（机械电子工程专业论文）机载通信站天线分系统故障检测系统的研制.pdf

摘要 本论文主要论述了机载卫星通信站天线分系统故障检测系统的研制过程。此 故障检测系统是基于p c 1 0 4 嵌入式系统，在w i n d o w s9 8 操作系统下，以v c + + 6 0 为工具，开发的一套故障检测系统。通过对天线分系统各个模块的数据采集，来 诊断天线分系统的工作状态。其关键技术包括n i p 信号产生，r s 一4 2 2 串口通信， 控制系统各模块数据采集和处理，机载天线驻波比及收发信号衰减测量等。 该产品已研制成功，当天线分系统出现故障时，通过该检测设备能快速、准 确诊断出故障所在。 同时，还探讨了智能测试系统的实时多任务处理，采用在r t l i n u x 操作系统 下，进行多任务实时检测。主要内容包括实时操作系统、实时系统下的模数转换、 实时系统下的多任务以及多任务间的通信的叙述。 关键词：机载天线分系统故障检测系统数据采集实时多任务处理 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yd e a l sw i t ht h er e s e a r c hp r o c e s so faf a u l td e t e c t i o ns y s t e mo ft h e a n t e n n as y s t e mo fs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o nc a r r i e di n p l a n e t h eh a r d w a r e o ft h ef a u l t d e t e c t i o ns y s t e mi sp c 7 1 0 4e m b e d d e dc o m p u t e rs y s t e m t h es o f t w a r ei sd e v e l o p e dw i t ht h eh e l po f v c + + 6 0 o p e r a t i n gs y s t e mi s w i n d o w s9 8 t h e s y s t e mc h e c k st h ew o r k i n gs t a t e o ft h e a n t e n n as y s t e mt h r o u g ht h ed a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gf r o me a c hm o d u l e t h ek e y t e c h n i q u e i n c l u d en i ps i g n a l s g e n e r a t i o n ，s e r i a lp o r t 4 2 2c o m m u n i c a t i o n ，c o n t r o l s y s t e md a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g , s t a t i o n a r yw a v e r a t i oo fa n t e n n a ，s e n d i n ga n d r e c e i v i n gs i g n a l sa t t e n u a t i o no f a n t e n n aa n ds oo n t h ed e v i c eh a sb e e ns u c c e s s f u l l yd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d w h e nt h ea n t e n n a s y s t e mo fs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o nc a r r i e di np l a n ew o r k si n c o r r e c t l y , t h ef a u l tc a nb e f o u n do u tb yt h ef a u l td e t e c t i o ns y s t e mq u i c k l ya n d a c c u r a t e l y a tt h es a m et i m e ，t h i s p a p e ra l s o d i s c u s s e st h e i n t e l l i g e n tm e a s u r i n gs y s t e m s r e a l - t i m e m u l t i p r o c e s s i n g w i t ht h eh e l p o fr t - l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，r