基于DSP的航空儀表信號模擬器設(shè)計(jì)研究

林坤

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西西安710089）

航空儀表信號模擬器為仿真系統(tǒng)，其主要是利用地面模擬設(shè)計(jì)對飛行過程中信號進(jìn)行模擬的裝配，其屬于目前國際航空中普遍使用的信號模擬及對飛行人員訓(xùn)練的手段[1]。航空儀表系統(tǒng)是現(xiàn)代飛機(jī)信號模擬過程中的主要內(nèi)容，其能夠?yàn)轱w行人員提供像一個信息[2]。基于此，本文就實(shí)現(xiàn)了以DSP為基礎(chǔ)的航空儀表信號模擬器。

1 航空儀表類型

航空儀表屬于飛行器中儀表的統(tǒng)稱，一般其能夠展現(xiàn)飛行器中的性能參數(shù)，從而為飛行人員提供方向及信息。航空儀表的分類方法較多，一般包括大氣系統(tǒng)、航向系統(tǒng)、姿態(tài)系統(tǒng)及發(fā)動機(jī)儀表[3]。

1.1 大氣系統(tǒng)儀表

大氣系統(tǒng)儀表主要包括大氣溫度表、馬赫數(shù)表及空速表，飛機(jī)中的全靜壓系統(tǒng)主要是通過動靜壓傳感器及溫度傳感器實(shí)現(xiàn)測量，從而使大氣運(yùn)動及飛機(jī)速率能夠充分的展現(xiàn)出來，然后得出飛機(jī)在飛行過程中位置的大氣參數(shù)，然后以此參數(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)計(jì)算，從而能夠得出儀表數(shù)據(jù)[4]。圖1為大氣系統(tǒng)儀表的工作原理。

圖1 大氣系統(tǒng)儀表的工作原理

1.2 姿態(tài)系統(tǒng)儀表

航空姿態(tài)系統(tǒng)儀表主要包括轉(zhuǎn)彎儀、地平儀及測滑儀，地平儀是指飛機(jī)在進(jìn)行飛行時候的傾斜程度及角度的測量，以此能夠提供飛行人員精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，使飛行人員能夠順利的飛行。因?yàn)榈仄絻x中存在陀螺元件，那么也可以將其作為陀螺儀。轉(zhuǎn)彎器指的是指示飛機(jī)轉(zhuǎn)彎的方向及角度，并且還能夠指示轉(zhuǎn)彎角的速度。測滑儀指的是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)側(cè)滑方向及程度的指示，因?yàn)檗D(zhuǎn)彎測滑儀包括側(cè)滑小球及指針，所以其也可以稱之為針球儀[5]。圖2為姿態(tài)系統(tǒng)儀表的工作原理。

圖2 姿態(tài)系統(tǒng)儀表的工作原理

1.3 航向系統(tǒng)儀表

在飛機(jī)仿真過程中，航向儀表系統(tǒng)主要包括磁羅盤及陀螺羅盤，其主要目的就是對飛機(jī)磁航向進(jìn)行測量。在飛機(jī)仿真系統(tǒng)中，要通過飛行系統(tǒng)計(jì)算目前飛機(jī)偏航角度，之后利用指北系統(tǒng)及地理坐標(biāo)修正飛機(jī)航道，從而得到精準(zhǔn)的航向角度。最后利用飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)算磁偏差，在修正之后得到磁航向角真實(shí)的角度，以此對飛機(jī)航向儀表進(jìn)行有效的驅(qū)動及控制[6]。圖3為航向系統(tǒng)儀表工作的原理。

2 航空儀表信號模擬器的整體設(shè)計(jì)

圖3 航向系統(tǒng)儀表工作的原理

和目前模擬器進(jìn)行分析及對比，確定使用TMS2325作為主控芯片設(shè)計(jì)的方案，其中主要包含DSP及軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換器接口、顯示模塊及電源模塊等，其具備信號的接收及發(fā)送功能，圖4為航空儀表信號模擬器的設(shè)計(jì)框架。

圖4 航空儀表信號模擬器的設(shè)計(jì)框架

模擬器系統(tǒng)能夠同時實(shí)現(xiàn)總線及軸角信號的發(fā)送和接收，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送的過程中，使用DSP實(shí)現(xiàn)子程序的調(diào)用，之后提取數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)口對接口電路發(fā)送數(shù)據(jù)。在選擇接收數(shù)據(jù)的時候，系統(tǒng)利用接收電路使接收信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量，到存儲器指定位置中存放，通過DSP內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將接收數(shù)據(jù)到液晶中顯示和保存[7]。

3 航空儀表信號模擬器的硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制電路的設(shè)計(jì)

