基于無線電高度表的音響告警信號測試

仵松頎+李爭平+袁明芊+孫霞

摘 要：為了保證飛機飛行安全，文中設計了基于無線電高度表的音響告警信號檢測系統，實現了對音響告警信號電壓、頻率、響應時間信號的測試。通過對音響告警信號的分析，提出了硬件電路分壓、比較和頻率信號采集的實現方法，可對音響告警信號等指標進行一次性準確測試。在無線電高度表交檢及外場排故中對該系統進行了驗證與應用，效果良好，為后續設計音響告警信號測試電路提供了參考與借鑒。

關鍵詞：音響告警信號；實現方法；多指標；測試電路

中圖分類號：TP39；TN96 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）02-00-03

0 引 言

近年來，隨著人類交通業不斷前進以及相關技術的支持，中國民用航空得到了快速發展，已成為人們出行方式中不可或缺的一種。當飛行器的飛行高度低于預置高度時，無線電高度表音響會發出告警信號，提醒飛行員提高警惕，注意飛行高度。因此音響告警信號的品質尤為重要，其各項指標決定了能否在第一時間引起飛行員的注意，音響告警信號的測試方法及指標的準確度重要性不言而喻[1]。以往的音響告警信號測試采用示波器結合人工秒表的方式實現，操作繁瑣且存在因人工操作產生的誤差。為此，在制作專用試驗器時提出了自動、單次測試的要求，避免人工操作產生的誤差對結果造成影響[2]。

1 對音響告警信號的性能要求及高度表實現電路

主機廠根據某型飛機的實際使用需求，對音響告警信號提出如下性能要求：

（1）電壓范圍為4～7 V；

（2）頻率范圍為（600±200）Hz；

（3）持續時間為3～7 s。

針對主機提出的音響告警信號要求，在設計無線電高度表音響告警信號時采用了電容放電方式作為時間基準，頻率發生器采用成熟的LM555搭配典型電路設計。電路原理如圖1所示。

2 測試方法思考

2.1 音響告警信號的分析

通過LM555時基電路產生的音響告警信號為交流方波信號，其最大有效值為7 V，方波的峰值電壓范圍在±14 V內。根據電路及實際應用情況可知，方波正半周電壓值大于負半周電壓值，設計測量采集±14 V范圍內的電壓，以正半周為主；理論頻率值為623 Hz，設計測量范圍為0.0～999.9 Hz；理論時間為4 s，設計測量范圍為0.0～9.9 s。所有項目的測量誤差應小于10%。音響告警信號波形示意如圖2所示。

2.2 實現方法理論分析

通過對音響告警信號的分析，峰值電壓的采集方式采用12位A/D差分電路測量±14 V范圍內的電壓值，采集電壓的理論分辨率為：

VF=（+14-（-14））/212=0.006 8 V

考慮到電路特性及環境干擾，即使增大一個誤差數量級，其實際采樣分辨率VC<0.1 V，依舊能夠滿足測試精度的要求，因此可采用周期除以時間的方式測試頻率[3，4]。音響告警信號可能存在分布不均勻的情況，故采用多周期采集、取平均值的方式計算，以提高測量精度。音響告警信號周期采集采用方波邊沿觸發中斷方式，以確保實現方法的可靠性及響應的及時性。周期信號采集選擇定時器方式，采用最小指令周期為1μs的單片機定時器，其最大定時器周期為65 ms。當頻率為999.9 Hz時，邊沿觸發時間間隔為500 μs，信號周期為1 ms， 因此C8051F系列單片機可滿足測試精度要求。

響應時間的測試方法采用當前方波周期個數乘以頻率的方式，通過計算即可得到當前方波所用時間。

3 實現方法設計

3.1 硬件設計

3.1.1 電壓采集電路設計

考慮到音響告警信號的電壓范圍為±14 V，而文中采用的A/D芯片達不到該信號的測量范圍要求，所以對電壓信號做分壓處理。分壓電阻采用擁有1‰精度的金屬模電阻，將10 kΩ電阻串聯進行分壓（分壓作預留，用于滿足測試的兼容性，最大測量范圍為20 V），使分壓后的電壓在±10 V范圍內，便于信號采集。

3.1.2 降壓與比較處理

為采集音響告警信號的周期信號，對信號進行降壓處理。經比較處理（因電壓值正半周大于負半周，所以比較電壓采用+3.3 V）使輸出的信號能夠滿足中斷邊沿觸發條件及電平范圍。有效電壓計算流程如圖3所示。

