飞参记录系统

飞行参数记录系统同步器信号的采集
作者：苏建军时间：2007-01-27 来源:
摘要：本文介绍了同步器信号采集板在飞行参数记录系统中的应用，同步器信号采集板的采集原理及硬件电路设计方法。

该采集板已在某型直升机飞行参数记录系统中应用，并批量装备部队。

关键词：飞行参数记录仪；黑匣子；同步器
目前，飞行参数记录系统在民用和军用飞机上得到了广泛应用，俗称“黑匣子”。

飞行参数记录系统用于收集、整理和记录各种飞行参数，是民用和军用飞机普遍加装的重要机载设备之一，实时采集记录飞机气动、操稳、发动机、飞控、通导等系统的许多重要飞行参数，为飞机设计、单机监控、建立飞行员档案、训练考核、预测设备故障、飞行事故分析和事故调查提供科学数据和依据。

因此，飞行参数记录系统对于保障飞行安全，提高飞行训练水平和机务维护质量都具有十分重要的作用。

飞行参数记录系统的同步器信号参数主要是飞机的姿态角和航向角参数，包括地平仪姿态陀螺的俯仰角、倾斜角和航向陀螺的航向角，它们是飞行参数记录系统重要的飞机姿态参数，用于实时监控飞机的飞行姿态状态，对于飞行事故分析和事故调查具有重要的意义。

一、系统组成
某型机载飞行参数记录系统由飞参控制器、飞参数据采集器、防护记录器、电源等4部分组成。

其中飞参控制器用于输入和显示飞参履历辅助信息，并把飞参履历信息发送到飞参数据采集器记录；飞参数据采集器用于飞参数据的采集和记录；防护型记录器是带保护壳体的飞参数据记录器；电源用于向飞参控制器、飞参数据采集器、防护型数据记录器和装机传感器提供直流+27V和+5V稳压电源。

飞参数据采集器采用了统一总线方式下的功能模块设计技术，按功能分为6个模块：中央处理器板、模拟量采集板、开关量采集板、频率量采集板、同步器信号采集板、固态记录卡。

图1 飞参数据采集记录器功能板方块图
中央处理器板是飞参数据采集器的核心，控制着数据的采集、转换、传输、记录和显示。

飞参数据采集器采用ＭＣＳ－５１系列单片机作为中央处理单元，配合外围电路芯片组成中央处理器板，并配备一个功能完备的嵌入式监控软件完成飞参数据的采集与记录。

模拟量采集板完成17路模拟量信号参数的采集。

由多路转换器、采样／保持器、Ａ／Ｄ转换器、数据缓冲／锁存器等部件组成。

开关量采集板完成飞机各系统及设备的开关量状态信号的采集。

所有机载设备一次性指令的采集均采取了光电隔离措施，将开关量信号电平转换成TTL电平。

开关量信号采集板由光电隔离电路、数据锁存电路、地址译码电路组成，完成对40路开关量信号的数据采集。

频率量信号采集板完成左、右发动机转速和旋翼转速多转速信号的采集，由信号倍频电路、光电隔离电路、脉冲整形电路、标准频率产生电路、分频电路、闸门电路、计数电路、数据锁存电路、地址译码电路、控制电路等组成。