e a l - t i m e s y s t e mp r o c e s sm u l t i p l et a s k s t h ek e yq u e s t i o n si n c l u d er e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ， a n a l o g t o - d i g i t a lc o n v e r s i o ni n r e a l t i m es y s t e m ，m u l t i p r o c e s s i n gi n r e a l - t i m es y s t e m a n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n m u l t i p l et a s k s k e y w o r d ：t h e a n t e n n a s y s t e m c a r r i e di np l a n ef a u l td e t e c t i o ns y s t e m d a t a a c q u i s i t i o n r e a l - t i m em u l t i p r o c e s s i n g 声明 创新性声明 y 5 8 3 6 8 6 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切责任。 本人签名：芝建= 公_ j _ - 二 r 期：训叫、1 8 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定。即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名：主盅盏： 导师签名：另舶荆 日期： 加。叶塞 日期：oi f 矿 第一章绪论 第一章绪论 1 1 卫星通信移动站天线跟踪系统概述 当今时代是信息时代，通信事业的高度发展是其重要标志之一，而移动卫星 通信必将会越来越普遍。在许多移动卫星通信系统中所使用的天线是定向性天线， 此时要求天线在其载体的移动过程中始终对准同步通信卫星，因此必须具有跟踪 伺服系统。 常用的跟踪方案有相位扫描、电子开关扫描、机械跟踪扫描三种。相位扫描 天线系统增益高、波束扫描速度快，但技术难度大、结构复杂、造价高昂、天线 单元多、体积庞大。电子开关扫描天线系统的结构相对简单，但仍需多个天线单 元，且其波束在扫描过程中具有不连续性。目前许多卫星通信移动站天线系统采 用机械跟踪体制。 机载天线系统用于飞机飞行过程中，保证卫星通信系统正常可靠工作，即具 有“动中通”的功能。某机载通信站天线分系统由天线和天线跟踪系统组成。天 线跟踪系统是机载站通信系统中的关键部分之一。 该跟踪系统的技术要求如下： 对于天线指向的改变，具有人工操作和自动控制功能； 最大跟踪速度 4 0 。s ； 跟踪范围，方位：3 6 0 。； 跟踪精度：2 。 根据这一技术要求，同时考虑到天线是在飞机上的有限空间安装使用，选择 了具有机械跟踪方式的天线分系统方案。目前，该系统已研制成功，投入了实际 使用。 1 2 机载通信站天线分系统地面检测设备概述 当该机载站天线系统要投入实际应用时，用户提出了研制地面检测设各的任 务。其功能是当为机载通信战天线分系统进行例行检修时，通过该地面检测设备， 对天线分系统各个部件进行快速检测和故障诊断，达到迅速排除天线分系统故障 的目的。 主要指标和要求2 1 如下： 机载通信站天线分系统故障检测系统的研制 1 产生检测天控器时所需要的模拟信号。 2 产生检测天线头时所需要的频率分别为3 4 7 5 m h z 和3 9 2 5 m h z 、强度 为2 0 d b m 的射频信号。 3 对天线头的反射和接收信号进行处理和检测，判断天线头的好坏。 4 对天控器的电源电路模块、信号处理电路模块等进行检测，判断其好 坏。 5 对天线的伺服转台进行检测，判断其好坏。 6 采用p c 1 0 4 嵌入式微机系统，通过检测接口电路模块对检测系统的各 个部分进行控制。 1 3 论文内容简介 根据前面所述故障检测设备的技术要求，作者主持开发了该机载站天线分系统 地面故障检测系统。本论文即是本文作者对该系统开发过程的设计和分析的总结。 本文首先分析了该机载站天线跟踪系统。该跟踪系统由电源、跟踪控制系统、 天线转台等部分构成。电源为2 4 v 直流供电，跟踪控制箱内包括电源变换电路板、 传感器信号处理电路板、控制电路板等。 本文接着主要叙述了机载站天线分系统地面检测设备的研发过程，另外，对智 能测试系统的实时多任务处理问题进行了探讨。 本文的主要内容如下： 1 分析待检测天线跟踪伺服系统，包括控制系统的软硬件。 2 检测方案叙述，系统配置及其功能分析。 3 故障检测中的关键技术的研究。