基于FPGA的飞机参数显示器转速信号采集设计

苗蔚 张传森 万实

摘要 本文介绍了一种利用FPGA逻辑资源实现飞机发动机转速采集的方法，所设计的转速采集电路充分利用了FPGA资源的高集成性、可配置性、高实时性的特点，具有良好的通用性。以某飞机参数显示器为例，阐述了在给定转速信号特性和精度要求下，如何设计转速前端预处理电路，保证足够采样精度，以及采样频率的确定作深入分析。

【关键词】飞机参数显示器 转速采集电路 采样频率FPGA

飞机参数显示器是综合航空电子系统的重要组成部分，主要显示飞机的重要参数信息，用来补充显示主显示器或作战显示器上不易直接显示的飞机状态参数，而其中发动机转速则是飞机发动机工作正常与否的重要信息，与飞机的飞行安全息息相关。所以飞机参数显示器中发动机转速信息采集的准确性，直接关系到飞机的安全性和可靠性。

飞机发动机通过自身的转速传感器、信号放大器等，将转速物理量转换成电子设备可以识别的电信号。在现代航电系统中，对输入电信号准确采集是后端处理的基础和前提，而后端数字化处理的精度和实时性是精准控制发动机推力的重要因素。本文对转速信号前端预处理电路和FPGA采样设计进行了详细的分析和计算，为以后同类电路设计提供理论支持。

1 转速信号前端预处理电路

转速信号一般为发动机转速传感器给出的一定频率，一定幅值的正弦波信号。在我们的参显中，转速信号的前端处理电路主要负责将左、右转速信号调理为TTL电平的标准方波信号，具体的实现方案如图1所示。

1.1 保护电路

保护电路的主要功能是隔离前后电路，提高驱动强度，防止浪涌。不同型号的参显该部分电路有些差别，常见的几种实现方式为：利用运放跟随电路，实现前后隔离，提高驱动能力;利用稳压二极管实现过压保护，防浪涌功能。电路分别如图2，图3所示。

1.2 箝位電路

箝位电路的主要功能是将转速信号箝位在固定的一个小电压上。通常利用两个二极管来实现（该电路视型号而定，有些型号上没有该电路），该电路将转速信号幅值箝位在0.7V左右。具体实现方式如图4所示。

1.3 比较电路

比较电路是将转速信号由正弦波信号转换为TTL电平的关键电路，一般由比较器来实现，该电路的核心在于比较电压的设置。比较电压通过主机所给要求中的门限电压来决定，在我们的电路中通过电阻的分压来实现，具体实现方式如图5所示。

2 FPGA采样计数处理

经预处理后的转速信号再经过驱动电路换为TTL电平后进入FPGA，通过FPGA进行采样计数，从而得出转速频率。本文主要针对如何根据精度要求确定采样频率，以及在特定的采样频率下可达到的采集精度是多少做出理论分析。

2.1 采样频率的确定

通常FPGA进行采样会在时钟的上升沿，而我们的采样频率也通常会与时钟频率同步，即采样是在采样频率的上升沿进行的。若有误差，则产生在频率信号刚开始的时候而采样频率不是上升沿，如图6所示。该误差的最大值为一个采样周期。以转速信号频率范围为10-3500HZ，精度要求为1%为例，计算所需采样频率的大小。

3 结论

本文所讲述的发动机转速采集方法已成功运用在某军用飞机的飞机参数显示器中，总结出了关于转速信号的处理电路和FPGA处理方法，详细介绍了FPGA处理转速信号的分析和计算过程，对实际的设计和调试工作提供了理论支持，有利于产品技术的延续。

参考文献

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