基于DSP的航空儀表信號模擬器設計研究

林坤

（西安航空職業(yè)技術(shù)學院陜西西安710089）

航空儀表信號模擬器為仿真系統(tǒng)，其主要是利用地面模擬設計對飛行過程中信號進行模擬的裝配，其屬于目前國際航空中普遍使用的信號模擬及對飛行人員訓練的手段[1]。航空儀表系統(tǒng)是現(xiàn)代飛機信號模擬過程中的主要內(nèi)容，其能夠為飛行人員提供像一個信息[2]。基于此，本文就實現(xiàn)了以DSP為基礎的航空儀表信號模擬器。

1 航空儀表類型

航空儀表屬于飛行器中儀表的統(tǒng)稱，一般其能夠展現(xiàn)飛行器中的性能參數(shù)，從而為飛行人員提供方向及信息。航空儀表的分類方法較多，一般包括大氣系統(tǒng)、航向系統(tǒng)、姿態(tài)系統(tǒng)及發(fā)動機儀表[3]。

1.1 大氣系統(tǒng)儀表

大氣系統(tǒng)儀表主要包括大氣溫度表、馬赫數(shù)表及空速表，飛機中的全靜壓系統(tǒng)主要是通過動靜壓傳感器及溫度傳感器實現(xiàn)測量，從而使大氣運動及飛機速率能夠充分的展現(xiàn)出來，然后得出飛機在飛行過程中位置的大氣參數(shù)，然后以此參數(shù)為基礎實現(xiàn)計算，從而能夠得出儀表數(shù)據(jù)[4]。圖1為大氣系統(tǒng)儀表的工作原理。

圖1 大氣系統(tǒng)儀表的工作原理

1.2 姿態(tài)系統(tǒng)儀表

航空姿態(tài)系統(tǒng)儀表主要包括轉(zhuǎn)彎儀、地平儀及測滑儀，地平儀是指飛機在進行飛行時候的傾斜程度及角度的測量，以此能夠提供飛行人員精準數(shù)據(jù)，使飛行人員能夠順利的飛行。因為地平儀中存在陀螺元件，那么也可以將其作為陀螺儀。轉(zhuǎn)彎器指的是指示飛機轉(zhuǎn)彎的方向及角度，并且還能夠指示轉(zhuǎn)彎角的速度。測滑儀指的是實現(xiàn)飛機側(cè)滑方向及程度的指示，因為轉(zhuǎn)彎測滑儀包括側(cè)滑小球及指針，所以其也可以稱之為針球儀[5]。圖2為姿態(tài)系統(tǒng)儀表的工作原理。

圖2 姿態(tài)系統(tǒng)儀表的工作原理

1.3 航向系統(tǒng)儀表

在飛機仿真過程中，航向儀表系統(tǒng)主要包括磁羅盤及陀螺羅盤，其主要目的就是對飛機磁航向進行測量。在飛機仿真系統(tǒng)中，要通過飛行系統(tǒng)計算目前飛機偏航角度，之后利用指北系統(tǒng)及地理坐標修正飛機航道，從而得到精準的航向角度。最后利用飛機導航系統(tǒng)計算磁偏差，在修正之后得到磁航向角真實的角度，以此對飛機航向儀表進行有效的驅(qū)動及控制[6]。圖3為航向系統(tǒng)儀表工作的原理。

2 航空儀表信號模擬器的整體設計

圖3 航向系統(tǒng)儀表工作的原理

和目前模擬器進行分析及對比，確定使用TMS2325作為主控芯片設計的方案，其中主要包含DSP及軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換器接口、顯示模塊及電源模塊等，其具備信號的接收及發(fā)送功能，圖4為航空儀表信號模擬器的設計框架。

圖4 航空儀表信號模擬器的設計框架

模擬器系統(tǒng)能夠同時實現(xiàn)總線及軸角信號的發(fā)送和接收，在對數(shù)據(jù)進行發(fā)送的過程中，使用DSP實現(xiàn)子程序的調(diào)用，之后提取數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)口對接口電路發(fā)送數(shù)據(jù)。在選擇接收數(shù)據(jù)的時候，系統(tǒng)利用接收電路使接收信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量，到存儲器指定位置中存放，通過DSP內(nèi)部數(shù)據(jù)進行處理，將接收數(shù)據(jù)到液晶中顯示和保存[7]。

