基于DSP的航空仪表信号模拟器设计研究

2018-12-15林坤

电子设计工程 2018年23期

林坤

（西安航空职业技术学院陕西西安710089）

航空仪表信号模拟器为仿真系统，其主要是利用地面模拟设计对飞行过程中信号进行模拟的装配，其属于目前国际航空中普遍使用的信号模拟及对飞行人员训练的手段[1]。航空仪表系统是现代飞机信号模拟过程中的主要内容，其能够为飞行人员提供像一个信息[2]。基于此，本文就实现了以DSP为基础的航空仪表信号模拟器。

1 航空仪表类型

航空仪表属于飞行器中仪表的统称，一般其能够展现飞行器中的性能参数，从而为飞行人员提供方向及信息。航空仪表的分类方法较多，一般包括大气系统、航向系统、姿态系统及发动机仪表[3]。

1.1 大气系统仪表

大气系统仪表主要包括大气温度表、马赫数表及空速表，飞机中的全静压系统主要是通过动静压传感器及温度传感器实现测量，从而使大气运动及飞机速率能够充分的展现出来，然后得出飞机在飞行过程中位置的大气参数，然后以此参数为基础实现计算，从而能够得出仪表数据[4]。图1为大气系统仪表的工作原理。

图1 大气系统仪表的工作原理

1.2 姿态系统仪表

航空姿态系统仪表主要包括转弯仪、地平仪及测滑仪，地平仪是指飞机在进行飞行时候的倾斜程度及角度的测量，以此能够提供飞行人员精准数据，使飞行人员能够顺利的飞行。因为地平仪中存在陀螺元件，那么也可以将其作为陀螺仪。转弯器指的是指示飞机转弯的方向及角度，并且还能够指示转弯角的速度。测滑仪指的是实现飞机侧滑方向及程度的指示，因为转弯测滑仪包括侧滑小球及指针，所以其也可以称之为针球仪[5]。图2为姿态系统仪表的工作原理。

图2 姿态系统仪表的工作原理

1.3 航向系统仪表

在飞机仿真过程中，航向仪表系统主要包括磁罗盘及陀螺罗盘，其主要目的就是对飞机磁航向进行测量。在飞机仿真系统中，要通过飞行系统计算目前飞机偏航角度，之后利用指北系统及地理坐标修正飞机航道，从而得到精准的航向角度。最后利用飞机导航系统计算磁偏差，在修正之后得到磁航向角真实的角度，以此对飞机航向仪表进行有效的驱动及控制[6]。图3为航向系统仪表工作的原理。

2 航空仪表信号模拟器的整体设计

图3 航向系统仪表工作的原理

和目前模拟器进行分析及对比，确定使用TMS2325作为主控芯片设计的方案，其中主要包含DSP及轴角数字转换器接口、显示模块及电源模块等，其具备信号的接收及发送功能，图4为航空仪表信号模拟器的设计框架。

图4 航空仪表信号模拟器的设计框架

模拟器系统能够同时实现总线及轴角信号的发送和接收，在对数据进行发送的过程中，使用DSP实现子程序的调用，之后提取数据，利用数据口对接口电路发送数据。在选择接收数据的时候，系统利用接收电路使接收信号转换成为数字量，到存储器指定位置中存放，通过DSP内部数据进行处理，将接收数据到液晶中显示和保存[7]。

3 航空仪表信号模拟器的硬件设计

3.1 控制电路的设计

文中使用TI公司的DSP芯片设计，使用先进哈佛总线结构，数据及程序都在不同存储空间中存放，并且其存储空间独立，因为数据总线和程序总线分开，所以能够使数据交换速率得到进一步的提高。使用F24数字处理器实现软件的编程，其使用CMOS技术进行设计，能够有效提高使用过程中的灵活性，其内部实现十六通道的集成，并且还具有两个采样保持电路，能够实现转换器双通道工作。而且，此器件内部还能够实现多外设的集成，便于电机的使用。其中大量的外设接口能够实现电路设计的简化，从而实现复杂实时控制算法的计算[8]。图5为航空仪表信号模拟器的硬件电路内部结构。

TMS芯片内核电压与I/O接口电压并不同，所以DSP系统都是使用双电源电压供电模式，一个DSP系统是否能够稳定的运行，其和系统电源部分具有密切的联系，供电电源精度及稳定性能够对模块好坏进行判断，那么就以此为基础选择DSP供电电压。在对电源进行选择的时候，使用想配套的电压进度实现设计，从而能够满足使用需求，简化设计系统电源供电电路及芯片复位电路[9]。图6为模拟器硬件电路引脚连接结构。

图5 航空仪表信号模拟器的硬件电路内部结构

图6 模拟器硬件电路引脚连接结构

因为系统包括数字电路和模拟电路，那么在电源供电过程中要区分数字及模拟电压，降低两者的干扰。因为输入输出电压稳定性，就要将滤波电容融入电源芯片电压中，从而避免电源尖峰冲的影响[10]。