文中使用TI公司的DSP芯片設(shè)計(jì)，使用先進(jìn)哈佛總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)及程序都在不同存儲空間中存放，并且其存儲空間獨(dú)立，因?yàn)閿?shù)據(jù)總線和程序總線分開，所以能夠使數(shù)據(jù)交換速率得到進(jìn)一步的提高。使用F24數(shù)字處理器實(shí)現(xiàn)軟件的編程，其使用CMOS技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠有效提高使用過程中的靈活性，其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)十六通道的集成，并且還具有兩個采樣保持電路，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)換器雙通道工作。而且，此器件內(nèi)部還能夠?qū)崿F(xiàn)多外設(shè)的集成，便于電機(jī)的使用。其中大量的外設(shè)接口能夠?qū)崿F(xiàn)電路設(shè)計(jì)的簡化，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜實(shí)時控制算法的計(jì)算[8]。圖5為航空儀表信號模擬器的硬件電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

TMS芯片內(nèi)核電壓與I/O接口電壓并不同，所以DSP系統(tǒng)都是使用雙電源電壓供電模式，一個DSP系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定的運(yùn)行，其和系統(tǒng)電源部分具有密切的聯(lián)系，供電電源精度及穩(wěn)定性能夠?qū)δK好壞進(jìn)行判斷，那么就以此為基礎(chǔ)選擇DSP供電電壓。在對電源進(jìn)行選擇的時候，使用想配套的電壓進(jìn)度實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，從而能夠滿足使用需求，簡化設(shè)計(jì)系統(tǒng)電源供電電路及芯片復(fù)位電路[9]。圖6為模擬器硬件電路引腳連接結(jié)構(gòu)。

圖5 航空儀表信號模擬器的硬件電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖6 模擬器硬件電路引腳連接結(jié)構(gòu)

因?yàn)橄到y(tǒng)包括數(shù)字電路和模擬電路，那么在電源供電過程中要區(qū)分?jǐn)?shù)字及模擬電壓，降低兩者的干擾。因?yàn)檩斎胼敵鲭妷悍€(wěn)定性，就要將濾波電容融入電源芯片電壓中，從而避免電源尖峰沖的影響[10]。

3.2 總線信號接收電路

總線收發(fā)芯片屬于十六位高性能接口集成芯片，其能夠有效滿足總線串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，此芯片的接口較為簡單，并且具有較高的穩(wěn)定性，能夠創(chuàng)新傳統(tǒng)分立元件穩(wěn)定性差及接口復(fù)雜的問題，其還具有一定的抗干擾能力[11]。圖7為總線收發(fā)芯片的引腳結(jié)構(gòu)。

3.3 角度測量接口電路

角度測量使用12ZSZ系列數(shù)字轉(zhuǎn)換器，此轉(zhuǎn)換器具有較高的跟蹤速度，并且還具有較高的可靠性，內(nèi)部使用跟蹤技術(shù)及模塊化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。此轉(zhuǎn)換器具有小型變壓器的繼承，還包括可逆計(jì)數(shù)器、高速數(shù)字乘法器、相敏解調(diào)器、誤差放大器等[12]，圖8為數(shù)字轉(zhuǎn)換器的工作原理。

圖7 總線收發(fā)芯片的引腳結(jié)構(gòu)

圖8 數(shù)字轉(zhuǎn)換器的工作原理

在使用此數(shù)字轉(zhuǎn)換器的時候，要從轉(zhuǎn)換器三線輸入引腳及整角機(jī)輸出端分別連接，轉(zhuǎn)換器輸出變壓器能夠和整角機(jī)三線信號的余弦及正弦相互交換[13]。

3.4 角度發(fā)送接口電路

角度信號發(fā)送模塊使用12SZZ轉(zhuǎn)換芯片，其屬于全電子模擬輸出裝置，能夠?qū)⑹唤嵌刃盘枖?shù)字量轉(zhuǎn)換成為嗎自整角機(jī)轉(zhuǎn)換變壓器模擬電壓。其具備短路過載保護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)引腳及外外形尺寸和變壓器隔離輸出，并且其重量較輕，使用時間比較長，使用較為靈活且方便。

12SZZ轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部具有參考輸入變壓器，選擇象限開關(guān)，正弦及余弦乘法器及功率放大器，通過正弦及余弦乘法器將代表角度數(shù)字量與參考輸入轉(zhuǎn)換成為正余弦信號，之后利用功率放大器使其信號負(fù)載能力能夠?yàn)?.3 VA，輸出變壓器將信號隔離及升壓，從而轉(zhuǎn)換成為滿足需求的模擬信號輸出。圖9為角度發(fā)送接口電路的工作原理。

