KAM-500数据采集及遥测系统研究

2010-05-03郭小波

中国测试 2010年4期

郭小波

（中航工业沈飞民机公司，辽宁沈阳 110850）

1 引言

KAM-500数据采集系统是爱尔兰生产国际水平的微型PCM数据采集遥测系统，符合IRIG-106标准，也满足民用飞机适航标准，已被批准可以用于飞机机载设备系统。其具有性能卓越、采集容量大、可实时数据传输、体积小、信号调节能力强等特点，采样率可达500 KB/s，能够在恶劣环境条件下正常工作且具有很高的测量精度。

2 KAM-500数据采集系统

KAM-500微型数据采集系统具有各种功能模块，如与各种形式传感器相适应的信号调节模块、总线监测模块、固态记忆存储及数据传输模块等。其先进的一体化系统软件包，能够满足使用过程中的各种需求，如：自动进行系统配置和校准，可在进行存储数据的同时在线观察数据，可根据需要对各种信号采集调节，并可根据试验要求编制数据采集程序。

2.1 KAM-500数据采集系统的组成及特性

2.1.1 多种标准的机箱

如图1所示，KAM-500采集器有3，6，9或13个用户插槽的多种机箱，根据实际情况，用户可自行选择。机箱包括编码/控制器和电源模块，电源模块分布在机箱的两侧，且重量相当，起到一定的平衡作用。编码/控制器紧靠着其中的一个电源模块，这样可以在两个电源模块之间让出较大的空间插入各种功能模块，功能模块用户可任意选配，即在机箱的任何插槽上可任意选用各种功能的模块。

2.1.2 便携式PCM解调器

SAM/DEC/005是一种性能卓越、全编程式的PCM解调器，符合PCMCIA2.011型标准和IRIG-106PCM解调标准。这种只有信用卡大小的PCM解调器，携带方便，特别适合工程师进行航空试验及整体平定选用，是一种性能卓越的笔记本电脑解码器。它支持 PCI、VME或 ISA总线接口，基于Windows（95/98，NT）操作系统，能够适合于笔记本电脑甚至是低于笔记本的PC机。

SAM/DEC/005能够对复杂的PCM信息流进行解调，速率达4Mb/s，它可以连接任何与PCM兼容的IRIG-106输出，或用于回放记录在磁带机上的PCM数据。可对ARINC-573数据格式化进行编码，也可以作为便携式记录仪的配套设备，读取机载系统总线数据。这种功能对于飞机试飞来说，是非常重要的。如飞机进行大气机试飞，在飞行中飞机的“改平”状态进不去，机务人员在地面进行通电检查一切正常，无法判断故障所在。利用带此解调器的笔记本与飞机上的KAM-500系统相连，在地面模拟飞机进入“改平”状态，用笔记本监视大气机总线数据，发现大气机没有对驾驶仪来的“改平”信号进行判读，产生不了“定高”信号给驾驶仪，导致飞机的“改平”状态进不去。在成品厂对大气机进行了检修之后，故障排除。

2.1.3 具有各种功能的核心模块

KAM-500采集器的核心模块分为模拟信号调节模块和数字信号调节模块两大类。核心模块采用集成电路设计，功能齐全。有的模块采用先进的数字滤波器及线性调节器，能够对各种模拟信号进行调节，如高/低模拟电压、电桥、热电偶、RTD铂电阻、加速度、同步器、压力扫描阀等；有的能够对各种总线进行监测，如 MIL-STD-1553，ARINC-429，STANAG-3910，ASCB，RS-232；有的能对数字信号进行调节，如频率、周期、事件计数、TTL状态及D/A输出；有的能产生IRIG-B时间码。

2.1.4 在恶劣的环境下，仍能保持正常工作状态

这一点对机载数据采集器提出了严格的要求。飞机在万米高空飞行，气温可达零下五六十度；在低空大表速飞行，气温可达零上五六十度。飞机上的振动、噪音等各种不同的情况，在这样的恶劣环境下，采集器能否正常工作、数据能否正确的采集下来对试飞而言是至关重要的。

