間里包含了電壓比較器的電容充放電時間和RC濾波的時間，存在一定的延時，且延時時間大于MDC的最少跳變的時間8MS，因此，就出現了模擬飛控數據無法采集的現象。由于，模擬飛控測試端口的技術指標與之前簽署的協調紀要不一致，因此建議廠家優化模擬飛控測試端口設計。

3 結語

通過與新的飛控計算機地面聯試，隔離盒與MDC/103板卡的配合使用能夠很好的完成模擬飛控計算機所發出的數據，在后續的試飛任務中也順利保障了試飛數據的采集。該測試方案的成功應用，節省了用于研制專門的模擬飛控采集器及相關配套設備的經費，創造了較為可觀的經濟效益，同時對于其它類似的選通形式的模擬量的測量具有一定的工程參考意義。

參考文獻

[1] ACRA公司.MDC/103板卡使用手冊[Z].2006.

[2] AD公司.ISO7220英文說明書[Z].

[3] AD公司.AD8253英文說明書[Z].

[4] AD公司.AD215英文說明書[Z].

[2] AD公司.OP284英文說明書[Z].

[5] 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].高等教育出版社，2006.endprint

1.3.1 電路設計

由于PAM信號輸入輸出都是差動±10 V信號，因此整個模擬通路的增益為1，所以信號通路中的各級電路的增益也都是1。在輸入緩沖電路設計時，主要考慮信號輸入范圍，信號建立時間、增益誤差和工作的溫度范圍，綜合以上因素，筆者選用AD公司的儀表放大器AD8250，其作用是將模擬飛控計算機輸出的兩路差分PAM信號轉換為單端信號。為了防止高頻信號干擾，可在信號的輸入端搭建一個低通RC濾波網絡，其信號帶寬FilterFreq為：

FilterFreq=1/[2πR×（2C1+C2）]

在隔離電路的設計上，通過對比AD215、AD204、ISO124和ISO120的具體參數，最終選定電路設計采用AD215，雖然AD215的增益誤差較大，但是可通過后級的增益調整電路進行修正。根據AD215的數據手冊，可以得出AD215的增益為1 時的電路圖如圖2所示。

由于AD215的輸出有一定的偏置電壓，所以需要對其調零。筆者通過R3、R4、R5構成調零電路。同時，為了保證調零電路的電源精度，調零電路的電源由基準電壓電路提供。

增益調理電路是由OP284組成的典型反向放大器;輸出驅動電路則是利用OP284搭成的典型單端轉差分電路。這里不再贅言。整個隔離器的整個設計原理如圖3所示。

地址線的信號隔離，筆者通過三個ISO7220BD來實現。ISO7220BD是一個雙通道隔離器。由于采用數字隔離的方式， ISO7220BD輸出的信號，通過接入三極管，然后再接入飛控計算機測試端口，由飛控計算機的內部電路將接地/開路上拉為12 V/0V。

1.3.2 信號建立時間

由于MDC/103板卡的最小采樣時間為50 us，因此該型隔離器的信號建立時間應小于50 us，信號從輸入到輸出，一共經過了5級調理電路，其器件分別是AD8250、AD215和3個OP284。其中AD8250的信號建立時間為615ns，AD215的信號建立時間為9 us，OP284的信號建立時間為4 us。

因此，隔離器模擬通路的信號建立時間T：

T=615ns+9us+4us+4us+4us=21.615us，滿足信號最短建立時間50 us的需要。

1.3.3 模擬電路的精度

由于模擬通路設有增益調整電路，產品調試時可將增益誤差δ控制在需要的范圍之內。電路的誤差主要是由于增益溫度漂移和器件輸入失調電壓產生。

由于增益調整電路及輸出驅動電路的增益電阻選用的都是高穩定性電阻，溫度系數很小，因此，增益溫度附加的誤差幾乎可以忽略不計。只計算輸入失調電壓以及失調電壓溫度漂移引起的誤差。

例如：AD8250的精度指標如下：

失調電壓：0.39 mV;

失調電壓飄移：1.7 uV/℃;

全溫區增益誤差δ1：0.067%。

由于模擬飛控的使用環境為-40 ℃～80 ℃;因此，在20 ℃±60 ℃范圍內的失調電壓V=±0.39 mV×1.7 uV/℃×60 ℃=±0.492 mV。

而由失調電壓帶來的誤差δ5則為：δ5±0.492mV/20V×100%=0.00246%;

