1、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2022年1月24日14时25分第2/共45大气数据计算机系统：功能及要求大气数据计算机系统：功能及要求n功能功能测量静压、总压、总温以及参与修正作用的测量静压、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。运算，输出大量的大气数据信息。n优势优势减少大量的重复仪表和传感器减少大量的重复仪表和传感器提高大气数据的计算精度提高大气数据的计算精度扩大测量系统的功能，提高系统可靠性扩大测量系统的功能，提高系统可靠性2022年1月24日14时25分第
2、3/共45大气数据计算机系统：功能及要求大气数据计算机系统：功能及要求n对大气数据计算机系统的要求：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、监控功能和故障告应具有误差修正功能、监控功能和故障告警功能警功能应具有飞行前后的自检功能；故障诊断、应具有飞行前后的自检功能；故障诊断、故障隔离功能故障隔离功能应具有快速方便地更换部件和机器的快速应具有快速方便地更换部件和机器的快速拆装能力拆装能力2022年1月24日14时25分第4/共45基本解算关系基本解算关系n高度的解算（见前述公式
3、）高度的解算（见前述公式）n马赫数的解算（见前述公式）马赫数的解算（见前述公式）n指示空速的解算（见前述公式）指示空速的解算（见前述公式）n真空速的解算真空速的解算n大气密度的解算大气密度的解算000000 PTTPTPTPssssss得由taasaaaTMMTMkRTMaMV22 . 011728.721728.722022年1月24日14时25分第5/共45大气静温的解算大气静温的解算22221122222121222211212 . 0! 2 . 0! 210V121121 121121 astastaMTTMTTaVMkRTaVkRkTTRTkkVRTkkVRTPPkkVPkkV考虑到
4、总温探头误差且由于时，若气流受阻，即和由2022年1月24日14时25分第6/共45大气数据计算机大气数据计算机n组成组成传感器测量传感器测量l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座舱指示、显示装置及信号输出装置2022年1月24日14时25分第7/共45数字式大气数据计算机硬件结构数字式大气数据计算机硬件结构2022年1月24日14时25分第8/共45大气数据计算机：原始参数传感器大气数据计算机：原始参数传感器n电容式压力传感器电容式压力传感器n压阻式压力传感器压阻式压力传感器n振
5、膜式压力传感器振膜式压力传感器n总温传感器总温传感器2022年1月24日14时25分第9/共45数字式大气数据计算机数字式大气数据计算机-原始原始参数传感器（一）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。2022年1月24日14时25分第10/共45电容量式压力传感器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。将随压力变化的电容量变换成电压输出。UOUT=X P UR /XR X P ，XR 为为被测可变被测可变电容和标准参考电容的阻抗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3KH
6、z激励电源UR石英膜盒CP输出电压UOUT2022年1月24日14时25分第11/共45传感器传感器A/D转换回路转换回路 传感器测得信号在放大器输入端与传感器测得信号在放大器输入端与D/A转换转换器输出相减，电压差放大，经滤波解调变成器输出相减，电压差放大，经滤波解调变成直流电压，用直流电压，用A/D转换后送入计算机，由计算转换后送入计算机，由计算机对其积分，然后经机对其积分，然后经D/A转换变成模拟量反馈转换变成模拟量反馈回放大器输入端，直至回路达到平衡。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/D1
7、S N2N1N2PSN1PS计算机2022年1月24日14时25分第12/共45数字式大气数据计算机数字式大气数据计算机-原始原始参数传感器（二）参数传感器（二）压阻式压力传感器UOUTUR2022年1月24日14时25分第13/共45振膜式压力传感器振膜式压力传感器在一定的压力范围内，在系统振动质量在一定的压力范围内，在系统振动质量一定时，谐振频率仅是压力一定时，谐振频率仅是压力P的函数。的函数。2022年1月24日14时25分第14/共45全温探头全温探头2022年1月24日14时25分第15/共45数字式大气数据计算机数字式大气数据计算机-输入输入接口接口n多路转换器多路转换器n直流电压
8、直流电压/数字转换数字转换V-T式式A/D转换转换双积分式双积分式A/D转换转换逐次逼近式逐次逼近式A/D转换转换交交/直流转换原理直流转换原理n频率频率/数字转换原理数字转换原理频率测量原理频率测量原理周期测量原理周期测量原理n自整角机同步信号自整角机同步信号/数字转换数字转换n电阻电阻/数字转换数字转换多路转换器S/HA/D输入信号的传输2022年1月24日14时25分第16/共45数字式大气数据计算机数字式大气数据计算机-输入输入接口（一）接口（一）逻辑多路转逻辑多路转换器换器二进制译码器A B C D S0 S1 2022年1月24日14时25分第17/共45数字式大气数据计算机数字式