KAM-500数据采集系统的机箱采用合成铝结构设计，体积小，重量轻，坚固可靠，可承受10g的过载、5～2000Hz的振动、100g的冲击。在-40℃～+85℃的使用环境温度范围内，具有很高的测试精度（±0.25%满刻度）。同时系统又采用了16位（A/D）模拟数字变换，并具有低噪声、高精度滤波器，以保证高分辨率和测量精度。

2.1.5 实际应用

在工作实践中，在飞机上加改装了KAM-500系统，准确地采集了飞机的高度、速度、功角、侧滑角等模拟量参数，以及马赫数、场压、稳定指令、无线电高度等429总线参数，获取了发动机转数、开关量等脉冲参数，顺利地完成了飞行工作。

如在某型飞机上加改装KAM-500系统，采集了大量的1553B总线参数、各种模拟量参数、频率量和开关量等脉冲参数。通过飞机飞行情况来看，该系统成功地采集了试飞所需要的各种数据，达到了试飞目的。

试验表明，KAM-500系统可针对不同的同步字、帧格式、位速率、参数类型等进行编译，实现对硬件的操作，提高了工作效率。

3 遥测系统

遥测系统是在飞机的试飞中，采用无线电通信技术将测得的试验数据发送到地面进行记录、显示、监控及数据处理的一整套设备。

遥测系统可测量几个至几千个模拟参数、数字参数、开关量，被测参数的频率可达几千赫兹，测量精度一般为3%～0.1%。

遥测对提高试飞效率、缩短试飞周期、降低试飞成本、保证试飞安全和分析飞行事故原因等都有重要意义，因而得到广泛的应用。特别是出现了机载计算机控制的可编程遥测系统，更提高了其工作的灵活性。目前，遥测系统正朝着以计算机为中心的自适应遥测系统和遥控、遥测、电视与通信相结合的综合数据系统方向发展。

3.1 遥测系统的组成

遥测系统由遥测机载设备和遥测地面设备组成。

3.1.1 遥测机载设备

用于对飞机的各种参数进行测量、传送或记录。被测参数可以是数字参数、模拟参数或事件参数（开关参数）。

遥测机载设备的组成如图2所示，其中采集器是遥测机载设备的核心部件，它能对各种被测参数进行采集。

根据所选用的遥测体制，可以是频分制、时分制或频分、时分混合采集器。

3.1.2 遥测地面站

用来接收、记录、处理飞机遥测信息，并以不同的形式提供中间或最终结果的地面设施。根据使用要求分活动站和固定站，根据功能又可分专用和通用地面站。遥测通用地面站如图3所示。

图2 遥测机载设备方框图

图3 遥测通用地面站方框图

通用地面站通常把遥测接收设备与计算机结合在一起组成联机系统。它可以对飞行试验中的遥测信息进行实时数据处理和记录，也可对磁带机重放的信息进行处理。这些信息可以是频分多路信号或时分多路信号。

通用地面站以计算机为中心，能适应各种遥测输入信息，并具有较强的实时处理能力，还能和计算机中心或其他终端联结起来，对数据进行再处理并提供检索。

遥测地面站可分别在相距数公里的地方设置多个接收点，组成接收网。地面站可对各个点接收到的遥测信息进行比较，择优进行处理和记录，从而增加遥测的作用距离和可靠性。

3.2 遥测系统的分类

遥测系统按构成原理可分为频分制遥测系统和时分制遥测系统。

3.2.1 频分制遥测系统

频分制（频率划分法）是利用不同的频率实现分路。其基本原理是把各路输入信号安插在互不重叠的频带内进行远距传输，在接收端再用中心频率不同的带通滤波器把各路信号分开。

这种多路传输原理在无线电通信和遥控遥测系统中应用极广，在测量速度参数及其频谱分析中也常有应用。其典型原理如图4所示。

图4 频分多路传输系统原理图

（1）发射端。通过传感器将被测信号变换成电信号，然后分别对不同频率的副载频调制器进行调制，形成频谱互不重叠的以调信号，经相加器形成多路信号，再去调制发射机形成载频信号，由天线发射出去。相加器输出的多路信号也可用磁带机直接记录。

