基于PCI-76C2多功能卡的RVDT信号分配器的设计与实现

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(中国飞机强度研究所，西安 710065)

0 引言

RVDT是一种采用差动变压器原理实现的非接触式传感器，用于将机械位移转换成电压信号，具有灵敏度高、线性度好、分辨率高、寿命长及可靠性高等特点，在航空领域有着广泛的应用。出于提高飞控系统安全性，数字式电传飞控[1]一般采用四余度或六余度RVDT，即每个操纵面由四个或六个独立的、相互隔离的RVDT组成，一个共用的工作杆与驾驶杆、脚蹬或舵面作动器相连。

由于ACE系统属机载设备，想要在不破坏连接完整性及不影响测量信号质量的前提下，实现将四余度RVDT电信号一分为二，一路仍继续接入ACE系统，另一路则引入地面驾驶杆模拟操纵试验系统(MOOG多通道协调加载控制系统)中。显然，采用简单的并线方式，考虑到电信号的驱动能力，势必会对原ACE系统造成影响；其次，由于是交流RVDT，也需要适配不同测量系统RVDT信号解调器接口的兼容性问题。

为此，利用PC机和美国北大西洋工业公司(North Atlantic Industries, Inc)PCI-76C2单槽半高多功能I/O卡组成RVDT采集与仿真系统，采集卡RVDT测量通道完成RVDT信号采集，同时，将采集到的每路RVDT位置值复制两份，通过仿真卡RVDT仿真通道将模拟真实RVDT信号输出，从而实现RVDT信号分配器功能。

1 基本思路

1.1 LVDT传感器

L/RVDT(Linear/Rotary Variable Differential Transformer)线性/旋转可变差动变压器式直线位移/旋转角度传感器[2]。其典型的实现原理如图1所示。

图1 LVDT电原理图及工作原理图

当在初级线圈供给一定频率的交变电压(激励电压)时，铁芯在线圈内移动改变了空间的磁场分布，从而改变了初/次级线圈之间的互感量，次级线圈之间就产生感应电动势，随着铁心的位置不同，互感量也不同，次级产生的感应电动势也不同，这样就将铁芯的位移量(实际上铁心通过测杆与被测物体保持接触)变成了电压信号输出。为提高传感器的灵敏度，改善其线性度、增大其线性范围，设计时将两个线圈反串相接、两个次级线圈的电压极性相反，LVDT输出电压是两个次级线圈的电压差，这个输出的电压值与铁心的位移量成线性关系。

当铁芯处于中间位置时，两个次级线圈产生的感应电动势相等但极性相反，输出电压差值为0；当铁芯往右移动时，次级线圈a感应的电压大于次级线圈b，两线圈输出电压差值大小随铁芯位移成线性变化(第一象限实线部分)这是LVDT的有效测量范围(一半)，当铁芯继续右移动，两线圈输出电压差值大小不再与铁芯位移成线性关系，此为缓冲区即非测量区(虚线段)；反之，当铁芯自线圈中间位置往左移动亦然。零点两边的实线一般是对称的的测量范围，只不过两者都是交流信号且相位相差180°。LVDT工作过程中，铁心的运动不能超出线圈的线性范围，否则将产生非线性值，因此所有的LVDT均有一个线性范围。

1.2 L/RVDT与信号调理器接口

交流L/RVDT属交流模拟量传感器，需要适配专用信号调理模块[3]，经过调理后才能产生代表真实位置信息的电压值，最后进入测量系统。通常根据LVDT与调理器接口形式不同，作为信号处理参考点的选择亦不同。

L/RVDT输出接口形式如图2所示，与调理器匹配可以组成最常见的2种系统[3]。以初级(激励电压)作为参考点的2线系统；以导出(次级信号输出电压和)参考点为准的3/4线系统。

图2 L/RVDT传感器输出接口

1.2.1 2线系统

此种系统适用于L/RVDT传感器距离较远及对激励电压变化、温漂和相移影响等高度敏感的应用场合。2线输出最简单用法四线制(一对激励输入，一对信号输出)。考虑到激励电压可能发生变化(线损、振荡器不稳定等)，调节器参考点取自初级线圈，亦即激励反馈必须要，采用六线制(一对激励电压，一对信号电压，一对激励电压反馈)组成系统，此时位移计算式：(A-B)/Excit，即(A-B)/VExc。