3 航空儀表信號模擬器的硬件設計

3.1 控制電路的設計

文中使用TI公司的DSP芯片設計，使用先進哈佛總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)及程序都在不同存儲空間中存放，并且其存儲空間獨立，因為數(shù)據(jù)總線和程序總線分開，所以能夠使數(shù)據(jù)交換速率得到進一步的提高。使用F24數(shù)字處理器實現(xiàn)軟件的編程，其使用CMOS技術(shù)進行設計，能夠有效提高使用過程中的靈活性，其內(nèi)部實現(xiàn)十六通道的集成，并且還具有兩個采樣保持電路，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)換器雙通道工作。而且，此器件內(nèi)部還能夠?qū)崿F(xiàn)多外設的集成，便于電機的使用。其中大量的外設接口能夠?qū)崿F(xiàn)電路設計的簡化，從而實現(xiàn)復雜實時控制算法的計算[8]。圖5為航空儀表信號模擬器的硬件電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

TMS芯片內(nèi)核電壓與I/O接口電壓并不同，所以DSP系統(tǒng)都是使用雙電源電壓供電模式，一個DSP系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定的運行，其和系統(tǒng)電源部分具有密切的聯(lián)系，供電電源精度及穩(wěn)定性能夠?qū)δK好壞進行判斷，那么就以此為基礎選擇DSP供電電壓。在對電源進行選擇的時候，使用想配套的電壓進度實現(xiàn)設計，從而能夠滿足使用需求，簡化設計系統(tǒng)電源供電電路及芯片復位電路[9]。圖6為模擬器硬件電路引腳連接結(jié)構(gòu)。

圖5 航空儀表信號模擬器的硬件電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖6 模擬器硬件電路引腳連接結(jié)構(gòu)

因為系統(tǒng)包括數(shù)字電路和模擬電路，那么在電源供電過程中要區(qū)分數(shù)字及模擬電壓，降低兩者的干擾。因為輸入輸出電壓穩(wěn)定性，就要將濾波電容融入電源芯片電壓中，從而避免電源尖峰沖的影響[10]。

3.2 總線信號接收電路

總線收發(fā)芯片屬于十六位高性能接口集成芯片，其能夠有效滿足總線串行數(shù)據(jù)標準，此芯片的接口較為簡單，并且具有較高的穩(wěn)定性，能夠創(chuàng)新傳統(tǒng)分立元件穩(wěn)定性差及接口復雜的問題，其還具有一定的抗干擾能力[11]。圖7為總線收發(fā)芯片的引腳結(jié)構(gòu)。

3.3 角度測量接口電路

角度測量使用12ZSZ系列數(shù)字轉(zhuǎn)換器，此轉(zhuǎn)換器具有較高的跟蹤速度，并且還具有較高的可靠性，內(nèi)部使用跟蹤技術(shù)及模塊化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)設計。此轉(zhuǎn)換器具有小型變壓器的繼承，還包括可逆計數(shù)器、高速數(shù)字乘法器、相敏解調(diào)器、誤差放大器等[12]，圖8為數(shù)字轉(zhuǎn)換器的工作原理。

圖7 總線收發(fā)芯片的引腳結(jié)構(gòu)

圖8 數(shù)字轉(zhuǎn)換器的工作原理

在使用此數(shù)字轉(zhuǎn)換器的時候，要從轉(zhuǎn)換器三線輸入引腳及整角機輸出端分別連接，轉(zhuǎn)換器輸出變壓器能夠和整角機三線信號的余弦及正弦相互交換[13]。

3.4 角度發(fā)送接口電路

角度信號發(fā)送模塊使用12SZZ轉(zhuǎn)換芯片，其屬于全電子模擬輸出裝置，能夠?qū)⑹唤嵌刃盘枖?shù)字量轉(zhuǎn)換成為嗎自整角機轉(zhuǎn)換變壓器模擬電壓。其具備短路過載保護、標準引腳及外外形尺寸和變壓器隔離輸出，并且其重量較輕，使用時間比較長，使用較為靈活且方便。

12SZZ轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部具有參考輸入變壓器，選擇象限開關，正弦及余弦乘法器及功率放大器，通過正弦及余弦乘法器將代表角度數(shù)字量與參考輸入轉(zhuǎn)換成為正余弦信號，之后利用功率放大器使其信號負載能力能夠為1.3 VA，輸出變壓器將信號隔離及升壓，從而轉(zhuǎn)換成為滿足需求的模擬信號輸出。圖9為角度發(fā)送接口電路的工作原理。