各传感器输出的电信号的频率范围因被测物理量不同而不同，但通常都是频率较低的信号（从几赫兹到几百赫兹或几千赫兹），这些原始信号的频率轴上都是互相重叠的。显然，如果将这些信号直接相加后传送出去，在接收端无法利用滤波器把它们区别开来。为了用频率实现分路，需将各路信号的频谱X1（f）、X2（f）…Xn（f）进行频率“搬移”，使它们在频率域互不重叠，然后相加传送，如图5所示。

实现频率“搬移”的原理是：各路副频振荡器分别产生互不重叠并有一定间隔的频率为fs1、fs2、…fsn的等幅振荡，各种信号在各自的副载频调制器内对副载频进行调制，则原来互相重叠的各路信号就变成了频谱互不重叠的分别以fs1、fs2、…fsn为中心频率的信号，从而实现了频率“搬移”，如图 5（a）、（b）所示。各路已调制信号经滤波器滤波后送至相加器，最后形成多路信号，如图5（c）所示。滤波器的作用是为了限制各路已调制信号的频带宽度，防止低副载频信号频谱的斜波分量对高副载频信号的交叉干扰。

多路信号经远距传输后，再经各路带通滤波器滤波、解调取出所传输的原始信号，并送至相应的终端设备或做进一步变换处理。为了发送信号，需将已调制信号放大后再对载频进行第二次调制，得到的射频信号经发射机天线发射出去。在这种情况下，接收端也需进行二次解调。

（2）接收端。由天线接收的载频信号，经接收机调解后恢复成多路信号（或磁带机重放的多路信号），加到分路滤波器进行分路，得到各路被测信号。最后将各路被测信号送到遥测终端设备进行记录、显示及数据处理。

3.2.2 时分制遥测系统

时分制（时间划分法）是利用不同的时间实现分路的。即在时间域内，各路信号的离散值按时间顺序排列起来，形成一个时间分割的多路信号，经过远距传递后，再根据各路信号的排列顺序进行分路。图6是时分制多路信号波形图，从图6可看出在时分制多路传输中，各路信号X1（t）、X2（t）…是占用了不同的时间。

在实际使用中，为了确保测量精度，一般采样率是信号最高频率的五倍，即 ωs≥5ωc。

要想在一个信息采样周期的空余时间内传输多个信息，则必须把采样信号按一定的时间顺序排列起来，并进行调制或编码。

在多路传输系统中，信号的分路是通过时分开关（即扫描程序器，由多路传输门和脉冲分配器组成，如图7所示）进行的。

时分开关的作用是在系统的输入端把各路连续信号采样并按时间排列在一起，然后送去调制或编码。

多路传输门由许多单个电子开关组合而成，每个开关的输入端分别与传感器或信号调解器输出端相连接，其输出端接到调制和编码器。每个开关的通断由脉冲分配器或程序器控制。

脉冲分配器是采样程序控制器的一部分，用作产生一系列按时间顺序出现的控制脉冲，控制传输门的通断、提供同步脉冲信号和完成其他逻辑控制功能，其原理框图如图8所示。

脉冲分配器可直接由位移积存器组成，也可由各种计数器和“与”门译码电路组合而成。分频后的时钟脉冲由计数器的状态译码即可得到所要求的分路脉冲。

在各种时分多路传输中，输入端时分开关与输出端时分开关以及各种采样信息的计算、处理工作在时间上协调一致，即保持同步是非常重要的，它是整个系统能否正确还原信号和保证系统可靠工作的关键。

通常把时分开关循环一周，将各路信号依次采样、传送一次，叫做传输了一帧信号。为了保证输入输出端的分路脉冲序列同频同相地工作，输入端时分开关必须在每帧的特殊时间位置给出一个特殊标志；输出端时分开关在检出该特殊信号后，控制其脉冲分配器与输入端时分开关的脉冲分配器同步工作。把这种同步称为“帧同步”，实现帧同步的特殊标志信号称为“帧同步信号”。

实现帧同步和群同步的方法很多，在数字式多路传输系统中，经常采用发送一个特殊的“字”作为群同步信号。这个特殊的“字”是任何数字信息中都不可能出现的概率极小的“字”。这就是一种非周期的具有特殊规律的巴克码。

在飞行试验中，通过解读带有特殊“字”的原始数据，对应数据库标签，可通过采集参数及时发现飞机任务管理等总线存在的问题，并可利用字号、帧号来验证所处理的参数是否准确可靠。