基于無線電高度表的音響告警信號測試

引 言

近年來，隨著人類交通業(yè)不斷前進以及相關(guān)技術(shù)的支持， 中國民用航空得到了快速發(fā)展，已成為人們出行方式中不可或缺的一種。當(dāng)飛行器的飛行高度低于預(yù)置高度時，無線電高度表音響會發(fā)出告警信號，提醒飛行員提高警惕，注意飛行高度。因此音響告警信號的品質(zhì)尤為重要，其各項指標(biāo)決定了能否在第一時間引起飛行員的注意，音響告警信號的測試方法及指標(biāo)的準(zhǔn)確度重要性不言而喻 [1]。以往的音響告警信號測試采用示波器結(jié)合人工秒表的方式實現(xiàn)，操作繁瑣且存在因人工操作產(chǎn)生的誤差。為此，在制作專用試驗器時提出了自動、單次測試的要求，避免人工操作產(chǎn)生的誤差對結(jié)果造成影響[2]。

1 對音響告警信號的性能要求及高度表實現(xiàn)電路

主機廠根據(jù)某型飛機的實際使用需求，對音響告警信號提出如下性能要求：

（1）電壓范圍為 4 ～7 V；

（2）頻率范圍為（600 200）Hz ；

（3）持續(xù)時間為 3 ～7 s。

針對主機提出的音響告警信號要求，在設(shè)計無線電高度表音響告警信號時采用了電容放電方式作為時間基準(zhǔn)，頻率發(fā)生器采用成熟的LM555 搭配典型電路設(shè)計。電路原理如圖 1 所示。

2 測試方法思考

2.1 音響告警信號的分析

通過LM555 時基電路產(chǎn)生的音響告警信號為交流方波信號，其最大有效值為 7 V，方波的峰值電壓范圍在 14 V 內(nèi)。根據(jù)電路及實際應(yīng)用情況可知，方波正半周電壓值大于負(fù)半周電壓值，設(shè)計測量采集 14 V 范圍內(nèi)的電壓，以正半周為主；

理論頻率值為 623 Hz，設(shè)計測量范圍為 0.0 ～999.9 Hz ；理論時間為 4 s，設(shè)計測量范圍為 0.0 ～9.9 s。所有項目的測量誤差應(yīng)小于10%。音響告警信號波形示意如圖 2 所示。

2.2 實現(xiàn)方法理論分析

通過對音響告警信號的分析，峰值電壓的采集方式采用12 位 A/D 差分電路測量 14 V 范圍內(nèi)的電壓值，采集電壓的理論分辨率為：

V =（+14－（－14））/212=0.006 8 V

考慮到電路特性及環(huán)境干擾，即使增大一個誤差數(shù)量級，

其實際采樣分辨率 VC<0.1 V，依舊能夠滿足測試精度的要求，因此可采用周期除以時間的方式測試頻率。音響告警信號??可能存在分布不均勻的情況，故采用多周期采集、取平均值的方式計算，以提高測量精度。音響告警信號周期采集采用方波邊沿觸發(fā)中斷方式，以確保實現(xiàn)方法的可靠性及響應(yīng)的及時性。周期信號采集選擇定時器方式，采用最小指令周期為1μs 的單片機定時器，其最大定時器周期為 65 ms。當(dāng)頻率為999.9 Hz 時，邊沿觸發(fā)時間間隔為 500 μs，信號周期為1 ms， 因此C8051F 系列單片機可滿足測試精度要求。

響應(yīng)時間的測試方法采用當(dāng)前方波周期個數(shù)乘以頻率的方式，通過計算即可得到當(dāng)前方波所用時間。

3 實現(xiàn)方法設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

3.1.1 電壓采集電路設(shè)計

考慮到音響告警信號的電壓范圍為 14V，而文中采用的A/D芯片達(dá)不到該信號的測量范圍要求，所以對電壓信號做分壓處理。分壓電阻采用擁有 1精度的金屬模電阻，將10kΩ 電阻串聯(lián)進行分壓（分壓作預(yù)留，用于滿足測試的兼容性，最大測量范圍為 20 V），使分壓后的電壓在 10 V 范圍內(nèi)，便于信號采集。

3.1.2 降壓與比較處理

為采集音響告警信號的周期信號，對信號進行降壓處理。經(jīng)比較處理（因電壓值正半周大于負(fù)半周，所以比較電壓采用+3.3 V）使輸出的信號能夠滿足中斷邊沿觸發(fā)條件及電平范圍。

有效電壓計算流程如圖 3 所示。

3.2 軟件設(shè)計

3.2.1 有效電壓計算軟件設(shè)計

音響告警信號為占空比 50% 的方波信號，根據(jù)功率等效方法計算有效電壓。

當(dāng)方波信號邊沿觸發(fā)中斷時，適當(dāng)延時后通過 A/D 采集 音響告警信號電壓值，并逐個比較，將正半周最大值和負(fù)半周 最小值分別保存在相應(yīng)寄存器中。將采集到的數(shù)據(jù)按上述公 式進行計算（公式中的電壓值為絕對值）。

