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(jìn)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(shí)，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(xiàng)指標(biāo)決定了能否在第一時(shí)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(shí)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(yàn)器時(shí)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(shí)現(xiàn)電路

主機(jī)廠根據(jù)某型飛機(jī)的實(shí)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(shí)間為 3 ～7 s。

針對主機(jī)提出的音響告警信號要求，在設(shè)計(jì)無線電高度表音響告警信號時(shí)采用了電容放電方式作為時(shí)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(jì)。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(shí)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(shí)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(jì)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(jì)測量范圍為 0.0 ～999.9 Hz ；理論時(shí)間為 4 s，設(shè)計(jì)測量范圍為 0.0 ～9.9 s。所有項(xiàng)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(shí)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(gè)誤差數(shù)量級，

其實(shí)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(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)方法的可靠性及響應(yīng)的及時(shí)性。周期信號采集選擇定時(shí)器方式，采用最小指令周期為1μs 的單片機(jī)定時(shí)器，其最大定時(shí)器周期為 65 ms。當(dāng)頻率為999.9 Hz 時(shí)，邊沿觸發(fā)時(shí)間間隔為 500 μs，信號周期為1 ms， 因此C8051F 系列單片機(jī)可滿足測試精度要求。

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

3 實(shí)現(xiàn)方法設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 電壓采集電路設(shè)計(jì)

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(jìn)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(jìn)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(jì)算流程如圖 3 所示。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 有效電壓計(jì)算軟件設(shè)計(jì)

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(jì)算有效電壓。

當(dāng)方波信號邊沿觸發(fā)中斷時(shí)，適當(dāng)延時(shí)后通過 A/D 采集 音響告警信號電壓值，并逐個(gè)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(jìn)行計(jì)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(jì)

頻率信號的采集采用周期除以時(shí)間的方式進(jìn)行。文中采 用多周期采集取平均值的方式計(jì)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(gè)周期）觸發(fā)個(gè)數(shù)（設(shè)定為 30 個(gè)），在邊沿觸發(fā)中斷中啟動定時(shí)器，當(dāng)采集到 30 個(gè)信號 時(shí)關(guān)閉定時(shí)器，并將采集時(shí)間保存到寄存器中。頻率計(jì)算公式 如下：

3.2.3 時(shí)間長度采集軟件設(shè)計(jì)

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

響應(yīng)時(shí)間計(jì)算流程如圖 6 所示。

3.3 容錯設(shè)計(jì)

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(jìn)行軟/ 硬件容錯設(shè)計(jì)。

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(jì)時(shí)對輸入電壓進(jìn)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(jì)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(shí)際電壓并在試驗(yàn)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(shí)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(yàn)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(shí)，通過軟件解算程序進(jìn)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(shí)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(shí)，現(xiàn)象如圖7所示。當(dāng)響應(yīng)時(shí)間超過顯示上限值9.9s時(shí)，通過軟件解算程序進(jìn)行容錯控制，不再解算超上限時(shí)間值，將頻率值顯示為超限標(biāo)識s，如圖8所示。

4 實(shí)現(xiàn)方法的計(jì)量及應(yīng)用

4.1 實(shí)現(xiàn)方法的計(jì)量

為驗(yàn)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(jìn)行驗(yàn)證。信號源采用校驗(yàn)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(jìn)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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)的測試結(jié)果。

4.2 實(shí)現(xiàn)方法的實(shí)際應(yīng)用

將此方案引入某型無線電高度表試驗(yàn)器設(shè)計(jì)中，對試驗(yàn)器進(jìn)行硬件及軟件設(shè)計(jì)。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(jìn)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(shí)現(xiàn)針對音響告警信號電壓、頻率、時(shí)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(shí)現(xiàn)方法的原理及實(shí)際硬/ 軟件設(shè)計(jì)，再到后期的指標(biāo)計(jì)量及實(shí)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(yàn)器進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，減少了人工測試音響告警信號的時(shí)間與人工操作的誤差，可為后續(xù)試驗(yàn)器設(shè)計(jì)音響告警信號測試電路提供參考。