1.2.2 3线/4系统

此种系统适于对温漂、相移和振荡器不稳定等不太敏感的应用场合。调节器参考点取自两个次级线圈输出不随铁芯零位改变仍能保持恒定幅值的A+B之和。3线输出采用五线制(一对激励电压，一对A-B信号电压，一根次级线圈参考地)，4线输出采用六线制(一对激励电压，一对次级线圈A信号电压，一对次级线圈B信号电压)。此种系统位移计算式为(A-B)/(A+B)，即(Va-Vb)/(Va+Vb),其中(Va+Vb)因LVDT结构特点为一常数。

1.2.3 位置值(Position)

以一个10 Vrms信号输出LVDT为例，来说明传感器信号输出电压和位置值间关系，如图3所示。

图3 LVDT输出电压和位置值关系

1.3 PCI-76C2板卡

母版结构图[4]如图4所示。

图4 PCI-76C2多功能I/O卡

1)应用于多功能I/O和串行通信；

2)母版上提供3个独立的模块插槽，用户按应用选用多功能或串行通信模块；

3)自动后台BIT诊断持续地检测和报告每通道运行状况；

4)78管脚孔型D-Sub连接器；

5)软件开发包Software Support Kit(SSK)和驱动支持。

NAI灵活、领先、全程可编程和后台Built-In-Test(BIT) 诊断持续地检测和报告每通道运行状况。一旦某个出错被检测到，立即报告和标明具体通道并解决故障。所有这些对用户完全透明，无需额外编程，不对卡的正常操作产生影响。

1.4 LVDT测量模块(MODULE L)

LVDT测量模块[6](Measurement MODULE L)结构如图5所示。4个相互独立的LVDT测量通道，可编程为2线或3线/4线LVDT传感器接入方式。所有信号输入电压(Input Voltages)和参考电压(Reference Voltages)自适应。

图5 LVDT测量模块结构图

分辨率：16位；

输入格式：LVDT或RVDT；

信号输入电压VL-L：2～28 Vrms自适应；

激励电压：2～28 Vrms自适应，2线时数字测量输出计算需要用到，3/4线不同相信号/噪声抑制和激励丢失状态的需要；

输入阻抗：60 kΩ；

精度：0.025%FS；

带宽(Bandwidth)：缺省设置激励频率的10%到100 Hz。BW基于每通道上可编程，用户不得不每次热启预置所有参数，或者按缺省值设置；

激励频率：1～3 kHz自适应(参见模块型号)；

相位偏移：自动补偿传感器激励与输出相位偏移±60°max.3/4线方式忽略相位偏移)；

环绕式自检测：利用编程指令实现3类强大检测方法；

地(Ground)：信号输出与激励隔离，通道间及系统地相互隔离。

1.4.1 LVDT接入方式

与LVDT组成2线系统如图6所示。将LVDT信号输出A-B接入测量通道信号输入A端，将来自传感器侧的激励反馈既接入测量通道信号输入B端，又接入激励参考端。这样，激励信号既参与位置值计算，也能让板卡实现对激励信号断线侦测作用。

图6 2线LVDT接入法

而3线/4线系统如图7所示。将LVDT信号输出A和B分别接入测量通道信号输入A和B上，来自传感器侧的激励反馈虽接入激励参考端，但并不参与位置值计算，仅起让板卡实现激励信号掉线侦测作用，

图7 3线/4线LVDT接入法

1.4.2 读取位置值

随着LVDT和测量通道的接入方式的不同组成相应的系统，在全标称量程范围内，调理输出信号值亦不同。

2线系统，输出信号表达式A/B，最后进入测量系统位移信号电压值为(Va-Vb)/VExc；

3线/4线系统，输出信号表达式(A-B)/(A+B)，亦即最后进入测量系统位移信号电压值为(Va-Vb)/(Va+Vb)；

表达式中A和B分别代表接入测量通道信号输入A和B信号属性。

从对应通道位置数据寄存器(Position Data Register)读取位置值，数据格式为二补数，最大正偏移7FFF，零位为0，最大负偏移8000。

1.5 DLV仿真模块

DLV (Digital-to-LVDT/RVDT) 仿真模块[6]结构(Simulation Module 5)如图8所示。3个相互独立L/RVDT输出通道，每输出通道可编程为2线或3线/4线模式，环绕式自检测功能。激励电压和信号电压在2.0～28 V范围内可任意编程,激励频率在47 Hz～10 kHz间可选 (参见模块型号)。提供一路激励输入公用给每路输出。用于模拟真实L/RVDT传感器2线或3线/4线输出模式。