包括n i p 信号的产生和串行通信，旋转变 压器信号的采集处理，机载天线驻波比及收发信号衰减测量，传感器信号处理电 路板数据的采集等。 4 对智能测试系统的实时多任务处理问题的研究探讨。 第二章机裁站天线分系统的分析 第二章机载站天线分系统的分析 2 1 系统总体分析 机载通信站天线分系统包括天线和天线跟踪系统机栽天线跟踪系统包括天线 伺服转台和天线跟踪控制箱天线伺服转台具有一维扫描功能，方位3 6 0 0 范围内任 意旋转而天线跟踪控制箱主要包括信号处理模块控制模块功放电路模块和电源电 路模块飞机自带惯导器件为控制系统提供n i p 信号，该信号包括卫星所处的位置 飞机所处的经纬度姿态角等信号；该n i p 信号经控制箱中的信号处理模块进行解 码，计算出天线伺服转台应转向的角度，并与天线转台的实际角度进行比较，得 到角度误差信号，并通过放大电路，将误差信号送到天线转台的驱动电机，改变 天线的指向，直到天线指向卫星，此时误差信号为零，天线停止转动。1 1 1 系统组成框图如下 图2 1 天线分系统组成框图 2 2 控制系统的分析 控制系统的功能由上述天线跟踪系统来完成主要是将传感器信号处理模块计 算出的角度与天线转台的实际角度进行比较，得到角度误差信号，并通过放大电 路，将误差信号送到天线转台的驱动电机，改变天线的指向，直到天线指向卫星。 4 机载通信站大线分系统故障检测系统的研湘 方位位置反馈 + l 一一 天线指 谏摩蜃储 大 向误差 上 线 检测系 装 统 一伺服放大系统l 一方位变速驱动机构l 斗 置 图2 2 转台控制系统原理框幽 控制系统的原理框图如图2 2 所示图中天线转台将天线指向位置方位角反馈 到天线指向误差检测系统，与目标信号相减得到误差信号，经过功率放大系统驱 动相应的执行机构，直到误差信号为零，此时天线指向达到目标要求系统中采用 了速度负反馈补偿，反馈信号送到功放系统，包含在位置主反馈回路内，可提高 系统的抗干扰能力。 天线跟踪控制箱中的控制模块主要由8 0 3 1 单片机系统来完成，其原理图如图 2 3 所示。 跟踪目 标角度 天线位 置角度 图2 3 控制模块框图 模拟误 差信号 控制模块主要作用是：8 0 3 1 将跟踪目标角度与天线位置角度相减，得到数字 误差信号，再通过d a 变换变成一个模拟误差信号天线位置角度信号由天线转台 装置中旋转变压器检测，并通过相应的解码电路处理后得到跟踪目标角度由传感 器系统提供。 功率放大系统主要由大功率放大器器件组成，它将模拟误差信号放大，为伺 服电机提供足够大的驱动功率。 第二章机载站天线分系统故障捡测系统的研制 第三章机载站天线分系统故障检测系统的研制 3 1检测方案 当机载卫星通信系统的天线分系统( 包括伺服系统、天线系统) 出现故障， 或对天线分系统进行例行检修时，需要一个检测设备，对天线分系统各个部件进 行快速检测和故障诊断，达到迅速排除天线分系统故障的目的。为此，开发了本 文所述的故障检测系统。 检测设备原理如图3 1 所示； 图3 1 检测设备原理框图 为了充分检测天线系统的故障，经过反复对原系统进行分析和对有关技术问 题进行调研，最终采用了以下实施方案。 3 1 1 对天线头的检测 检测天线头的驻波比，可得到天线对输入信号的反射程度。微机系统控制收 发转换开关，使待测天线处于发射状态。发射模块产生2 0 d b m 的射频信号送到天 线头，有一部分射频信号被天线头反射回来。发射模块对发射信号和反射信号进 行处理，得到与其强度相对应的直流电压信号。这两个直流电压信号通过检测接 口变成数字信号v 1 ( 发射信号) 和v 2 ( 反射信号) ，微机系统通过这两个信号迸 行适当的处理就可以得到天线头的电压驻波比。若电压驻波比小于2 ，则表明天线 头对射频信号的反射符合要求。否则，表明天线头有故障。 机载通信站天线分系统故障检测系统的研制 检测天线头接收和发射信号的强度，可得到天线头对信号的衰减程度。将待 测天线头与辅助天线等高相对放黄，其间距合适。微机系统控制收发转换开关， 使天线头分别处于接收或发射状态，相应地使辅助天线处于发射或接收状态。发 射模块产生2 0 d b m 的射频信号送到处于发射状态的天线，处于接收状态的天线将 接收到的射频信号送到接收模块。接收模块将其进行处理，得到与其强度成f 比 的直流电压信号。检测接口电路将信号变成数字信号v 3 ( 接收信号) 送到微机系 统。微机系统通过对v 1 和v 3 进行对比，就可以得到天线头对射频信号的衰减程 度。如果衰减值处在规定的范围内，表明天线头的收发功能正常。否则，表明天 线头有故障。 若衰减值处在规定的范围内，表明天线头的收发功能正常。否则，表明天线 头有故障。 3 1 2 对天线跟踪控制器各个电路模块的检测 1 对电源电路模块的检测 电源电路模块产生三个直流电压信号+ 5v ，1 5v ，交流2 6 v 。直接将这三 个直流电压信号送到检测接口电路进行a d 变换，微机系统对得到的结果进行比 较，就可以判断电源电路模块的好坏。 