大气机高度输出接口电路的设计

摘要：为完成俄制大气机与国产航管应答机的交连，设计了由单片机、A／D转换器、电平转换电路、驱动电路、隔离电路和电源等电路组成的俄制大气机高度输出接口板电路。采取数据校准和抗干扰技术，简化硬件电路，提高高度数据转换精度和系统的抗干扰能力。实验表明，该接口电路实现了高度数据的数字化，能够将俄制大气机输出的模拟高度电平信号转换成满足国产航空应答机要求的数字编码信号。
关键词：大气机；航管应答机；接口电路；设计

我国早期飞机上装备的电子设备大多为俄制产品。由于这些产品定型早，一般采用模拟电路，具有体积大、成本高、智能化低等明显缺点。为提高飞机性能，需对部分设备进行国产化。在某型飞机的改装中，需用国产航管应答机替换原机俄制航管应答机，与航管应答机交连的大气数据计算机(简称大气机)仍沿用原俄制产品。原机俄制大气机的气压高度输出接口为模拟信号，而要换装的国产新一代航管应答机，其高度输入接口已经数字化。为此，设计了，一种高度接口板，完成了俄制大气机与国产航管应答机的交连。

1 应答机高度信号输入要求
换装的国产新一代航管应答机为A／C模式，高度输入要求为串行输入数字信号，接口电气性能采用RS 422规范，数据格式符合国际民航组织的相关规定，高度内容由10位格雷码构成，单位为英尺，范围为：-1000～62700英尺(-304～19111m)，按100英尺的高度增量进行编码。

2 大气机高度输出信号形式
大气机是根据大气压强随着高度增加而下降的原理测量飞机高度的。俄制大气机的高度输出为模拟电压信号，其输出接口电路等效为一个电位器，由两个固定电阻R1，R2和一个电位器R3组成，组成原理如图1所示。可调电位器的滑动触点与气压膜盒相连，当气压变化时，膜盒带动触点滑动，将气压的变化转换为电阻的变化。

图1中，1端为公共端，一般接地；2端为电压输入端；3端为高度电压输出端。大气机输出的高度电压Uout为：
Uout=UinW (1)
式中：Uin为输入电压；W为电位器阻值变化相对值，其表达式为：

由于固定电阻R1，R2的存在，W的取值范围为：10≤W≤90。
与一般电位器不同，可调电位器本身的阻值分布依据气压与高度之间的函数关系制成，它将气压与高度之间复杂的函数关系，转变为线性关系。因此也称其为函数电位器。绝对气压高度与W之间的关系曲线如表1所示。

从表1可以看出，W和绝对气压高度之间近似为线性关系，当绝对气压高度大于1 000 m时线性较好。表1数据可用下面一次函数近似表示：
H=187．5(W-10) (3)
式中H为绝对高度，单位为m。

3 接口板设计
3．1 硬件构成与原理
根据大气机输出信号形式和航管应答机输入信号要求，设计了高度接口板，其原理框图如图2所示。该接口板主要由单片机、A／D变换电路、隔离／驱动电路、隔离电路、TTL／RS 422转换电路及电源电路等组成。

