第5讲：大气数据计算机解析

大气数据系统（大气数据计算机）刘瑞华中国民航大学电子信息工程学院2020年4月25日4时22分第2/共45大气数据计算机系统：功能及要求功能测量静压、总压、总温以及参与修正作用的攻角和气源误差，经过解算装置或计算机的运算，输出大量的大气数据信息。优势减少大量的重复仪表和传感器提高大气数据的计算精度扩大测量系统的功能，提高系统可靠性2020年4月25日4时22分第3/共45大气数据计算机系统：功能及要求对大气数据计算机系统的要求：能利用所测参数计算大气数据信息，应具有不同形式的输出信号应具有误差修正功能、监控功能和故障告警功能应具有飞行前后的自检功能；故障诊断、故障隔离功能应具有快速方便地更换部件和机器的快速拆装能力2020年4月25日4时22分第4/共45基本解算关系高度的解算（见前述公式）马赫数的解算（见前述公式）指示空速的解算（见前述公式）真空速的解算大气密度的解算000000PTTPTPTPssssss得由taasaaaTMMTMkRTMaMV22.011728.721728.722020年4月25日4时22分第5/共45大气静温的解算22221122222121222211212.0!2.0!210V121121121121astastaMTTMTTaVMkRTaVkRkTTRTkkVRTkkVRTPPkkVPkkV考虑到总温探头误差且由于时，若气流受阻，即和由2020年4月25日4时22分第6/共45大气数据计算机组成传感器测量静压传感器、全压传感器、总温传感器、攻角传感器等具有可进行误差修正和补偿的解算装置座舱指示、显示装置及信号输出装置2020年4月25日4时22分第7/共45数字式大气数据计算机硬件结构2020年4月25日4时22分第8/共45大气数据计算机：原始参数传感器电容式压力传感器压阻式压力传感器振膜式压力传感器总温传感器2020年4月25日4时22分第9/共45数字式大气数据计算机-----原始参数传感器（一）差动电容式压力测量原理差压为零时，输出为零；差压不为零，输出电压的幅值取决于差压的大小，相位取决于差压的正负。2020年4月25日4时22分第10/共45电容量式压力传感器将随压力变化的电容量变换成电压输出。UOUT=XPUR/XRXP，XR为被测可变电容和标准参考电容的阻抗放大器参考电压UR参考电容CR固定的3KHz激励电源UR石英膜盒CP输出电压UOUT2020年4月25日4时22分第11/共45传感器A/D转换回路传感器测得信号在放大器输入端与D/A转换器输出相减，电压差放大，经滤波解调变成直流电压，用A/D转换后送入计算机，由计算机对其积分，然后经D/A转换变成模拟量反馈回放大器输入端，直至回路达到平衡。K3解调器滤波器D/A速率符号压力传感器A1PS校正存储器UOUTUD参考电压URA/D1SN2N1N2PSN1PS’计算机2020年4月25日4时22分第12/共45数字式大气数据计算机-----原始参数传感器（二）压阻式压力传感器UOUTUR2020年4月25日4时22分第13/共45振膜式压力传感器在一定的压力范围内，在系统振动质量一定时，谐振频率仅是压力P的函数。2020年4月25日4时22分第14/共45全温探头2020年4月25日4时22分第15/共45数字式大气数据计算机-----输入接口多路转换器直流电压/数字转换V-T式A/D转换双积分式A/D转换逐次逼近式A/D转换交/直流转换原理频率/数字转换原理频率测量原理周期测量原理自整角机同步信号/数字转换电阻/数字转换多路转换器S/HA/D输入信号的传输2020年4月25日4时22分第16/共45数字式大气数据计算机-----输入接口（一）逻辑多路转换器二进制译码器ABCDS0S12020年4月25日4时22分第17/共45数字式大气数据计算机-----输入接口（二）时序型多路转换器晶体振荡器计数分频器计数器译码器时钟脉冲分路脉冲输出（b）传感器传感器传感器传输门传输门传输门综合电路脉冲分配器X1X2X3（a）2020年4月25日4时22分第18/共45数字式大气数据计算机-----输入接口（三）V/T式A/D转换锯齿波发生器信号比较器计数器标准脉冲发生器控制门零比较器开测启动开（上升沿）关（下降沿）数字量输出U入2020年4月25日4时22分第19/共45数字式大气数据计算机-----输入接口（四）双积分式A/D转换逻辑控制零比较器计数门计数器时钟译码显示积分器±UX-UR+URT1UcT’2tU’cU’xT2UcUx双积分转换波形2020年4月25日4时22分第20/共45双积分式A/D转换工作过程三个阶段：采样阶段、比较阶段、休止阶段双积分式A/D转换器的特点：对积分元件R、C及时钟脉冲的稳定性及准确低要求低对于对称的常模干扰信号，特别是工频干扰信号有很强的抑制能力测量速度慢2020年4月25日4时22分第21/共45数字式大气数据计算机-----输入接口（五）逐次逼近式A/D转换器方框图D/A转换器锁存器逐次逼近寄存器比较器INBUS0-3锁存指令250KHz启动-10VDC转换完成锁存器U入INBUS4-72020年4月25日4时22分第22/共45数字式大气数据计算机-----输入接口（六）交/直流转换原理方框图交流参考电压90°移相和过零检测采样/保持交流信号电压采样脉冲直流电压2020年4月25日4时22分第23/共45数字式大气数据计算机-----输入接口（六）频率测量原理方框图周期测量原理方框图1/M分频器计数器参考晶体振荡器关闭脉冲启动复位被测频率fRfNffMNR1/M分频器计数器参考晶体振荡器关闭脉冲启动复位被测频率fRfNRffMN2020年4月25日4时22分第24/共45数字式大气数据计算机-----输入接口（七）自整角机信号转换方框图90°移相和过零检测器SCOTT变压器采样/保持采样/保持三线400Hz交流信号cosαsinα400Hz参考电压sinV1DCcosV2DC将三相同步信号变换成传送角的正弦、余弦两相交流信号，然后再变成直流信号，再通过A/D转换成相应的数字量。