2 对传感器信号处理电路模块的检测 首先微机检测系统需模拟产生特定的n i p 信号，该信号通过串口以r s 4 2 2 电 平信号形式送到传感器信号处理电路模块。传感器信号处理电路模块收到该信号 后，结合卫星经度信息进行处理，可以得到天线应跟踪指向的目标角度。该目标 角度以1 2 位数字信号形式传给控制电路。为了检测传感器信号处理模块工作是否 正常，微机检测系统同时又通过检测接口电路读取该数据。并将该角度与预设的目 标角度进行比较。如两者一致，表明传感器信号处理电路模块工作正常。否则， 表明传感器信号处理电路模块有故障。 3 转台的检测 微机系统通过模拟一个对应天线目标角度的n i p 信号送入传感器信号处理模 块，此时，转台应该以一定的转速转动。微机系统通过检测接口电路模块检测转 台转动停止后的角度，如果和所要求的天线目标角度相等，则表明转台工作正常。 否则，表明转台有故障。 3 2系统配置 考虑到携带方便，现场应用等现状，同时参考用户需求，最终选用嵌入式系统 作为开发平台。经协商选用p c 1 0 4 嵌入式微机系统，接个系统硬件由p c 1 0 4 主 第= 章机载站天线分系统故障检测系统的研制 机、5 7 ”彩色液晶显示屏、容量为5 1 2 m 的电子盘、容量为1 2 8 m 的内存、p c 1 0 4 系统供电的电源，a d p 一8 0 0a d 采集模块和a k w - 1 4 8 g4 8 路d i d 0 模块组成。操 作系统为w i n d o w s9 8 ，软件开发环境为v c + + 6 0 。下面对硬件叙述如下。 3 2 1c p u 及主板 嵌入式主板选用研华公司的p c m 3 3 5 0 【3 j ，c p u 模块带v g k d l c d ， e t h e r n e t & s s d ；低功耗g x l - - 3 0 0 m h zc p u ；l o l o o m b p s 以太网1 8 位l c d ：支 持c o m p a c t f l a s h ；操作温度o 6 0 度，无需风扇。 3 2 2a d 采集模块 1 a d p 8 0 0a d 采集模块简介 4 1 a d p 一8 0 0 模块化中速模拟输入模块可与i b mp c 兼容的p c 1 0 4c p u 模块构 成一个高性能的数据采集与控制系统。 结构紧凑，适于嵌入式与便携式应用的a d p 8 0 0 模块的特点是： 1 6 个单端模拟输入通道 1 2 位，5 0 k a d 变换器 + 一5 v ，+ 一l o v 或0 1 0 v 模拟输入量程 可用电阻配置增益 2 4 通道基于1 t r l c m o s8 2 5 5 芯片的可编程数字量y o 三个独立的1 6 位，8 m h z 定时器计数器( 或5 m h z ) ( 1 ) a d 变换 a d 变换线路可接收最多十六个通道的单端模拟输入，并将这些输入变换成1 2 位的数据，然后可读出传送到p c 的存储器中。 模拟输入电压的量程可由跳线器选择为双极性的+ 一5 v ，+ 一1 0 v ，或者单极性 的o 一1 0 v 。出厂时设置为+ - 5 v 。在输入端还提供了+ - 3 5 v 的过压保护。a d 变换 是由一个1 2 位的逐次逼近式的变换器来完成的。高性能的变换器以及在其前的高 速采样保持放大器保证能将动态输入电压精确地数字化。1 2 位变换的分辨率是 2 4 4 1 4 毫伏，吞吐量是每秒4 0 0 0 0 个样本。 通过p c 数据总线变换好的数据可读出或传送到p c 存储器中，每次一个字节。 ( 2 ) 8 2 5 4 定时计数器 一个8 2 5 4 可编程的定时器包含三个1 6 位、8 m h ( 或5 m h ) 的定时器计数 器，支持很宽范围的定时与计数的功能。三个定时器计数器中所有的时钟信号， 门控信号及输出管脚均在i o 的连接器上。 ( 3 ) 数字量i o a d p - 8 0 0 有2 4 通道t t l c m o s 兼容的数字量i o ，它们能直接与外部设备或信 机裁通信站天线分系统故障检测系统的研制 号连接，以感知开关的闭合，数字事件的触发、或固态继电器的动作。这些i 0 是由模块上的8 2 5 5 可编程外围接口芯片提供的。8 2 5 5 能按三种方式之一工作：方 式0 ，方式i ，方式2 ，2 4 通路数字量i 0 由连接器引出。 2 a d p 一8 0 0a d 采集模块的基本原理 5 1 数据采集系统( d a s ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ) 是对多路模拟信号进行长 时间的数字化测量，从而获得大量数据以便进一步进行分析与处理。它是外部被 测量模拟信号进入测量仪器、系统的必经前景通道，有时也叫预处理系统。所谓 进行数字化测量，就是以一定时间间隔测定各时刻的瞬时值，再将各瞬时值转换 为数字量。从而使一个在时间与幅值上都连续变化的模拟信号在时间上被离散化、 在幅值上被量子化( 或数字化) 。 