3.2 軟件設計

3.2.1 有效電壓計算軟件設計

音響告警信號為占空比50%的方波信號，根據功率等效方法計算有效電壓。

當方波信號邊沿觸發中斷時，適當延時后通過A/D采集音響告警信號電壓值，并逐個比較，將正半周最大值和負半周最小值分別保存在相應寄存器中。將采集到的數據按上述公式進行計算（公式中的電壓值為絕對值）。

程序流程如圖4所示。

3.2.2 頻率信號采集軟件設計

頻率信號的采集采用周期除以時間的方式進行。文中采用多周期采集取平均值的方式計算，通過中斷方式采集電平邊沿（兩次上升沿之間即為方波的一個周期）觸發個數（設定為30個），在邊沿觸發中斷中啟動定時器，當采集到30個信號時關閉定時器，并將采集時間保存到寄存器中。頻率計算公式如下：

頻率計算流程如圖5所示。

3.2.3 時間長度采集軟件設計

因響應時間無法確定，因此無法通過硬件或軟件等方式得到具體時間。但可采用累計方式確定，即通過邊沿觸發中斷得到的方波周期個數除以得到的頻率值計算得到當前方波周期，直到最后一個邊沿觸發中斷結束，計數不再改變，得到的總時間即為響應時間。計算公式為：

響應時間計算流程如圖6所示。

3.3 容錯設計

音響告警信號可能出現不告警、指標超限及誤差較大等現象，針對可能出現的情況進行軟/硬件容錯設計。endprint

（1）針對電壓可能出現的超過預期值的范圍，在電路硬件設計時對輸入電壓進行分壓、降壓處理，兼容電壓范圍為±20 V。在無線電高度表電路設計中采用±15 V電源，做±20 V電壓預留以滿足測試要求。軟件采集的信號通過分壓-倍乘的方式還原為實際電壓并在試驗器音響告警信號測試顯示界面顯示。

（2）頻率信號可能出現無輸出及頻率范圍過大等現象。測試開始后，通過軟件對無中斷觸發設置0.5 s等待時間，無信號輸入0.5 s后便不再等待，通過顯示屏顯示測試結果。無線電高度表試驗器音響告警信號測試顯示界面如圖7所示。

當頻率值超過顯示上限值999.9 Hz時，通過軟件解算程序進行超限控制，不再解算超出上限的頻率值，將超限的頻率值顯示為超限標識“—Hz”，如圖8所示。

（3）響應時間也存在無輸出及頻率范圍過大等現象，同頻率值無輸出及超限顯示。當無信號輸入時，現象如圖7所示。當響應時間超過顯示上限值9.9 s時，通過軟件解算程序進行容錯控制，不再解算超上限時間值，將頻率值顯示為超限標識“—s”，如圖8所示。

4 實現方法的計量及應用

4.1 實現方法的計量

為驗證測試方法的可行性及準確性，采用標準源、多組數據、多種狀態輸入方式進行驗證。信號源采用校驗合格的波形發生器，選取的數據范圍為輸入可能出現的任意值，進行了多次測試。多組數據、多種狀態輸入數據及測試結果見表1所列。

通過表1中的測試數據可知，音響告警信號的測試方法能夠完成自動，可單次測量電壓有效值、頻率值及響應時間。測試數據電壓誤差范圍在2.5%以內，頻率誤差范圍在0.25%以內，響應時間的誤差范圍在3.3%以內。在音響告警信號正常范圍內，能夠滿足測試誤差小于10%的要求。測試結果滿足預期音響告警信號測試的設計指標要求，包括有效范圍內的測試數據、無信號及超限時的測試結果。

4.2 實現方法的實際應用

將此方案引入某型無線電高度表試驗器設計中，對試驗器進行硬件及軟件設計。將該方法應用于高度表產品的交檢及外場排故過程中進行測試，發現測試結果完全能夠滿足要求。測試結果如圖9所示。

5 結 語

為實現針對音響告警信號電壓、頻率、時間的自動、單次測試，從對音響告警信號特性、測試方法的分析，到實現方法的原理及實際硬/軟件設計，再到后期的指標計量及實際情況的應用，證明此測試方法能夠滿足高度表的音響告警信號輸出特性及指標要求。通過對無線電高度表試驗器進行實際應用，減少了人工測試音響告警信號的時間與人工操作的誤差，可為后續試驗器設計音響告警信號測試電路提供參考。

參考文獻

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