由AD574产生的基准电压，经隔离／驱动电路加到大气机高度函数电位器的2端，函数电位器3端输出和大气机气压高度成正比的电压信号。此电压经隔离器加到A／D变换器上，A／D变换器将此电压变换为与之对应的数字信号，经单片机变换成用串行格雷码表示的高度数值，最后由TTL／RS 422变换电路变换为符合RS 422接口规范的信号，送至航管应答机。
隔离／驱动电路用来对AD574产生的基准电压源进行电流放大，同时起隔离作用，防止函数电位器的阻抗变化对基准电压源产生影响，从而影响A／D转换精度。
隔离电路的作用是防止A／D变换电路的输入阻抗对大气机函数电位器的阻抗产生影响。
A／D变换器的作用是将模拟的高度电压信号转换成数字信号，同时产生大气机函数电位器需要的输入电压。
由于大气机给出的气压高度精度有限，国际民航组织规定高度编码的增量为100英尺。现俄制大气机的高度输出范围为0～15 000 m，换算成英制为0～49 213(15 000／0．304 8≈49 213)英尺。如果按100英尺为量化单位，共需要493(49 213／100≈493)位编码。A／D变换器的位数N应由下式确定：
2N≥493-1 (4)
由式(4)得，N≥log2(493-1)≈8．9。因此，9位A／D位芯片就能满足要求。本设计采用12位A／D变换器AD574，和9位A／D变换器相比，量化误差减小到1／8，提高了高度电压输出精度。
电源电路的作用是为各部分电路提供直流电源。A／D变换器的转换精度不仅取决于输出位数，而且与供电电源的品质也有很大关系。目前主要有模拟串联稳压和开关DC／DC变换两种电源体制。模拟串联稳压电源有开关电源无法比拟的优点就是不产生尖峰干扰，其纹波干扰也可通过滤波降低到足够低的水平。本方案采用机上115 V／400Hz电源为高度接口板的原始电源，采用串联稳压电源体制加兀型滤波方案，为12位A／D变换器提供了高品质的电源系统。
CPU是接口板的控制计算中心，主要完成A／D转换控制、数据校准与编码(将二进制数字信号变换成符合国际民航组织规定的串行格雷码)、并一串转换和数据软件滤波等功能。
3．2 数据校准与编码
由于函数电位器的输出与气压高度为近似的线性关系，特别是在1 000 m以下线性较差，如果直接按式(3)求高度，将会造成较大误差。因此需要对高度数据进行校准。
数据校准可采用硬件校准或软件校准。采用硬件校准，不仅增加了设备的体积和重量，提高了成本，而且难度大，精度低。采用软件校准，不仅可以节省成本，而且方法简单，效果好。因此，本方案采用的是软件校准中的查表法。
表格的制作方法是：第一步，通过实验测出表1所示大气机绝对气压高度值对应的A／D输出的二进制值Un第二步，将绝对高度值以格雷码形式存入单片机内部的存贮器，存贮器地址对应A／D输出的二进制值U。对于位于表1中数据点之间的点，可将相邻两点间的曲线看作是直线，通过线性插值法求出每个A／D输出值对应的高度值，并存入存贮器。假设(Hn-1，Un-1)和(Hn，Un)是表1中相邻的两点，当Un-1UUn时，U对应的高度值H为：

采用查表法可大大提高转换精度。
3．3 抗干扰措施
各种干扰对测高精度也有较大的影响，如本机噪声及来自其他机载电子设备或环境的干扰等。为提高测量精度，本设计采取了有效的抗干扰措施。
电源设计上采取了低纹波方案，消除电源本身产生的干扰。另外，在接近各器件供电脚附近加装滤波电容，消除由供电线引入的各种瞬态干扰信号。
软件抗干扰是一种简便、有效的方法。本设计采取了剔除奇异值法和平均值滤波法抗干扰措施。
对每一高度值进行N次等时间间隔采样，并求出N个采样值的平均值。如果某个采样值与该平均值相差较大，可认为是非正常值(奇异值)，予以剔除。将剔除奇异值后的数据再次求平均值，并将该值作为这一点的高度值。
上述软件抗干扰措施对消除瞬态脉冲干扰和噪声干扰非常有效。

4 结语
本设计采取了数据校准和抗干扰措施，使测量精度大大提高。实践表明，该高度接口板满足俄制大气机与国产应答机的接口要求。工作稳定、可靠，转换精度高，其输出高度和大气机的高度指示器读数的误差不大于2 m，满足指标要求。另外，产品的通用性好，只要加载不同的函数电位器数据及编码格式，就可以适应不同的输出源及输入目标产品的要求。