固态记录卡完成飞参数据的信息存储。

记录介质采用固态存储器，记录数据的容量为16Ｍ字节。

飞参数据采集器的固态存储器为非易失存储器，因此记录器掉电以后数据不会丢失。

本文着重介绍同步器信号采集板的采集原理和实现过程。

同步器信号采集板由同步器转换模块、数据锁存电路、地址译码电路、控制电路等组成。

同步器信号采集板完成3路同步器信号的采集。

二、同步器信号采集原理
飞机姿态和航向陀螺输出的角度信号为三相交流同步器信号。

三相交流同步器又称自整角机，分解器又称旋转变压器，它们皆归类于微特电机。

在传统的测角跟踪系统与机电模拟解算系统中，它们都是重要的组成部件。

在转角与位移测量系统中，它们也是一种常用的角度传感器。

由于测量精度较高、性能稳定、工作可靠等原因，至今仍被广泛地应用于军工和民用测量与控制系统中。

中船总716所等有关工业部门还专门生产与它们相配套的多种型号、规格的模／数转换器专用集成电路或模块，以满足与数字系统相接口的要求。

ZSZ／XSZ－02是一种超小型、模块式、通用化的自整角机／旋转变压器—数字转换器，采用二阶伺服原理设计，数据输出具有三态锁存功能。

采用32线双列直插金属外壳封装，体积小，重量轻，可靠性高。

输入信号可以接收来自三线自整角机的角度激励信号和参考电压信号，也可以接收来自四线旋转变压器的角度激励信号和参考电压信号。

输出角度信号经过三态数据锁存器锁存、变成与TTL电平兼容的并行二进制码数字量信号。

三态输出能使多个转换器直接挂在数据总线上，而且在使用禁止信号/INH时不断开转换器内部回路。

该系列转换器和美国AD公司生产的SDC／RDC1740系列兼容。

在自整角机或旋转变压器的输入端加上U＝U0sinωt后，对于自整角机，输出电压为：
U s1-s3＝K1U0 sinθsinωt
U s3-s2＝K1U0sin(θ -120º)sinωt
U s2-s1= K1U0sin(θ＋120º)sinωt
上述表达式中，
U0一输入交流电压幅值
θ一轴角
ω一三相交流信号的角频率
K1一变比
为了将上述这些信号变换成表示角度θ的数字信号，以前往往采用模拟开关、采样／保持、A／D转换器等组成转换电路来完成。

近十多年来研制出将自整角机和旋转变压器输出的交流信号直接变换成数字信号的器件，即自整角机/数字转换器（SDC）和旋转变压器／数字转换器（RDC）器件。

自整角机/旋转变压器—数字转换器模块的作用是把自整角机和旋转变压器输出的三相交流信号变换成数字信号。

自整角机/旋转变压器—数字转换器模块结构框图如图2所示。

图2 自整角机/旋转变压器—数字转换器模块原理框图
图2是自整角机/数字转换器（SDC）与旋转变压器／数字转换器（RDC）的原理框图，自整角机输出的三线电压或旋转变压器输出的四线电压分别对应接至转换器SDC或RDC的输入端S1、S2、S3端或S1、S2、S3、S4端。

如果器件是自整角机一数字转换器，则自整角机三线输出应连接到转换器上的S1、S2和S3端，那么微型Scott 变压器将这些信号转换成正弦、余弦形式。

即：
V1=K1Uosinωtsinθ
V2=K1UoSinωtCosθ
这里θ是自整角机轴角。

如果器件是旋转变压器一数字转换器，则旋转变压器四线输出应连接到转换器上的S1、S2、S3、和S4端，那么此时的微型变压器只起隔离和变压作用。

V1=K1U0sinθcosωt
V2=K1U0cosθsinωt
为便于理解转换过程，假定可逆计数器当前字状态为φ，那么，V1乘以Cosφ、V2乘以Sinφ得到：
K1U0 sinθcosфsinωt
K1U0 cosθsinфsinωt
这些信号经误差放大器后得到：K1U0（sinθcosф-cosθsinф）sinωt
经三角函数变换后得到：K1U0sin(θ-ф) sinωt
由相敏解调器、积分器、压控振荡器（VCO）和可逆计数器等组成的闭环系统使Sin（θ-φ）趋近于零，即θ=ф。

当这个过程完成时，可逆计算器内的代码(ф)就等于转换器的转换结果，转换器输出的二进制数字值（φ）代表了自整角机或旋转变压器输出的轴角θ，该数字值直接或通过三态锁存器送至计算机用于显示。

假定禁止信号“/INH”是逻辑高电平，那么，可逆计数器被更新以后，其数字量φ将被选通进入三态锁存器，如果使能信号“/ENM”和“/ENL”是逻辑低电平，那么φ将出现在的输出端上。

三、同步器信号采集板电路设计
图4 同步器信号采集板电路原理图
同步器信号采集板完成三路同步器信号的采集，由同步器转换模块、数据锁存电路、地址译码电路、控制电路等组成。

同步器信号采集板电路组成方框图见图3，同步器信号采集板电路原理图见图4。

同步器转换模块把地平仪、航向陀螺输出的三相正余弦同步器角度信号变成单片机能接收的数字量信号，同步器转换模块是一种采用跟踪转换技术和模块化结构的自整角机—数字转换器，它应用二阶伺服回路，输出是与TTL 电平兼容的12位并行自然二进制码，完成角度的模/数转换，且在数字输出端包含三态锁存器。

地址译码电路由地址译码电路组成，实现三路同步器转换模块的地址译码，分时读取每一路同步器模块的角度信号。

控制电路由逻辑门电路组成，实现三路同步器转换模块的数据分时读取施能控制。

数据锁存器由三态数据锁存器组成，锁存同步器转换模块的高4位数据，实现12位同步器数据的分时读取。

飞参数据采集器通过系统8位数据总线，分两次读取转换数据，先读取12位同步器转换模块的低8位数据，再读取同步器转换模块的高4位数据。

通过同步器数据采集板完成了飞行参数记录系统同步器信号的采集工作。

四、应用情况
同步器信号采集板作为飞行参数记录系统的一部分，已批量装备部队使用。

同时作为试飞测试系统中机载数据采集器的一部分，已在多个系统和项目中得到广泛应用。

通过部队和用户的使用证明，系统工作稳定、可靠。

标签：飞行参数记录仪黑匣子同步器。