3.2 总线信号接收电路

总线收发芯片属于十六位高性能接口集成芯片，其能够有效满足总线串行数据标准，此芯片的接口较为简单，并且具有较高的稳定性，能够创新传统分立元件稳定性差及接口复杂的问题，其还具有一定的抗干扰能力[11]。图7为总线收发芯片的引脚结构。

3.3 角度测量接口电路

角度测量使用12ZSZ系列数字转换器，此转换器具有较高的跟踪速度，并且还具有较高的可靠性，内部使用跟踪技术及模块化结构实现设计。此转换器具有小型变压器的继承，还包括可逆计数器、高速数字乘法器、相敏解调器、误差放大器等[12]，图8为数字转换器的工作原理。

图7 总线收发芯片的引脚结构

图8 数字转换器的工作原理

在使用此数字转换器的时候，要从转换器三线输入引脚及整角机输出端分别连接，转换器输出变压器能够和整角机三线信号的余弦及正弦相互交换[13]。

3.4 角度发送接口电路

角度信号发送模块使用12SZZ转换芯片，其属于全电子模拟输出装置，能够将十二位角度信号数字量转换成为吗自整角机转换变压器模拟电压。其具备短路过载保护、标准引脚及外外形尺寸和变压器隔离输出，并且其重量较轻，使用时间比较长，使用较为灵活且方便。

12SZZ转换芯片内部具有参考输入变压器，选择象限开关，正弦及余弦乘法器及功率放大器，通过正弦及余弦乘法器将代表角度数字量与参考输入转换成为正余弦信号，之后利用功率放大器使其信号负载能力能够为1.3 VA，输出变压器将信号隔离及升压，从而转换成为满足需求的模拟信号输出。图9为角度发送接口电路的工作原理。

图9 角度发送接口电路的工作原理

3.5 转换机和自整角机变压器接口

在转换器模块和自整角机旋转变压器连接的时候，为了能够提高转换器负载能力，就要将调谐电容和接收器与转换机相互并联。协调电容的确定流程为：在自整角机旋转变压器绕组中添加额定电压，并且和绕组串联毫安表，然后实现电容并联，对电容值进行改变，在表最小读数的时候，就是调谐电容值[14]。

4 航空仪表信号模拟器的软件设计

4.1 系统的功能模块

航空仪表属于飞行器性能及导航等参数显示的窗口，能够为飞行人员提供飞行器的飞行信息，虚拟航空仪表要在功能和外观中和真实飞行器相同，其主要包括导航参数、飞行参数、发送机参数和电气系统参数，并且还能够实现及时的展现。图10为航空仪表信号模拟器的软件总体结构。

图10 航空仪表信号模拟器的软件总体结构

4.2 仪表界面

对需要开发机型的座舱进行全面的掌握，从而为信号模拟器的设计打下良好的基础，包括颜色和尺寸，功能、外型、报警指示、逻辑关系都要和真实形同。而且部分仪表还要实现图像处理，使用功能PS软件实现处理，使其能够和真实仪表相同[15]。

4.3 驱动显示

为了能够实现仪表板电门、指针、旋钮等部件全面控制，就要在代码生成器中实现各个部分运动及响应的联系，利用VC++混合编程，实现虚拟座舱驱动程序代码的添加，从而能够使其中的空间将飞机飞行参数充分的展现出来。

驱动程序是通过仪表内部进行描述的，朱飞行的显示器高度、空速、导航显示器及垂直速度等属于位置控制，也就是利用Location程序编程进行调用实现。姿态指示仪中的航向罗盘、俯仰刻度带及导航显示器航道指针属于旋转控制，其他的信息属于文本框方式，能够实现数据的实时显示。

4.4 通讯接口

航空仪表信号模拟器要和其他系统创建联系，以数据流图为基础能够实现系统接口数据的确定，仪表系统为飞行人员创建了真实座舱显示系统，仪表显示控制驱动数据为飞行动力学仿真系统，其能够为仪表系统提供精准的数据，对于数据实时性具有较高的要求，那么可以使用无连接UDP实现通信。

5 模拟器测试

为了能够测试航空仪表信号模拟其是否能够满足预期目标，就要对其进行调试，首先对硬件部分调试，其次为软件部分调试，最后对硬件与软件联合进行调试。在电路设计过程中，要尽量避免其中模块的相互干扰，电路设计要简洁可靠，实现地面和电源的隔离，保证系统稳定性。软件实现分模块调试，首先对程序变量是否初始化进行检查，之后对程序模块相应的接口电路实现操作，基于CCS开发环境实现断点的设置，之后实现单步调试，直到实现全部功能。表1为轴角的发送测试，通过测试结果表示，部分误差是难免的，但是能够利用校正降低误差。本文所设计的模拟器能够提高系统性能，降低系统干扰，并且计算简单，能够使用[16]。