图8 DLV仿真模块结构图

为每一对输出设置相同的最大输出电压与激励电压间变压比TR(Transformation Ratio)，即TR=Max Output Voltage/Excitation Voltage，采用此法有助于消除激励电压发生了变化而可编程绝对输出电压值并未随激励发生变化引起的误差。

输出通道：3个相互独立LVDT或RVDT输出通道；

分辨率：16位(0.001526% FS)；

线性度: ±0.1%FS (0.2<=TR<=2.0)；

输出增益：±0.1%；

输出模式：可配置为2线或3线/4线，电位隔离，输出电压可编程为定值或变压比(ratio-metric)TR；

输出信号电压VL-L：2～11.8 Vrms可编程；

输出负载：0.1 VA max.@11.8 Vrms或28 Vrms(随电压降低线性比率下降) ；

规程(VL-L)：±5% max.(空载到满负荷)；

输入激励电压：2～28 Vrms自适应(参见模块型号)；

输入激励频率：1～3 kHz自适应(参见模块型号)；

相位偏移(A/B)：可编程相位自动补偿0.5°max.(信号输出与参考点间)；

输出建立时间：≮100 μs；

地(Ground)：信号输出与激励隔离，通道间及系统地相互隔离。

LVDT仿真输出

3个相互独立LVDT/RVDT输出通道，可编程为2线或3线/4线仿真输出模式。

DLV写入位置值(Position)

将代表某个POSITION的二补数写入对应通道数据寄存器(Data Register)，寄存器值范围：-1.00

计算式：Register Value(Position)=POSITION*32768。

例：想要写入POSITION=-0.5，Position =-0.5*32768=-16384 (0xC000)

想要写入POSITION=0.75，Position =0.75*32768=24576 (0x6000)

3/4线方式输出电压(Output Voltages)：

Va=Excitation_Voltage*TR*[Position/2+0.5]

Vb=Excitation_Voltage*TR*[1-(Position/2+0.5)]

2线方式输出电压(Output Voltages)：

V=Excitation_Input*TR*Position

注意3/4线与2线方式下输出电压计算式的些许区别。

2 应用实现

2.1 RVDT-2391

多摩川2391型民用航空专用RVDT传感器[9]，其输出电压和角度关系如图9所示。性能指标：

初级线圈励磁电压：7.07±0.1 Vrms；

励磁频率：1800±120 Hz；

次级线圈电压和：6.1 Vrms±10%；

灵敏度系数((Va-Vb)/(Va+Vb))：0.0159 Vrms/Vrms/°；

精度(±36°)：±0.18°；

输入阻抗：353Ω Min.。

图9 RVDT-2391输出电压和角度关系

2.2 ACE系统

四余度RVDT利用各自线缆集中在一个圆形针式连接器底座上，再通过孔式连接器插头通过线缆接入ACE系统，RVDT电气连接如图10所示，支持4线RVDT接入方式。

图10 ACE系统

2.3 MOOG控制系统

MOOG多通道协调加载控制系统[10]，提供的RVDT电气连接如图11所示，显然支持3线RVDT接入方式。

图11 MOOG控制系统

2.4 RVDT采集卡

在76C2母版3个模块插槽仅需插入一块LVDT测量模块(Measurement MODULE L)，因每块测量模块提供4路相互独立的RVDT输入通道，这样，采集卡可为用户提供4个RVDT接入通道，且每输入通道可编程为2线或3线/4线模式。系统中采集卡负责将真实RVDT的位置数据采集到系统中。