圖9 角度發(fā)送接口電路的工作原理

3.5 轉(zhuǎn)換機和自整角機變壓器接口

在轉(zhuǎn)換器模塊和自整角機旋轉(zhuǎn)變壓器連接的時候，為了能夠提高轉(zhuǎn)換器負載能力，就要將調(diào)諧電容和接收器與轉(zhuǎn)換機相互并聯(lián)。協(xié)調(diào)電容的確定流程為：在自整角機旋轉(zhuǎn)變壓器繞組中添加額定電壓，并且和繞組串聯(lián)毫安表，然后實現(xiàn)電容并聯(lián)，對電容值進行改變，在表最小讀數(shù)的時候，就是調(diào)諧電容值[14]。

4 航空儀表信號模擬器的軟件設計

4.1 系統(tǒng)的功能模塊

航空儀表屬于飛行器性能及導航等參數(shù)顯示的窗口，能夠為飛行人員提供飛行器的飛行信息，虛擬航空儀表要在功能和外觀中和真實飛行器相同，其主要包括導航參數(shù)、飛行參數(shù)、發(fā)送機參數(shù)和電氣系統(tǒng)參數(shù)，并且還能夠?qū)崿F(xiàn)及時的展現(xiàn)。圖10為航空儀表信號模擬器的軟件總體結(jié)構(gòu)。

圖10 航空儀表信號模擬器的軟件總體結(jié)構(gòu)

4.2 儀表界面

對需要開發(fā)機型的座艙進行全面的掌握，從而為信號模擬器的設計打下良好的基礎，包括顏色和尺寸，功能、外型、報警指示、邏輯關系都要和真實形同。而且部分儀表還要實現(xiàn)圖像處理，使用功能PS軟件實現(xiàn)處理，使其能夠和真實儀表相同[15]。

4.3 驅(qū)動顯示

為了能夠?qū)崿F(xiàn)儀表板電門、指針、旋鈕等部件全面控制，就要在代碼生成器中實現(xiàn)各個部分運動及響應的聯(lián)系，利用VC++混合編程，實現(xiàn)虛擬座艙驅(qū)動程序代碼的添加，從而能夠使其中的空間將飛機飛行參數(shù)充分的展現(xiàn)出來。

驅(qū)動程序是通過儀表內(nèi)部進行描述的，朱飛行的顯示器高度、空速、導航顯示器及垂直速度等屬于位置控制，也就是利用Location程序編程進行調(diào)用實現(xiàn)。姿態(tài)指示儀中的航向羅盤、俯仰刻度帶及導航顯示器航道指針屬于旋轉(zhuǎn)控制，其他的信息屬于文本框方式，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示。

4.4 通訊接口

航空儀表信號模擬器要和其他系統(tǒng)創(chuàng)建聯(lián)系，以數(shù)據(jù)流圖為基礎能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)的確定，儀表系統(tǒng)為飛行人員創(chuàng)建了真實座艙顯示系統(tǒng)，儀表顯示控制驅(qū)動數(shù)據(jù)為飛行動力學仿真系統(tǒng)，其能夠為儀表系統(tǒng)提供精準的數(shù)據(jù)，對于數(shù)據(jù)實時性具有較高的要求，那么可以使用無連接UDP實現(xiàn)通信。

5 模擬器測試

為了能夠測試航空儀表信號模擬其是否能夠滿足預期目標，就要對其進行調(diào)試，首先對硬件部分調(diào)試，其次為軟件部分調(diào)試，最后對硬件與軟件聯(lián)合進行調(diào)試。在電路設計過程中，要盡量避免其中模塊的相互干擾，電路設計要簡潔可靠，實現(xiàn)地面和電源的隔離，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。軟件實現(xiàn)分模塊調(diào)試，首先對程序變量是否初始化進行檢查，之后對程序模塊相應的接口電路實現(xiàn)操作，基于CCS開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)斷點的設置，之后實現(xiàn)單步調(diào)試，直到實現(xiàn)全部功能。表1為軸角的發(fā)送測試，通過測試結(jié)果表示，部分誤差是難免的，但是能夠利用校正降低誤差。本文所設計的模擬器能夠提高系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)干擾，并且計算簡單，能夠使用[16]。

表1 軸角的發(fā)送測試

6 結(jié)束語

文中提出了基于DSP的航空儀表信號模擬器的設計，此模擬器能夠創(chuàng)新傳統(tǒng)模擬器系統(tǒng)運算過程中體積較大、速度較低及存儲較小的缺點，其在航空電子儀表設備研究過程中具有重要的作用。