同樣的道理，AD215和OP284的失調電壓帶來的誤差δ6和δ7的值分別為0.008%和0.00148%，而整個電路的精度總誤差為：

δs=±δ（δ12+δ22+δ32+δ42+δ52+δ62+δ72）1/2

=0.133%，滿足設計要求。

2 聯試故障現象與分析

2.1 初步分析

按照上述的方案，筆者完成了隔離器的設計，并將數據采集系統與模擬飛控計算機進行地面聯試，卻發現數據無變化。通過分析聯試的數據，數據顯示的結果只是對最初上電狀態進行相應的采集，而對后面的數據變化，MDC/103板卡仿佛沒有采集。降低MDC/103通道的采樣率，現象依舊。將按照技術協議設計的模擬飛控采集仿真器與KAM500采集系統相連接，數據能夠正常采集，證實采集系統沒有問題，初步判斷故障的原因在模擬飛控的測試接口。

通過利用示波器測量模擬飛控測試端口的通道建立時間，發現從地址線信號輸入到模擬量信號輸出的時間大約為18 ms，而MDC/103板卡單個通道的采樣時間（即地址線狀態跳變最長時間）t最大為8 ms，因此當MDC/103的地址線發生跳變時，模擬飛控測試端口還處在判讀地址線，等待輸出數據值狀態，而當下一個地址線狀態輸入的時候，由于地址線狀態發生變化，所以模擬飛控測試端口重新進行判斷，因此測試端口一直處于判斷地址線的狀態，從而無法向外輸出MDC/103所選擇的模擬量參數。顯然，地面聯試出錯的原因是可以初步定位為是由于測試端口通道建立時間偏大所造成的。那么，是什么原因造成通道的建立時間偏大呢？

2.2 進一步分析定位

通過分析模擬飛控的測試端口電路，發現廠家設計員為了防止高頻干擾和電壓的抖動，在模擬飛控的測試端口電路設計了RC濾波電路和電壓比較器電路，使得通道建立的時間里包含了電壓比較器的電容充放電時間和RC濾波的時間，存在一定的延時，且延時時間大于MDC的最少跳變的時間8MS，因此，就出現了模擬飛控數據無法采集的現象。由于，模擬飛控測試端口的技術指標與之前簽署的協調紀要不一致，因此建議廠家優化模擬飛控測試端口設計。

3 結語

通過與新的飛控計算機地面聯試，隔離盒與MDC/103板卡的配合使用能夠很好的完成模擬飛控計算機所發出的數據，在后續的試飛任務中也順利保障了試飛數據的采集。該測試方案的成功應用，節省了用于研制專門的模擬飛控采集器及相關配套設備的經費，創造了較為可觀的經濟效益，同時對于其它類似的選通形式的模擬量的測量具有一定的工程參考意義。

參考文獻

[1] ACRA公司.MDC/103板卡使用手冊[Z].2006.

[2] AD公司.ISO7220英文說明書[Z].

[3] AD公司.AD8253英文說明書[Z].

[4] AD公司.AD215英文說明書[Z].

[2] AD公司.OP284英文說明書[Z].

[5] 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].高等教育出版社，2006.endprint

1.3.1 電路設計

由于PAM信號輸入輸出都是差動±10 V信號，因此整個模擬通路的增益為1，所以信號通路中的各級電路的增益也都是1。在輸入緩沖電路設計時，主要考慮信號輸入范圍，信號建立時間、增益誤差和工作的溫度范圍，綜合以上因素，筆者選用AD公司的儀表放大器AD8250，其作用是將模擬飛控計算機輸出的兩路差分PAM信號轉換為單端信號。為了防止高頻信號干擾，可在信號的輸入端搭建一個低通RC濾波網絡，其信號帶寬FilterFreq為：

FilterFreq=1/[2πR×（2C1+C2）]

在隔離電路的設計上，通過對比AD215、AD204、ISO124和ISO120的具體參數，最終選定電路設計采用AD215，雖然AD215的增益誤差較大，但是可通過后級的增益調整電路進行修正。根據AD215的數據手冊，可以得出AD215的增益為1 時的電路圖如圖2所示。

由于AD215的輸出有一定的偏置電壓，所以需要對其調零。筆者通過R3、R4、R5構成調零電路。同時，為了保證調零電路的電源精度，調零電路的電源由基準電壓電路提供。

增益調理電路是由OP284組成的典型反向放大器;輸出驅動電路則是利用OP284搭成的典型單端轉差分電路。這里不再贅言。整個隔離器的整個設計原理如圖3所示。

地址線的信號隔離，筆者通過三個ISO7220BD來實現。ISO7220BD是一個雙通道隔離器。由于采用數字隔離的方式， ISO7220BD輸出的信號，通過接入三極管，然后再接入飛控計算機測試端口，由飛控計算機的內部電路將接地/開路上拉為12 V/0V。

