嵌入式电子飞行仪表系统(一)

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1、2002年全国大学生电子设计竞赛——嵌入式系统专题竞赛(Intel杯)一等奖嵌入式电子飞行仪表系统（一）——飞行数据采集系统软硬件设计北京航空航天大学电子信息工程学院何岷徐广毅张展在对飞机进行飞行控制的过程中，飞行员要及时了解飞机的各种飞行参数，以确保对飞机安全准确的进行操纵，如果是编队飞行，本机的飞行员还需要及时了解友机的部分飞行参数。因此，一套完整的EFIS系统，除了包含能够给飞行员提供直观与完备的可视化界面的电子综合显示系统之外，还必须包括对传感器进行数据采集和预处理的飞行数据采集系统。数据采集系统可以实时收集本机和友机的飞行数据，并且将其按一定的数

2、据格式传送给电子综合显示系统和机队中的母机，数据的传输将在“数据通讯”中详细介绍，这里仅仅考虑数据的收集问题。由于EFIS系统是针对某型号的飞机设计的，所以其数据采集系统必然在软硬件上具有专用特性，而考虑到降低成本和提高EFIS系统的可扩展性，我们又必须在设计其软硬件的时候使其在一定范围内具有通用特性。第一部分性能指标设计数据采集系统的第一步是确定系统的性能指标，为了能够给电子综合显示系统和母机实时提供所需的飞行数据，在这里我们根据EFIS系统的要求并且参考了有关飞行参数的资料后，确定了数据采集系统需要达到一定的技术指标。一、系统的容量和精确度据系统设计要求

3、，采集系统至少能够将本机的19种飞行参数和4架友机的4种飞机参数转换成计算机能处理的标准数字信号，并且达到规定的范围和精确度指标。这些飞行参数如表一所示。友机的４种飞行参数是：北向位置、东向位置、地速和密度高度，指标与本机飞行参数相同。这些参数包含了M-18飞机的主要飞行参数和仪表显示，可以满足飞机安全飞行和飞机编队间互相通讯的基本要求。在条件允许的情况下，我们还可以增加其他的飞行参数，但这会使系统更复杂，所以在这里暂时不考虑。二、系统的响应时间（实时性）各个数据的采集刷新速率不小于15次/秒，远大于飞机姿态变化的最快频率。这样才可以保证采集系统能完整、准确

4、的捕捉到飞机的姿态变化，并向显示系统提供实时的数据，以确保飞行员及时了解飞机飞行的各种参数，这是保证整个系统的实时性的关键所在。由于数据量很大，所以采集系统的负担很重，在设计上有一定的难度。当然对于一些刷新速率较慢的数据源，比如GPS提供的位置和速度信息，可以适当降低数据提取的速度（4次/秒），这样可以避免不必要的浪费，减轻系统的负担。三、其它要求采集系统必须在结构上有很强的扩展性和适应性，使得该系统能够适用于不同的机种和各机种飞行参数的数量和信号格式有所不同的要求。飞机编队的号码为1-5，每一架飞机的编号都可以通过修改软件自由设定。第二部分总体设计一、对飞

5、行参数数据源的分析EFIS系统显示的所有数据都来源于飞机的传感器,飞行传感器的输出信号是多样化的，在信号格式、范围和精确度上都有很大的差异。要准确、快速的完成飞行数据的采集，同时提高采集系统的通用性，有必要将这些信号转换成一种标准的信号格式，同时选择合适的数字采集精确度。为此我们查阅有关资料，了解了上述飞机参数的常用测量方法和传感器的输出信号，进行了以下的分析。飞机传感器的输出信号的格式很多，有电压、电流、电容等模拟信号，还有频率信号、数字信号、字符串信号，它们当中的模拟信号、频率信号可以很容易的转换成标准电压信号，再由A/D转换器转换成标准数字信号，而数字

6、信号和字符串则可以直接转换成标准数字信号。由于飞机上大多数传感器直接输出的都是模拟信号，把模拟信号先转换成电压信号再进行数字化有很多优点。首先电压型A/D转换具有转换速度快，分辨率高和精确度高等特点，可以满足EFIS系统对于实时性的要求；其次由于统一了信号的格式，符合模块化结构设计的要求，这样大大简化了数据采集系统的难度，有利于提高系统的稳定性和可扩展性。因此我们规定，输入数据采集系统的模拟信号为标准模拟信号，即通过信号调理器，将传感器输出的模拟信号线性的调整为介于-5V到+5V之间的模拟电压信号，按照左对齐的习惯，传感器的最小和最大输出测量范围分别被调整为

7、-5V和+5V的电压，其余信号输出按此比例线性折算。例如，密度高度信号是通过气压式高度表测量得到的，测量范围是0---20000米，那么我们规定当高度是0米时，信号调理器的输出是-5V，当高度为20000米时，输出+5V，当高度为10000米时，输出0V，以此类推。模拟量之间的转换必须根据不同的传感器的型号和输出信号的格式而确定，而且在技术上比较成熟（可以很容易的由模拟电路或摸数混合电路得到），考虑到本系统的广泛适应性和可扩展性，我们没有将它纳入数据采集系统的范围，而是专门将其作为采集系统的一个下游模块。这样我们就可以将主要精力集中在解决数据的快速采集、处理

8、、内部传输和存储上。为了满足指标的精确度要求，我们选