接口板设计 - 大气机高度输出接口电路的设计

　　3.1 硬件构成与原理

　　根据大气机输出信号形式和航管应答机输入信号要求，设计了高度接口板，其原理框图如图2所示。该接口板主要由单片机、A/D变换电路、隔离/驱动电路、隔离电路、TTL/RS 422转换电路及电源电路等组成。

　　由AD574产生的基准电压，经隔离/驱动电路加到大气机高度函数电位器的2端，函数电位器3端输出和大气机气压高度成正比的电压信号。此电压经隔离器加到A/D变换器上，A/D变换器将此电压变换为与之对应的数字信号，经单片机变换成用串行格雷码表示的高度数值，最后由TTL/RS 422变换电路变换为符合RS 422接口规范的信号，送至航管应答机。

　　隔离/驱动电路用来对AD574产生的基准电压源进行电流放大，同时起隔离作用，防止函数电位器的阻抗变化对基准电压源产生影响，从而影响A/D转换精度。

　　隔离电路的作用是防止A/D变换电路的输入阻抗对大气机函数电位器的阻抗产生影响。

　　A/D变换器的作用是将模拟的高度电压信号转换成数字信号，同时产生大气机函数电位器需要的输入电压。

　　由于大气机给出的气压高度精度有限，国际民航组织规定高度编码的增量为100英尺。现俄制大气机的高度输出范围为0～15 000 m，换算成英制为0～49 213(15 000/0.304 8≈49 213)英尺。如果按100英尺为量化单位，共需要493(49 213/100≈493)位编码。A/D变换器的位数N应由下式确定：

　　2N≥493-1 (4)

　　由式(4)得，N≥log2(493-1)≈8.9。因此，9位A/D位芯片就能满足要求。本设计采用12位A/D变换器AD574，和9位A/D变换器相比，量化误差减小到1/8，提高了高度电压输出精度。

　　电源电路的作用是为各部分电路提供直流电源。A/D变换器的转换精度不仅取决于输出位数，而且与供电电源的品质也有很大关系。目前主要有模拟串联稳压和开关DC/DC变换两种电源体制。模拟串联稳压电源有开关电源无法比拟的优点就是不产生尖峰干扰，其纹波干扰也可通过滤波降低到足够低的水平。本方案采用机上115 V/400Hz电源为高度接口板的原始电源，采用串联稳压电源体制加兀型滤波方案，为12位A/D变换器提供了高品质的电源系统。

　　CPU是接口板的控制计算中心，主要完成A/D转换控制、数据校准与编码(将二进制数字信号变换成符合国际民航组织规定的串行格雷码)、并一串转换和数据软件滤波等功能。

　　3.2 数据校准与编码

　　由于函数电位器的输出与气压高度为近似的线性关系，特别是在1 000 m以下线性较差，如果直接按式(3)求高度，将会造成较大误差。因此需要对高度数据进行校准。

　　数据校准可采用硬件校准或软件校准。采用硬件校准，不仅增加了设备的体积和重量，提高了成本，而且难度大，精度低。采用软件校准，不仅可以节省成本，而且方法简单，效果好。因此，本方案采用的是软件校准中的查表法。

　　表格的制作方法是：第一步，通过实验测出表1所示大气机绝对气压高度值对应的A/D输出的二进制值Un第二步，将绝对高度值以格雷码形式存入单片机内部的存贮器，存贮器地址对应A/D输出的二进制值U。对于位于表1中数据点之间的点，可将相邻两点间的曲线看作是直线，通过线性插值法求出每个A/D输出值对应的高度值，并存入存贮器。假设(Hn-1，Un-1)和(Hn，Un)是表1中相邻的两点，当Un-1

　　采用查表法可大大提高转换精度。

　　3.3 抗干扰措施

　　各种干扰对测高精度也有较大的影响，如本机噪声及来自其他机载电子设备或环境的干扰等。为提高测量精度，本设计采取了有效的抗干扰措施。

　　电源设计上采取了低纹波方案，消除电源本身产生的干扰。另外，在接近各器件供电脚附近加装滤波电容，消除由供电线引入的各种瞬态干扰信号。

　　软件抗干扰是一种简便、有效的方法。本设计采取了剔除奇异值法和平均值滤波法抗干扰措施。

　　对每一高度值进行N次等时间间隔采样，并求出N个采样值的平均值。如果某个采样值与该平均值相差较大，可认为是非正常值(奇异值)，予以剔除。将剔除奇异值后的数据再次求平均值，并将该值作为这一点的高度值。

　　上述软件抗干扰措施对消除瞬态脉冲干扰和噪声干扰非常有效。

　　4 结语

　　本设计采取了数据校准和抗干扰措施，使测量精度大大提高。实践表明，该高度接口板满足俄制大气机与国产应答机的接口要求。工作稳定、可靠，转换精度高，其输出高度和大气机的高度指示器读数的误差不大于2 m，满足指标要求。另外，产品的通用性好，只要加载不同的函数电位器数据及编码格式，就可以适应不同的输出源及输入目标产品的要求。