1.3.2 信號建立時間

由于MDC/103板卡的最小采樣時間為50 us，因此該型隔離器的信號建立時間應小于50 us，信號從輸入到輸出，一共經過了5級調理電路，其器件分別是AD8250、AD215和3個OP284。其中AD8250的信號建立時間為615ns，AD215的信號建立時間為9 us，OP284的信號建立時間為4 us。

因此，隔離器模擬通路的信號建立時間T：

T=615ns+9us+4us+4us+4us=21.615us，滿足信號最短建立時間50 us的需要。

1.3.3 模擬電路的精度

由于模擬通路設有增益調整電路，產品調試時可將增益誤差δ控制在需要的范圍之內。電路的誤差主要是由于增益溫度漂移和器件輸入失調電壓產生。

由于增益調整電路及輸出驅動電路的增益電阻選用的都是高穩定性電阻，溫度系數很小，因此，增益溫度附加的誤差幾乎可以忽略不計。只計算輸入失調電壓以及失調電壓溫度漂移引起的誤差。

例如：AD8250的精度指標如下：

失調電壓：0.39 mV;

失調電壓飄移：1.7 uV/℃;

全溫區增益誤差δ1：0.067%。

由于模擬飛控的使用環境為-40 ℃～80 ℃;因此，在20 ℃±60 ℃范圍內的失調電壓V=±0.39 mV×1.7 uV/℃×60 ℃=±0.492 mV。

而由失調電壓帶來的誤差δ5則為：δ5±0.492mV/20V×100%=0.00246%;

同樣的道理，AD215和OP284的失調電壓帶來的誤差δ6和δ7的值分別為0.008%和0.00148%，而整個電路的精度總誤差為：

δs=±δ（δ12+δ22+δ32+δ42+δ52+δ62+δ72）1/2

=0.133%，滿足設計要求。

2 聯試故障現象與分析

2.1 初步分析

按照上述的方案，筆者完成了隔離器的設計，并將數據采集系統與模擬飛控計算機進行地面聯試，卻發現數據無變化。通過分析聯試的數據，數據顯示的結果只是對最初上電狀態進行相應的采集，而對后面的數據變化，MDC/103板卡仿佛沒有采集。降低MDC/103通道的采樣率，現象依舊。將按照技術協議設計的模擬飛控采集仿真器與KAM500采集系統相連接，數據能夠正常采集，證實采集系統沒有問題，初步判斷故障的原因在模擬飛控的測試接口。

通過利用示波器測量模擬飛控測試端口的通道建立時間，發現從地址線信號輸入到模擬量信號輸出的時間大約為18 ms，而MDC/103板卡單個通道的采樣時間（即地址線狀態跳變最長時間）t最大為8 ms，因此當MDC/103的地址線發生跳變時，模擬飛控測試端口還處在判讀地址線，等待輸出數據值狀態，而當下一個地址線狀態輸入的時候，由于地址線狀態發生變化，所以模擬飛控測試端口重新進行判斷，因此測試端口一直處于判斷地址線的狀態，從而無法向外輸出MDC/103所選擇的模擬量參數。顯然，地面聯試出錯的原因是可以初步定位為是由于測試端口通道建立時間偏大所造成的。那么，是什么原因造成通道的建立時間偏大呢？

2.2 進一步分析定位

通過分析模擬飛控的測試端口電路，發現廠家設計員為了防止高頻干擾和電壓的抖動，在模擬飛控的測試端口電路設計了RC濾波電路和電壓比較器電路，使得通道建立的時間里包含了電壓比較器的電容充放電時間和RC濾波的時間，存在一定的延時，且延時時間大于MDC的最少跳變的時間8MS，因此，就出現了模擬飛控數據無法采集的現象。由于，模擬飛控測試端口的技術指標與之前簽署的協調紀要不一致，因此建議廠家優化模擬飛控測試端口設計。

3 結語

通過與新的飛控計算機地面聯試，隔離盒與MDC/103板卡的配合使用能夠很好的完成模擬飛控計算機所發出的數據，在后續的試飛任務中也順利保障了試飛數據的采集。該測試方案的成功應用，節省了用于研制專門的模擬飛控采集器及相關配套設備的經費，創造了較為可觀的經濟效益，同時對于其它類似的選通形式的模擬量的測量具有一定的工程參考意義。

參考文獻

[1] ACRA公司.MDC/103板卡使用手冊[Z].2006.

[2] AD公司.ISO7220英文說明書[Z].

[3] AD公司.AD8253英文說明書[Z].

[4] AD公司.AD215英文說明書[Z].

[2] AD公司.OP284英文說明書[Z].

[5] 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].高等教育出版社，2006.endprint