飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)同步器信號的采集

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”，是民用和軍用飛機普遍加裝的重要機載設(shè)備之一。飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)采集的同步器信號參數(shù)主要是飛機的姿態(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)中重要的飛機姿態(tài)參數(shù)對于保障飛行安全，提高飛行訓練水平和機務維護質(zhì)量都具有十分重要的作用。

系統(tǒng)組成
某型機載飛行參數(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)計技術(shù)，按功能分為6個模塊：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、同步器信號采集板、固態(tài)記錄卡。本文著重介紹同步器信號采集板的采集原理和實現(xiàn)過程。同步器信號采集板由同步器轉(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路同步器信號的采集。

同步器信號采集原理
航空地平儀用來測定飛機在空間相對于地平線的狀態(tài)，輸出與俯仰角和傾斜角成比例的電信號；航向系統(tǒng)用于測定飛機相對于地磁場的航向角，輸出與航向角成比例的電信號。飛機姿態(tài)和航向陀螺輸出的角度信號為三相交流同步器信號。三相交流同步器又稱自整角機，分解器又稱旋轉(zhuǎn)變壓器，它們皆歸類于微特電機。在傳統(tǒng)的測角跟蹤系統(tǒng)與機電模擬解算系統(tǒng)中，它們都是重要的組成部件。在轉(zhuǎn)角與位移測量系統(tǒng)中，它們也是一種常用的角度傳感器。本設(shè)計選用的ZSZ/XSZ-02是一種超小型、模塊式、通用化的自整角機/旋轉(zhuǎn)變壓器—數(shù)字轉(zhuǎn)換器，采用二階伺服原理設(shè)計，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。
輸入信號可以接收來自三線自整角機的角度激勵信號和參考電壓信號，也可以接收來自四線旋轉(zhuǎn)變壓器的角度激勵信號和參考電壓信號。輸出角度信號經(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制碼數(shù)字量信號。三態(tài)輸出能使多個轉(zhuǎn)換器直接掛在數(shù)據(jù)總線上，而且在使用禁止信號/INH時不斷開轉(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。
為了將模擬信號變換成表示角度的數(shù)字信號，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和旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的交流信號直接變換成數(shù)字信號的器件，即自整角機/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/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。
自整角機輸出的三線電壓或旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的四線電壓分別對應接至轉(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一數(shù)字轉(zhuǎn)換器，則自整角機三線輸出應連接到轉(zhuǎn)換器上的S1、S2和S3端，那么微型Scott變壓器將這些信號轉(zhuǎn)換成正弦、余弦形式。即：
V1=K1U0sinwtsinq
V2=K1U0SinwtCosq
這里q是自整角機軸角。
如果器件是旋轉(zhuǎn)變壓器一數(shù)字轉(zhuǎn)換器，則旋轉(zhuǎn)變壓器四線輸出應連接到轉(zhuǎn)換器上的S1、S2、S3、和S4端，那么此時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，假定可逆計數(shù)器當前字狀態(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。當這個過程完成時，可逆計算器內(nèi)的代碼(f)就等于轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果，轉(zhuǎn)換器輸出的二進制數(shù)字值(φ)代表了自整角機或旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的軸角θ，該數(shù)字值直接或通過三態(tài)鎖存器送至計算機用于顯示。假定禁止信號“/INH”是邏輯高電平，那么，可逆計數(shù)器被更新以后，其數(shù)字量φ將被選通進入三態(tài)鎖存器，如果使能信號“/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/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 同步器信號發(fā)送與接收模塊連線圖

同步器信號采集板電路設(shè)計
ZSZ/XSZ-02同步器模塊控制信號有三個：/INH、/EN、BYSEL。計算機與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)時，要對外設(shè)發(fā)送設(shè)備選擇信號/CS和讀信號/RD，當數(shù)據(jù)總線為8位寬度時，計算機還需發(fā)送字節(jié)選擇信號BYSEL。轉(zhuǎn)換模塊與計算機之間交換數(shù)據(jù)的能力與一般外部設(shè)備一樣具有兼容性。/INH引腳與計算機的/CS信號相連，/EN引腳與/RD信號相連，BYSEL引腳與計算機的字節(jié)選擇信號相連。當使用8位寬度的數(shù)據(jù)總線時，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，轉(zhuǎn)換器的BYSEL引腳應接高電平(或懸空)，并且模塊全部數(shù)據(jù)輸出線與計算機數(shù)據(jù)總線一一相連。
當進行數(shù)據(jù)傳輸時，計算機可向/INH端發(fā)一個邏輯低電平，從而阻止鎖存器的刷新，當/INH端被置于低電平并延遲600ns后，便可讀取數(shù)據(jù)。最后一個地址結(jié)束時須把/INH恢復成高電平。這里把/EN作為地址信號。線路框圖見圖2。也可以把每個轉(zhuǎn)換器的/INH與計算機地址信號相連， /EN與計算機讀信號/RD相連，并相應將時序進行調(diào)整。
自整角機激磁引線端Z1、Z2及信號輸出端D1、D2、D3與ZSZ模塊的參考引腳RH、RL及輸入信號引腳S1、S2、S3之間按圖3的對應關(guān)系接線，這種接法與電氣零位調(diào)零的規(guī)則(GB13138-91)自整角機規(guī)范、(GB10241-88)旋轉(zhuǎn)變壓器規(guī)范相一致。若兩個參考信號引腳間接反或三個信號引腳間接線錯了，不會引起轉(zhuǎn)換器的損壞，但會引起零位和編碼方向調(diào)整的麻煩。
同步器信號采集板完成三路同步器信號的采集，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變成單片機能接收的數(shù)字量信號，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—數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它應用二階伺服回路，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，實現(xiàn)三路同步器轉(zhuǎn)換模塊的地址譯碼，分時讀取每一路同步器模塊的角度信號。控制電路由邏輯門電路組成，實現(xiàn)三路同步器轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)分時讀取使能控制。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)，實現(xiàn)12位同步器數(shù)據(jù)的分時讀取。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)同步器信號的數(shù)據(jù)采集。

圖4 同步器信號采集板電路組成方框圖

結(jié)語
同步器采集板在原理設(shè)計階段，解決了12位同步器數(shù)據(jù)的同步采集存儲、三路同步器信號的分時采集、同步器數(shù)據(jù)實時性隨動變化、同步器采集板電源去偶濾波等技術(shù)難點。同時使用非常方便，只需將自整角機或旋轉(zhuǎn)變壓器的引線和轉(zhuǎn)換器的引腳一一對應相連即可。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0.1mF和6.8mF的濾波電容。
同步器信號采集板作為飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)的一部分，已批量裝備部隊使用。同時作為試飛測試系統(tǒng)中機載數(shù)據(jù)采集器的一部分，已在多個系統(tǒng)和項目中得到廣泛應用。通過用戶的使用證明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

參考文獻
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