基于无线电高度表的音响告警信号测试

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２４0 引 言
近年来，随着人类交通业不断前进以及相关技术的支持，中国民用航空得到了快速发展，已成为人们出行方式中不可或缺的一种。

当飞行器的飞行高度低于预置高度时，无线电高度表音响会发出告警信号，提醒飞行员提高警惕，注意飞行高度。

因此音响告警信号的品质尤为重要，其各项指标决定了能否在第一时间引起飞行员的注意，音响告警信号的测试方法及指标的准确度重要性不言而喻[1]。

以往的音响告警信号测试采用示波器结合人工秒表的方式实现，操作繁琐且存在因人工操作产生的误差。

为此，在制作专用试验器时提出了自动、单次测试的要求，避免人工操作产生的误差对结果造成影响[2]。

1 对音响告警信号的性能要求及高度表实现电路
主机厂根据某型飞机的实际使用需求，对音响告警信号
提出如下性能要求：
（1）电压范围为4～7 V ；（2）频率范围为（600±200）Hz ；（3）持续时间为3～7 s 。

针对主机提出的音响告警信号要求，在设计无线电高度表音响告警信号时采用了电容放电方式作为时间基准，频率发生器采用成熟的LM555搭配典型电路设计。

电路原理如图1所示。

2 测试方法思考2.1 音响告警信号的分析
通过LM555时基电路产生的音响告警信号为交流方波信号，其最大有效值为7 V ，方波的峰值电压范围在±14 V 内。

根据电路及实际应用情况可知，方波正半周电压值大于负半周电压值，设计测量采集±14 V 范围内的电压，以正半周为主；
理论频率值为623 Hz ，设计测量范围为0.0～999.9 Hz ；理论时间为4 s ，设计测量范围为0.0～9.9 s 。

所有项目的测量误差应小于10%。

音响告警信号波形示意如图2所示。

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图1 音响告警信号产生电路
图2 音响告警信号波形示意图
2.2 实现方法理论分析
通过对音响告警信号的分析，峰值电压的采集方式采用12位A/D 差分电路测量±14 V 范围内的电压值，采集电压的理论分辨率为：
V F =
（+14－（－14））/212=0.006 8 V 考虑到电路特性及环境干扰，即使增大一个误差数量级，
仵松颀，李争平，袁明芊，孙 霞
（北方工业大学 电子信息学院,北京 100144）
摘 要：为了保证飞机飞行安全，文中设计了基于无线电高度表的音响告警信号检测系统，实现了对音响告警信号电压、频率、响应时间信号的测试。

通过对音响告警信号的分析，提出了硬件电路分压、比较和频率信号采集的实现方法，可对音响告警信号等指标进行一次性准确测试。

在无线电高度表交检及外场排故中对该系统进行了验证与应用，效果良好，为后续设计音响告警信号测试电路提供了参考与借鉴。

关键词：音响告警信号；实现方法；多指标；测试电路
中图分类号：TP39；TN96 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）
02-0024-03————————————————
收稿日期：2017-09-20 修回日期：
2017-10-20
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方式计算，以提高测量精度。

音响告警信号周期采集采用方波边沿触发中断方式，以确保实现方法的可靠性及响应的及时性。

周期信号采集选择定时器方式，采用最小指令周期为1μs 的单片机定时器，其最大定时器周期为65 ms 。

当频率为999.9 Hz 时，边沿触发时间间隔为500 μs ，信号周期为1 ms ， 因此C8051F 系列单片机可满足测试精度要求。

响应时间的测试方法采用当前方波周期个数乘以频率的方式，通过计算即可得到当前方波所用时间。

3 实现方法设计3.1 硬件设计
3.1.1 电压采集电路设计
考虑到音响告警信号的电压范围为±14 V ，而文中采用的A/D 芯片达不到该信号的测量范围要求，所以对电压信号做分压处理。

分压电阻采用拥有1‰精度的金属模电阻，将10 k Ω电阻串联进行分压（分压作预留，用于满足测试的兼容性，最大测量范围为20 V ），使分压后的电压在±10 V 范围内，便于信号采集。

3.1.2 降压与比较处理
为采集音响告警信号的周期信号，对信号进行降压处理。

经比较处理（因电压值正半周大于负半周，所以比较电压采用+3.3 V ）使输出的信号能够满足中断边沿触发条件及电平范围。

有效电压计算流程如图3所示。

7
10
LM31110 kΩ
10 kΩ图3 电压采集及降压、比较电路
3.2 软件设计
3.2.1 有效电压计算软件设计
音响告警信号为占空比50%的方波信号，根据功率等效方法计算有效电压。

P 有效=P 正+P 负
（1）V 有效2
/R =
（V 正2
/R ）×50%+（V 负2
/R ）×50% （2）V 有效
2
=V 正2/2+V 负2/2 （3）
音响告警信号电压值，并逐个比较，将正半周最大值和负半周最小值分别保存在相应寄存器中。

将采集到的数据按上述公式进行计算（公式中的电压值为绝对值）。

程序流程如图4所示。

图4 有效电压计算流程
3.2.2 频率信号采集软件设计
频率信号的采集采用周期除以时间的方式进行。

文中采用多周期采集取平均值的方式计算，通过中断方式采集电平边沿（两次上升沿之间即为方波的一个周期）触发个数（设定为30个），在边沿触发中断中启动定时器，当采集到30个信号时关闭定时器，并将采集时间保存到寄存器中。