圖9 角度發(fā)送接口電路的工作原理

3.5 轉(zhuǎn)換機(jī)和自整角機(jī)變壓器接口

在轉(zhuǎn)換器模塊和自整角機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器連接的時候，為了能夠提高轉(zhuǎn)換器負(fù)載能力，就要將調(diào)諧電容和接收器與轉(zhuǎn)換機(jī)相互并聯(lián)。協(xié)調(diào)電容的確定流程為：在自整角機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器繞組中添加額定電壓，并且和繞組串聯(lián)毫安表，然后實(shí)現(xiàn)電容并聯(lián)，對電容值進(jìn)行改變，在表最小讀數(shù)的時候，就是調(diào)諧電容值[14]。

4 航空儀表信號模擬器的軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)的功能模塊

航空儀表屬于飛行器性能及導(dǎo)航等參數(shù)顯示的窗口，能夠?yàn)轱w行人員提供飛行器的飛行信息，虛擬航空儀表要在功能和外觀中和真實(shí)飛行器相同，其主要包括導(dǎo)航參數(shù)、飛行參數(shù)、發(fā)送機(jī)參數(shù)和電氣系統(tǒng)參數(shù)，并且還能夠?qū)崿F(xiàn)及時的展現(xiàn)。圖10為航空儀表信號模擬器的軟件總體結(jié)構(gòu)。

圖10 航空儀表信號模擬器的軟件總體結(jié)構(gòu)

4.2 儀表界面

對需要開發(fā)機(jī)型的座艙進(jìn)行全面的掌握，從而為信號模擬器的設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)，包括顏色和尺寸，功能、外型、報(bào)警指示、邏輯關(guān)系都要和真實(shí)形同。而且部分儀表還要實(shí)現(xiàn)圖像處理，使用功能PS軟件實(shí)現(xiàn)處理，使其能夠和真實(shí)儀表相同[15]。

4.3 驅(qū)動顯示

為了能夠?qū)崿F(xiàn)儀表板電門、指針、旋鈕等部件全面控制，就要在代碼生成器中實(shí)現(xiàn)各個部分運(yùn)動及響應(yīng)的聯(lián)系，利用VC++混合編程，實(shí)現(xiàn)虛擬座艙驅(qū)動程序代碼的添加，從而能夠使其中的空間將飛機(jī)飛行參數(shù)充分的展現(xiàn)出來。

驅(qū)動程序是通過儀表內(nèi)部進(jìn)行描述的，朱飛行的顯示器高度、空速、導(dǎo)航顯示器及垂直速度等屬于位置控制，也就是利用Location程序編程進(jìn)行調(diào)用實(shí)現(xiàn)。姿態(tài)指示儀中的航向羅盤、俯仰刻度帶及導(dǎo)航顯示器航道指針屬于旋轉(zhuǎn)控制，其他的信息屬于文本框方式，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示。

4.4 通訊接口

航空儀表信號模擬器要和其他系統(tǒng)創(chuàng)建聯(lián)系，以數(shù)據(jù)流圖為基礎(chǔ)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)的確定，儀表系統(tǒng)為飛行人員創(chuàng)建了真實(shí)座艙顯示系統(tǒng)，儀表顯示控制驅(qū)動數(shù)據(jù)為飛行動力學(xué)仿真系統(tǒng)，其能夠?yàn)閮x表系統(tǒng)提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，對于數(shù)據(jù)實(shí)時性具有較高的要求，那么可以使用無連接UDP實(shí)現(xiàn)通信。

5 模擬器測試

為了能夠測試航空儀表信號模擬其是否能夠滿足預(yù)期目標(biāo)，就要對其進(jìn)行調(diào)試，首先對硬件部分調(diào)試，其次為軟件部分調(diào)試，最后對硬件與軟件聯(lián)合進(jìn)行調(diào)試。在電路設(shè)計(jì)過程中，要盡量避免其中模塊的相互干擾，電路設(shè)計(jì)要簡潔可靠，實(shí)現(xiàn)地面和電源的隔離，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。軟件實(shí)現(xiàn)分模塊調(diào)試，首先對程序變量是否初始化進(jìn)行檢查，之后對程序模塊相應(yīng)的接口電路實(shí)現(xiàn)操作，基于CCS開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)的設(shè)置，之后實(shí)現(xiàn)單步調(diào)試，直到實(shí)現(xiàn)全部功能。表1為軸角的發(fā)送測試，通過測試結(jié)果表示，部分誤差是難免的，但是能夠利用校正降低誤差。本文所設(shè)計(jì)的模擬器能夠提高系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)干擾，并且計(jì)算簡單，能夠使用[16]。

表1 軸角的發(fā)送測試

6 結(jié)束語

文中提出了基于DSP的航空儀表信號模擬器的設(shè)計(jì)，此模擬器能夠創(chuàng)新傳統(tǒng)模擬器系統(tǒng)運(yùn)算過程中體積較大、速度較低及存儲較小的缺點(diǎn)，其在航空電子儀表設(shè)備研究過程中具有重要的作用。