2.5 RVDT仿真卡

76C2母版3个模块插槽可以各插入一块RVDT仿真模块(Simulation MODULE 5)。每块DLV仿真模块共享一路激励输入且每一对输出通道设置相同变压比TR。因此，2块76C2板卡统共6个模块插槽全插上DLV仿真模块，每块DLV仿真模块仅使用1/2通道，这样最多可得到12个RVDT模拟输出通道，且每个模拟输出通道可分别编程为2线或3线/4线模式。每只真实RVDT划定一块DLV，且使用其1/2输出通道，利用系统中仿真卡想要将采集卡得到位置数据以2路RVDT模拟输出[7-8]，从而满足将四/六余度RVDT电信号一分为二的现实需求。

2.6 RVDT信号分配器

首先，选取一套和四余度RVDT连接器同型号连接器，制作一条转换电缆如图12所示。

图12 转换电缆

RVDT侧孔式插头，ACE侧针式插头，分别用于匹配原针式底座和孔式插头。然后利用线缆将各个RVDT的激励电压对应管脚连接起来，原则上激励电压仍然由ACE系统端供给。

RVDT采集与仿真系统由一台PC机和3块PCI-76C2多功能卡组成，在软/硬件系统共同作用下实现RVDT信号分配器功能,其系统体系架构如图13所示，采集卡的RVDT输入通道与仿真卡的DLV仿真模块编号统一，分别用来对应四余度RVDT。

将RVDT侧孔式插头上对应于各RVDT信号输出管脚利用线缆按3线/4线方式分别接入采集卡RVDT输入通道中；通过在插头管脚上并线形式将各RVDT激励电压反馈分别接入仿真卡各仿真模块的激励输入端，目的为仿真模块引入动态变压比TR。将仿真卡上每块仿真模块的模拟输出通道1以4线方式接入ACE侧针式插头相应管脚上，模拟输出通道2以3线方式接入MOOG系统控制通道[11]中。最后通过软件编程实现想要的RVDT信号分配器的各项功能，当然想要得到真实的工程值需对MOOG系统标定一下。

3 结束语

在机载设备地面模拟试验装置的研制中，由于空间及不可破坏性等诸多因素限制，特设计与实现了该RVDT信号分配器。这样，试验进行时，同一个RVDT信号源能为两个系统同时采集；试验结束后，ACE系统又能够快速恢复原状。设计时基于RVDT属变压器式，其励磁输入(初级)和信号输出(次级)是完全隔离的。同时，PCI多功能板卡同样做到激励与信号输出、通道间及系统地相互隔离。充分考虑了与 RVDT、测控系统的兼容性[12]。该系统经过调试、验证，目前已经投入使用，工作稳定、可靠，完全满足试验方对于测控系统的技术要求。

参考文献：

[1] 薛 瀛.论电子调整在飞控系统RVDT精度控制的应用[M].机械设计与研究，2015，31(4)：102-105.

[2] 李 飞，张 勇，陈惠琴.交流差动变压器式位移传感器数字调理方法[J].仪表技术与传感器，2011(1)：84-86.

[3] 魏 婷，夏德天.基于LVDT/RVDT的交流模拟量解调方法研究[J].航空计算技术，2013，43(1)：116-119.

[4] 美国北大西洋工业公司.PCI-76C2 Multi-Function I/O Card Operation Manual(多功能I/O卡操作手册)[Z]. 2016.

[5] 王 龙，史丽晨，王海涛.基于LVDT的新型信号调理电路的设计[J].计算机测量与控制，2015,23(3)：953-955.

[7] 刘 涛，张大鹏.一种用于发动机仿真平台的线性可变差动变压器模拟器的设计[J].计算机测量与控制，2014,22(3)：956-958.

[8] 何宴辉，汪理虎，刘 涛.基于幅频自校准的高精度LVDT模拟器设计[J].计算机测量与控制，2016,24(7)：268-271.

[9] 日本TAMAGAWA/多摩川. RVDT-2391 Operations Manual(操作手册)[Z]. 2006.

[10] 荷兰MOOG.Test Controller Unit User Manual(测试控制器用户手册)[Z].2010.

[11] 王 宽，宫海波.基于AD698的线性差动式位移传感器解码电路设计[J].计算机测量与控制，2017,25(3)：169-171.

[12] 美国精量(MEAS).LDM-1000 LVDT/RVDT Signal Conditioning Module(LVDT/RVDT信号调节器模块)[Z]. 2016.