频率计算公式如下：
f =30/t
（5）频率计算流程如图5所示。

图5 频率计算流程
3.2.3 时间长度采集软件设计
因响应时间无法确定，因此无法通过硬件或软件等方式得到具体时间。

但可采用累计方式确定，即通过边沿触发中断得到的方波周期个数除以得到的频率值计算得到当前方波周期，直到最后一个边沿触发中断结束，计数不再改变，得到的总时间即为响应时间。

计算公式为：
t =n /f
（6）
２６图6 响应时间计算流程
3.3 容错设计
音响告警信号可能出现不告警、指标超限及误差较大等现象，针对可能出现的情况进行软/硬件容错设计。

（1）针对电压可能出现的超过预期值的范围，在电路硬件设计时对输入电压进行分压、降压处理，兼容电压范围为±20 V。

在无线电高度表电路设计中采用±15 V电源，做±20 V电压预留以满足测试要求。

软件采集的信号通过分压-倍乘的方式还原为实际电压并在试验器音响告警信号测试显示界面显示。

（2）频率信号可能出现无输出及频率范围过大等现象。

测试开始后，通过软件对无中断触发设置0.5 s等待时间，无信号输入0.5 s后便不再等待，通过显示屏显示测试结果。

无线电高度表试验器音响告警信号测试显示界面如图7所示。

音响测试
U: 0.0V T: s
F: Hz
预置：0 综显：0
图7 频率及响应时间无显示
当频率值超过显示上限值999.9 Hz时，通过软件解算程序进行超限控制，不再解算超出上限的频率值，将超限的频率值显示为超限标识“—Hz”，如图8所示。

（3）响应时间也存在无输出及频率范围过大等现象，同频率值无输出及超限显示。

当无信号输入时，现象如图7所示。

当响应时间超过显示上限值9.9 s时，通过软件解算程序进行容错控制，不再解算超上限时间值，将频率值显示为超限标识“—s”，如图8所示。

音响测试
U: 5.4V T: --s
F: --Hz
预置：0 综显：0
图8 频率及响应时间超限显示
4 实现方法的计量及应用
4.1 实现方法的计量
为验证测试方法的可行性及准确性，采用标准源、多组数据、多种状态输入方式进行验证。

信号源采用校验合格的波形发生器，选取的数据范围为输入可能出现的任意值，进行
２２２００２１．９１９９２．１
３４４００３４．１３９９２．９
４４．５５００３４．６４９９２．９
５５５５０４５．１５５０３．９
６５．５６００５５．６５９９４．９
７６６５０６６．１６５０５．９
８６．５７００６６．６６９９５．９
９７８００７７．１７９９６．９
１０８９５０８８．２９４８７．８
１１８１　２００１２８．２－－－－通过表1中的测试数据可知，音响告警信号的测试方法能够完成自动，可单次测量电压有效值、频率值及响应时间。

测试数据电压误差范围在2.5%以内，频率误差范围在0.25%以内，响应时间的误差范围在3.3%以内。

在音响告警信号正常范围内，能够满足测试误差小于10%的要求。

测试结果满足预期音响告警信号测试的设计指标要求，包括有效范围内的测试数据、无信号及超限时的测试结果。

4.2 实现方法的实际应用
将此方案引入某型无线电高度表试验器设计中，对试验器进行硬件及软件设计。

将该方法应用于高度表产品的交检及外场排故过程中进行测试，发现测试结果完全能够满足要求。

测试结果如图9所示。

音响测试
U: 5.4V T: 3.9s
F: 622.0Hz
预置：0 综显：0
图9 测试结果
5 结语
为实现针对音响告警信号电压、频率、时间的自动、单次测试，从对音响告警信号特性、测试方法的分析，到实现方法的原理及实际硬/软件设计，再到后期的指标计量及实际情况的应用，证明此测试方法能够满足高度表的音响告警信号输出特性及指标要求。

通过对无线电高度表试验器进行实际应用，减少了人工测试音响告警信号的时间与人工操作的误差，可为后续试验器设计音响告警信号测试电路提供参考。

参考文献
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数量为20，进化100代，寻优后惩罚参数c=12.61，核参数为69.73，最优准确率为99.75%。

图3 遗传算法寻找最优参数的适应度曲线
3 实验结果
本文训练集样本数据为4 000个，包括2 200个发生直流电弧故障时的电流特征量数据，1800个正常工作时的电流特征量数据；测试集数据为4000个，包括2200个故障数据，1800个正常数据。

对比采用默认参数和最优参数的直流电弧故障检测SVM分类器的分类准确率（正常分类为正常，故障分类为故障），结果见表2所列。

表2 默认参数和最优参数SVM分类器的分类准确率
训练集分类准
确率／％
测试集
分类准
确率／％
默认参数
c＝１，g＝０．１１（３　８２７／４　０００）９５．６７（３　８１６／４　０００）９５．４０
最优参数
c＝１２．６１，g＝６２．７３（３　９４５／４　０００）９８．６２（３　９３９／４　０００）９８．４７误判率（正常检测为故障）是表征分类器性能的另一项重要指标，误判率越低表示分类器性能越好。

误判率测试结果见表3所列。

最优参数
c＝１２．６１，g＝６２．７３（９／２　２００）０．４１０（１０／２　２００）０．４５５由表3可知，采用K折交叉验证配合遗传算法优化参数的SVM分类器，训练效果更好。

检测准确率高达98%以上，误判率低至0.455%，可以较好地满足直流电弧故障检测的实际要求。

4 结语
文中提出了基于支持向量机SVM分类器的直流电弧故障检测方法。

经试验，该方法明显优于神经网络分析和快速傅里叶变换及小波分析法，较好地满足了直流电弧故障检测的实际要求，具有较大的应用价值。

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