基于FPGA的飛機(jī)參數(shù)顯示器轉(zhuǎn)速信號采集設(shè)計

苗蔚 張傳森 萬實(shí)

摘要 本文介紹了一種利用FPGA邏輯資源實(shí)現(xiàn)飛機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速采集的方法，所設(shè)計的轉(zhuǎn)速采集電路充分利用了FPGA資源的高集成性、可配置性、高實(shí)時性的特點(diǎn)，具有良好的通用性。以某飛機(jī)參數(shù)顯示器為例，闡述了在給定轉(zhuǎn)速信號特性和精度要求下，如何設(shè)計轉(zhuǎn)速前端預(yù)處理電路，保證足夠采樣精度，以及采樣頻率的確定作深入分析。

【關(guān)鍵詞】飛機(jī)參數(shù)顯示器 轉(zhuǎn)速采集電路 采樣頻率FPGA

飛機(jī)參數(shù)顯示器是綜合航空電子系統(tǒng)的重要組成部分，主要顯示飛機(jī)的重要參數(shù)信息，用來補(bǔ)充顯示主顯示器或作戰(zhàn)顯示器上不易直接顯示的飛機(jī)狀態(tài)參數(shù)，而其中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速則是飛機(jī)發(fā)動機(jī)工作正常與否的重要信息，與飛機(jī)的飛行安全息息相關(guān)。所以飛機(jī)參數(shù)顯示器中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信息采集的準(zhǔn)確性，直接關(guān)系到飛機(jī)的安全性和可靠性。

飛機(jī)發(fā)動機(jī)通過自身的轉(zhuǎn)速傳感器、信號放大器等，將轉(zhuǎn)速物理量轉(zhuǎn)換成電子設(shè)備可以識別的電信號。在現(xiàn)代航電系統(tǒng)中，對輸入電信號準(zhǔn)確采集是后端處理的基礎(chǔ)和前提，而后端數(shù)字化處理的精度和實(shí)時性是精準(zhǔn)控制發(fā)動機(jī)推力的重要因素。本文對轉(zhuǎn)速信號前端預(yù)處理電路和FPGA采樣設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的分析和計算，為以后同類電路設(shè)計提供理論支持。

1 轉(zhuǎn)速信號前端預(yù)處理電路

轉(zhuǎn)速信號一般為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器給出的一定頻率，一定幅值的正弦波信號。在我們的參顯中，轉(zhuǎn)速信號的前端處理電路主要負(fù)責(zé)將左、右轉(zhuǎn)速信號調(diào)理為TTL電平的標(biāo)準(zhǔn)方波信號，具體的實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。

1.1 保護(hù)電路

保護(hù)電路的主要功能是隔離前后電路，提高驅(qū)動強(qiáng)度，防止浪涌。不同型號的參顯該部分電路有些差別，常見的幾種實(shí)現(xiàn)方式為：利用運(yùn)放跟隨電路，實(shí)現(xiàn)前后隔離，提高驅(qū)動能力;利用穩(wěn)壓二極管實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)，防浪涌功能。電路分別如圖2，圖3所示。

1.2 箝位電路

箝位電路的主要功能是將轉(zhuǎn)速信號箝位在固定的一個小電壓上。通常利用兩個二極管來實(shí)現(xiàn)（該電路視型號而定，有些型號上沒有該電路），該電路將轉(zhuǎn)速信號幅值箝位在0.7V左右。具體實(shí)現(xiàn)方式如圖4所示。

1.3 比較電路

比較電路是將轉(zhuǎn)速信號由正弦波信號轉(zhuǎn)換為TTL電平的關(guān)鍵電路，一般由比較器來實(shí)現(xiàn)，該電路的核心在于比較電壓的設(shè)置。比較電壓通過主機(jī)所給要求中的門限電壓來決定，在我們的電路中通過電阻的分壓來實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)方式如圖5所示。

2 FPGA采樣計數(shù)處理

經(jīng)預(yù)處理后的轉(zhuǎn)速信號再經(jīng)過驅(qū)動電路換為TTL電平后進(jìn)入FPGA，通過FPGA進(jìn)行采樣計數(shù)，從而得出轉(zhuǎn)速頻率。本文主要針對如何根據(jù)精度要求確定采樣頻率，以及在特定的采樣頻率下可達(dá)到的采集精度是多少做出理論分析。

2.1 采樣頻率的確定

通常FPGA進(jìn)行采樣會在時鐘的上升沿，而我們的采樣頻率也通常會與時鐘頻率同步，即采樣是在采樣頻率的上升沿進(jìn)行的。若有誤差，則產(chǎn)生在頻率信號剛開始的時候而采樣頻率不是上升沿，如圖6所示。該誤差的最大值為一個采樣周期。以轉(zhuǎn)速信號頻率范圍為10-3500HZ，精度要求為1%為例，計算所需采樣頻率的大小。

3 結(jié)論

本文所講述的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速采集方法已成功運(yùn)用在某軍用飛機(jī)的飛機(jī)參數(shù)顯示器中，總結(jié)出了關(guān)于轉(zhuǎn)速信號的處理電路和FPGA處理方法，詳細(xì)介紹了FPGA處理轉(zhuǎn)速信號的分析和計算過程，對實(shí)際的設(shè)計和調(diào)試工作提供了理論支持，有利于產(chǎn)品技術(shù)的延續(xù)。

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