9、大气数据计算机-输入接输入接口（二）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 X1X2X32022年1月24日14时25分第18/共45数字式大气数据计算机数字式大气数据计算机-输入输入接口（三）接口（三） V/T式式A/D转换转换锯齿波发生器 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入入2022年1月24日14时25分第19/共45数字式大气数据计算机数字式大气数据计算机-输入输入接口（四）接口（四）双积分式双积分式A/D转换转换逻辑控制 零比较器 计
10、数门 计数器 时钟 译码显示 积分器UX-UR+URT1UcT2tUcUxT2UcUx双积分转换波形2022年1月24日14时25分第20/共45双积分式双积分式A/D转换转换n工作过程三个阶段：采样阶段、比较阶工作过程三个阶段：采样阶段、比较阶段、休止阶段段、休止阶段n双积分式双积分式A/D转换器的特点：转换器的特点：对积分元件对积分元件R、C及时钟脉冲的稳定性及及时钟脉冲的稳定性及准确低要求低准确低要求低对于对称的常模干扰信号，特别是工频干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扰信号有很强的抑制能力测量速度慢测量速度慢2022年1月24日14时25分第21/共45数字式
11、大气数据计算机数字式大气数据计算机-输入输入接口（五）接口（五）逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器方框图转换器方框图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入入INBUS4-72022年1月24日14时25分第22/共45数字式大气数据计算机数字式大气数据计算机-输入输入接口（六）接口（六）交交/直流转换原理方框图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2022年1月24日14时25分第23/共45数字式大气数据计算机数字式大气数据计算机-输入输入接口（六）接口（
12、六）频率测量原理方框图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ffMNR1/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RffMN2022年1月24日14时25分第24/共45数字式大气数据计算机数字式大气数据计算机-输入输入接口（七）接口（七）自整角机自整角机信号转换信号转换方框图方框图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400Hz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。2022
13、年1月24日14时25分第25/共45角度信号的反变换角度信号的反变换利用角度的反变换，将利用角度的反变换，将f（ ）变成变成 角，角，利用插值法进行函数计算。不用利用插值法进行函数计算。不用tg 来来求求 信号，主要是考虑到信号，主要是考虑到f（ ）函数的函数的插值误差较小。插值误差较小。除法 f fcoscossinsinsinsin 角度信号的反转换2022年1月24日14时25分第26/共45SCOTT 变压器（一）变压器（一）SCOTT变压器由两个变压器组成，一个变压器由两个变压器组成，一个M变压器，变压器，其原边线组带有中间抽头，匝数为其原边线组带有中间抽头，匝数为W1，一个叫一个
14、叫T变变压器，其原边绕组匝数为压器，其原边绕组匝数为 。两个变压器副边绕。两个变压器副边绕组匝数相同，都为组匝数相同，都为W2123W123W2022年1月24日14时25分第27/共45SCOTT 变压器（二）变压器（二）123W311323321221ccccccVVVVVVVVV240sin120sinsin213221uVuVuV2022年1月24日14时25分第28/共45SCOTT 变压器（三）变压器（三）cos23sincos2390sin60sin sin 60sin23122124212212113321321uWWWWVVuWWWWVVuuVuVVVccc时由电压矢量关系2
15、022年1月24日14时25分第29/共45数字式大气数据计算机数字式大气数据计算机-输入输入接口（八）接口（八）电阻电阻/数字转换程序数字转换程序恒流源 A/D 多路转换器MUX2022年1月24日14时25分第30/共45数字式大气数据计算机数字式大气数据计算机-输出输出接口接口n串行输出接口串行输出接口n数字数字直流电压转换电路直流电压转换电路n数字数字交流电压转换交流电压转换n数字数字自整角机转换电路自整角机转换电路2022年1月24日14时25分第31/共45大气数据计算机系统输出大气数据计算机系统输出2022年1月24日14时25分第32/共45数字式大气数据计算机数字式大气数据计
16、算机-输出输出接口（一）接口（一）nARINC429总线总线串行传输总线，以三电平状态传输信息串行传输总线，以三电平状态传输信息 总线电平总线电平 逻辑状态逻辑状态 +5V+5V 1 1 0V 0V 空载空载 -5V-5V 0 01 2 3 47 812 1328 29 303132源地源地址址字地字地址址不用不用数据位数据位备用备用有效位有效位 奇偶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2022年1月24日14时25分第33/共45ARINC429接口基本原理方框图接口基本原理方框图32位移位寄存器可以由位移位寄存器可以由4个并行输入的个并行输