2020年4月25日4时22分第25/共45角度信号的反变换利用角度的反变换，将f（）变成角，利用插值法进行函数计算。不用tg来求信号，主要是考虑到f（）函数的插值误差较小。sinαcosαsinα+cosα除法αf（α）αfcosαsinαsinαα角度信号的反转换2020年4月25日4时22分第26/共45SCOTT变压器（一）SCOTT变压器由两个变压器组成，一个M变压器，其原边线组带有中间抽头，匝数为W1，一个叫T变压器，其原边绕组匝数为。两个变压器副边绕组匝数相同，都为W2123W（a）S1R1S2S3R3R4R2W1W2W2123Wc2020年4月25日4时22分第27/共45SCOTT变压器（二）S1S2S3W1123WV42’R1R3R4R2（b）V13’c311323321221ccccccVVVVVVVVV240sin120sinsin213221uVuVuV2020年4月25日4时22分第28/共45SCOTT变压器（三）（V2cVc1）V21V3cV32V13Vc3（Vc2V1c）120°120°60°60°（c）cos23sincos2390sin60sinsin60sin23122124212212113321321u时由电压矢量关系2020年4月25日4时22分第29/共45数字式大气数据计算机-----输入接口（八）电阻/数字转换程序恒流源A/D多路转换器MUXRtV1V22020年4月25日4时22分第30/共45数字式大气数据计算机-----输出接口串行输出接口数字—直流电压转换电路数字—交流电压转换数字—自整角机转换电路2020年4月25日4时22分第31/共45大气数据计算机系统输出2020年4月25日4时22分第32/共45数字式大气数据计算机-----输出接口（一）ARINC429总线串行传输总线，以三电平状态传输信息总线电平逻辑状态+5V10V空载-5V01234…78…1213…2829303132源地址字地址不用数据位备用有效位奇偶位发出数据的设备号表示不同信息（如高度等）根据前31位码中1的总数及奇偶校验确定2020年4月25日4时22分第33/共45ARINC429接口基本原理方框图32位移位寄存器可以由4个并行输入的8个移位寄存器（或2个16位寄存器），利用8位数据总线，分4次输入到移位寄存器，然后串行逐位输出。译码器输出控制数据输入移位寄存器，D8、D9为译码器输入，Y3~Y0选通4个8位移位寄存器的并行输入，输入32位数据后，向字间隙发生器输出一个启动信号，表示输入数据已准备好，开始串行输出，32位字，加8个字间隙，每传输一个数据字，共经历40位的时间。译码器32位移位寄存器字间隙发生器差动输出电路奇/偶校验数据总线0/1D9D8D7D0Y32020年4月25日4时22分第34/共45数字式大气数据计算机-----输出接口（二）数字—直流转换电路多路转换器MUXD/A滤波器采样/保持采样/保持滤波器Vo1Von数字输入2020年4月25日4时22分第35/共45数字---交流电压转换模拟模拟模拟模拟模拟数字量模拟量ViAnA8A4A2A1运算放大器乘积模拟/数字乘法器RR/2R/4R/8R/nR/NnioutoutiniinAAANVVNRVnRVARVARVA2121//2/2020年4月25日4时22分第36/共45数字式大气数据计算机-----输出接口（三）数字—自整角机转换数字/交流转换数字/交流转换数字/交流转换接收机数字量cosθcos(θ+120°)cos(θ+240°)（a）2020年4月25日4时22分第37/共45利用SCOTT变压器实现数字/自整角机变换数字/交流转换数字/交流转换运算SCOTTcosθθ数字量sinθURcosθURsinθURUR三相同步传送至自整角机（b）2020年4月25日4时22分第38/共45数字/自整角机变换原理数字/交流转换数字/交流转换二线/三线变换数字量cos(θ-30°)cos(θ+30°)至自整角机（c）S1URcos(θ+30°)S2URcos(θ-30°)S3接收机（d）数字—自整角机转换及二线/三线变换原理2020年4月25日4时22分第39/共45数字式大气数据计算机-----微处理器硬件结构微处理器总线关系离散输出口离散输入口片选译码电路ROMRAM上电复位电路时钟总线分离器CPU（Z8002）数据总线地址总线2020年4月25日4时22分第40/共45数字式大气数据计算机-----微处理器程序结构基本组成管理程序实时的大气数据计算（或其他数学任务）程序非实时的自检和故障监控程序自检监控程序实时中断服务自检程序限值程序开中断初始化启动YN2020年4月25日4时22分第41/共45DADCARINC706原理方块图2020年4月25日4时22分第42/共45数字式大气数据计算机-----36项自检功能检查输入总温是否在规定的范围内机型程序检查检查静压传感器周期计数是否在规定范围检查静压传感器温度输出范围检查频/数转换是否完善ARINC输出端绕回检查对RAM检查对ROM检查指令检查对CPU检查攻角比较检查检查Ps=Pt（仅在地面功能检查时进行）备用VMO离散量检查EPROM读/写检查静压（或全压）锁相环检查微处理器计算功能检查2020年4月25日4时