程序流程如圖 4 所示。

3.2.2 頻率信號采集軟件設(shè)計

頻率信號的采集采用周期除以時間的方式進行。文中采 用多周期采集取平均值的方式計算，通過中斷方式采集電平邊 沿（兩次上升沿之間即為方波的一個周期）觸發(fā)個數(shù)（設(shè)定為 30 個），在邊沿觸發(fā)中斷中啟動定時器，當(dāng)采集到 30 個信號 時關(guān)閉定時器，并將采集時間保存到寄存器中。頻率計算公式 如下：

3.2.3 時間長度采集軟件設(shè)計

因響應(yīng)時間無法確定，因此無法通過硬件或軟件等方式 得到具體時間。但可采用累計方式確定，即通過邊沿觸發(fā)中斷 得到的方波周期個數(shù)除以得到的頻率值計算得到當(dāng)前方波周 期，直到最后一個邊沿觸發(fā)中斷結(jié)束，計數(shù)不再改變，得到 的總時間即為響應(yīng)時間。計算公式為：

響應(yīng)時間計算流程如圖 6 所示。

3.3 容錯設(shè)計

音響告警信號可能出現(xiàn)不告警、指標(biāo)超限及誤差較大等現(xiàn)象，針對可能出現(xiàn)的情況進行軟/ 硬件容錯設(shè)計。

針對電壓可能出現(xiàn)的超過預(yù)期值的范圍，在電路硬件設(shè)計時對輸入電壓進行分壓、降壓處理，兼容電壓范圍為 20V。在無線電高度表電路設(shè)計中采用 15V電源，做 20V電壓預(yù)留以滿足測試要求。軟件采集的信號通過分壓-倍乘的方式還原為實際電壓并在試驗器音響告警信號測試顯示界面顯示。

頻率信號可能出現(xiàn)無輸出及頻率范圍過大等現(xiàn)象。測試開始后，通過軟件對無中斷觸發(fā)設(shè)置 0.5s等待時間，無信號輸入0.5s后便不再等待，通過顯示屏顯示測試結(jié)果。無線電高度表試驗器音響告警信號測試顯示界面如圖 7所示。

當(dāng)頻率值超過顯示上限值 999.9 Hz 時，通過軟件解算程序進行超限控制，不再解算超出上限的頻率值，將超限的頻率值顯示為超限標(biāo)識 Hz ，如圖 8 所示。

響應(yīng)時間也存在無輸出及頻率范圍過大等現(xiàn)象，同頻率值無輸出及超限顯示。當(dāng)無信號輸入時，現(xiàn)象如圖7所示。當(dāng)響應(yīng)時間超過顯示上限值9.9s時，通過軟件解算程序進行容錯控制，不再解算超上限時間值，將頻率值顯示為超限標(biāo)識s，如圖8所示。

4 實現(xiàn)方法的計量及應(yīng)用

4.1 實現(xiàn)方法的計量

為驗證測試方法的可行性及準(zhǔn)確性，采用標(biāo)準(zhǔn)源、多組數(shù)據(jù)、多種狀態(tài)輸入方式進行驗證。信號源采用校驗合格的波形發(fā)生器，選取的數(shù)據(jù)范圍為輸入可能出現(xiàn)的任意值，進行了多次測試。多組數(shù)據(jù)、多種狀態(tài)輸入數(shù)據(jù)及測試結(jié)果見表 1 所列。

通過表 1中的測試數(shù)據(jù)可知，音響告警信號的測試方法能夠完成自動，可單次測量電壓有效值、頻率值及響應(yīng)時間。測試數(shù)據(jù)電壓誤差范圍在 2.5% 以內(nèi)，頻率誤差范圍在 0.25%以內(nèi)，響應(yīng)時間的誤差范圍在 3.3% 以內(nèi)。在音響告警信號正常范圍內(nèi)，能夠滿足測試誤差小于 10% 的要求。測試結(jié)果滿足預(yù)期音響告警信號測試的設(shè)計指標(biāo)要求，包括有效范圍內(nèi)的測試數(shù)據(jù)、無信號及超限時的測試結(jié)果。

4.2 實現(xiàn)方法的實際應(yīng)用

將此方案引入某型無線電高度表試驗器設(shè)計中，對試驗器進行硬件及軟件設(shè)計。將該方法應(yīng)用于高度表產(chǎn)品的交檢及外場排故過程中進行測試，發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果完全能夠滿足要求。測試結(jié)果如圖 9 所示。

5 結(jié) 語

為實現(xiàn)針對音響告警信號電壓、頻率、時間的自動、單次測試，從對音響告警信號特性、測試方法的分析，到實現(xiàn)方法的原理及實際硬/ 軟件設(shè)計，再到后期的指標(biāo)計量及實際情況的應(yīng)用，證明此測試方法能夠滿足高度表的音響告警信號輸出特性及指標(biāo)要求。通過對無線電高度表試驗器進行實際應(yīng)用，減少了人工測試音響告警信號的時間與人工操作的誤差，可為后續(xù)試驗器設(shè)計音響告警信號測試電路提供參考。