17、入的8个移位寄存器个移位寄存器（或（或2个个16位寄存器），利用位寄存器），利用8位数据总线，分位数据总线，分4次输次输入到移位寄存器，然后串行逐位输出。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，译码器输出控制数据输入移位寄存器，、为为译译码器输入，码器输入，选通选通4个个8位移位寄存器的并行输入，位移位寄存器的并行输入，输入输入32位数据后，向字间隙发生器输出一个启动信号，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，表示输入数据已准备好，开始串行输出，32位字，加位字，加8个字间隙，每传输一个数据字，共经历个字间隙，每传输一个数据字
18、，共经历40位的时间。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2022年1月24日14时25分第34/共45数字式大气数据计算机数字式大气数据计算机-输出输出接口（二）接口（二）数字数字直流转换电路直流转换电路多路转换器MUXD/A滤波器采样/保持采样/保持滤波器数字输入2022年1月24日14时25分第35/共45数字数字-交流电压转换交流电压转换模拟模拟模拟模拟模拟数字量模拟量运算放大器乘积模拟/数字乘法器nioutoutiniinAAANVVNRVnRVARVARVA2121/2/2022年1月24日14时25分第36/共45数字式大气数据计算机数字式大
19、气数据计算机-输出输出接口（三）接口（三）数字数字自整角机转换自整角机转换数字/交流转换数字/交流转换数字/交流转换接收机数字量 2022年1月24日14时25分第37/共45利用利用SCOTT变压器实现数字变压器实现数字/自整自整角机变换角机变换数字/交流转换数字/交流转换运算SCOTT 数字量 三相同步传送至自整角机2022年1月24日14时25分第38/共45数字数字/自整角机变换原理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 至自整角机接收机数字数字自整角机转换及二线自整角机转换及二线/三线变换原理三线变换原理2022年1月24日14时25分第39/共45数字式大
20、气数据计算机数字式大气数据计算机-微处微处理器硬件结构理器硬件结构微处理器总线关系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2022年1月24日14时25分第40/共45数字式大气数据计算机数字式大气数据计算机-微处微处理器程序结构理器程序结构n基本组成基本组成管理程序管理程序实时的大气数据实时的大气数据计算（或其他数计算（或其他数学任务）程序学任务）程序非实时的自检和非实时的自检和故障监控程序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YN2022年1月24日14时25分第41/共45DA
21、DC ARINC706原理方块图原理方块图 2022年1月24日14时25分第42/共45数字式大气数据计算机数字式大气数据计算机-36项项自检功能自检功能检查输入总温是否在规检查输入总温是否在规定的范围内定的范围内机型程序检查机型程序检查检查静压传感器周期计检查静压传感器周期计数是否在规定范围数是否在规定范围检查静压传感器温度输检查静压传感器温度输出范围出范围检查频检查频/数转换是否完数转换是否完善善ARINC输出端绕回检查输出端绕回检查对对RAM检查检查对对ROM检查检查 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/
22、写检查 静压（或全压）锁相环检查 微处理器计算功能检查2022年1月24日14时25分第43/共45CPU 监控方案一监控方案一CPU定期向定期向B端发出负脉冲，若端发出负脉冲，若CPU工工作正常，单稳态触发器始终处于暂稳态，作正常，单稳态触发器始终处于暂稳态，输出高电平。输出高电平。 单稳态B 触发器来自CPUQ正常不正常2022年1月24日14时25分第44/共45CPU 监控方案二监控方案二 CPU每秒发出负脉冲信号，使计数器清零。每秒发出负脉冲信号，使计数器清零。若若CPU不能按时发出清计数器信号，计数器不能按时发出清计数器信号，计数器一直计数，当一直计数，当1.25秒后，秒后， CP
23、U仍不能发出清仍不能发出清计数器信号，计数器信号，WATCHDOG TIMER 为为1，控，控制制CPU清计数器，若仍不能复位，清计数器，若仍不能复位，FAILURE为为1，表示故障。，表示故障。WATCHDOG TIMER 计数器来自CPU40Hz时钟FAILURE译码器OSCCLRCLR2022年1月24日14时25分第45/共45大气数据系统大气数据系统n1.大气数据计算机的功能是什么？大气数据计算机的功能是什么？n2.采用大气数据计算机有什么优点？采用大气数据计算机有什么优点？n3.对大气数据计算机的基本要求是什么？对大气数据计算机的基本要求是什么？n4.简述大气数据计算机的基本组成。简述大气数据计算机的基本组成。n5.大气数据计算机有哪些原始数据传感器？大气数据计算机有哪些原始数据传感器？n6.大气数据计算机有哪些输入输出接口？大气数据计算机有哪些输入输出接口？n7.理解典型的大气数据计算机主程序框图。理解典型的大气数据计算机主程序框图。