连续量由有限间隔缸来表示所存在的误差称为量化误差，间距缸越小，则量 化误差越小。完成量子化转换的器件是a d d 转换器。量化值缸就是a d d 转换器的 最低有效位( l s b ) 对应的模拟输入电压值o t 血一q ( 3 1 ) 2 4 式中k 。模数转换满刻度输入电压范围； n 模数转换器的位数。 量化误差e 为 e 剖 ( 3 2 ) 尽管数据采集系统有不同类型，其基本组成单元为： 信号调理多路转换器、可调增益放大器、抗混叠( 淆) 滤波器； 采样，保持采样，保持器( s h ) ： 模数转换a d 转换器( a d c ) ； 其他如：定时，计数器、总线接口电路等。 ( 1 ) 采样保持器( s h ) 工作原理图3 2 所示为采样，保持器( s a m p l e h o l d ) 的原理图。图中a ，及a ： 为理想的同相跟随器，其输入阻抗及输出阻抗均分别趋于无穷大及零。控制信号 在采样时使开关s 闭合，此时存储电容器c 。迅速充电达到输入电压v ，的幅值，同 时充电电压y 。对v 。进行跟踪。控制信号在保持阶段时使开关s 断开，此时在理想 状态( 无电荷泄漏路径) ，电容器c 。上的电压v 。可以维持不交，并通过爿：送至a d 转换器去进行模数转换，以保证a d 转换器进行模数转换期间其输入电压是稳定 不变的。 采样保持器实现了对一连续信号匕o ) 以一定时间间隔快速取其瞬时值。该瞬 第= 章机载站天线分系统故障检测系统的研制 时值是保持控制指令下达时刻v 。对v ，的最终跟踪值，该瞬时值保存在汜忆元件电 容器c 。上，供模数转换器再进一步进行量子化。 采样定理指出，当采样频率大于两倍的信号最高次谐波频率时，就可用时间 离散的采样点恢复原来连续信号。所以采样保持器是以“快采慢测”的方法实现 了对快变信号进行测量的有效手段 v x 输入 采样保持采样 图3 2采样保持器( s h ) 原理图 出 特性及主要性能参数 捕获时间l 。( a c q u i s i t i o nt i m e ) y 称获取时间或捕捉时间，是指采样保持器接 到采样命令时刻起，采样保持器的输出从所保持的值到当前输入信号的值( 允许 误差4 - 0 1 4 - 0 0 1 ) 所需的时间。它与电容器c 。的充电时间常数、放大器的 响应时间及保持电压的变化幅度有关，一般在3 5 0 n s 1 5 t s 之间。该时间限制了 采样频率的提高，而对转换精度无影响。 孔径时间z 0 ( a p e r t u r e t i m e ) y 称孔径延时，是指保持命令下达时刻( f ，) 到开关 s 完全断开时亥f j ( t 2 ) 之间的一段时f 司( 1 0 n s 2 0 0 n s ) a 使c 。上保持的电压是t ：时刻 的v ，瞬时值匕o ：) ，而不是r ，时刻的瞬时值v ；o 。) 。可以将保持命令提前r t p 下达， 以消除l ，的延时影响。 孔径抖动z 0 ( a p e r t u r ej i t t e r ) , 叉称孔径不确定性( 度) ，是孔径时间的变化范围。 通常丁0 是l ，的1 0 5 0 。孔径时间所产生的误差可通过保持指令提前下达得 以消除，但孔径抖动l ，的影响无法消除。下面举例说明为保证误差不大于量化误 差e 的条件下，z 0 对被测信号匕( f ) 最高频率厶的限制。 设v 。o ) 为一正弦电压，即 v 。o ) = 圪s i nc a h t ( 3 3 ) 在n , t f a j 内输入电压k ( f ) 的最大变化量i v ，( t ) i 。发生在过零点( f o ) 处， 其值为 机载通信站天线分系统故障检测系统的研制 也川一2 p l l = 2 矾f c o s ( , 0 h f l f l 0z = 2 x f h v m l ( 3 - 4 ) 而模数转换器在进行模一数转换期间要求输入的模拟电压值是稳定不变的。 现因存在z 。，输入到a d 转换器的电压有id x v 。( f ) i 的变化，为保证精度，令它 小于量化误差e 1 5 v ，o ) l 。s e( 3 - 5 ) 即 2 9 e h v m z 。s 丢等 得 厶s 丽v f i s 歹1 ( 3 6 ) 式中 厶输入信号的频率5 。a d 转换器的满刻度电压范围； 输入信号的幅值； 1 a d 转换器的位数； 若_ 。= 1 v 则上式变为 ，“上土( 3 - 7 ) 厶墨矛i 保持建立时间7 k ( h o l d m o d e s e t t l i n g t i m e ) 指在之后，s h 的输出按一定 误差带( 如o 1 0 0 1 ) 达到稳定的时间。 衰减率( d r o o pr a t e ) 反映采样保持器输出值在保持时间内下降的速率。其原 因是保持电容器c 0 本身漏电以及等效并联阻抗并非无穷大，使得电容器c 0 慢速 放电。引起保持电压的下降。 传导误差( f c e d t h r o u 曲) 又称馈送或馈通，在保持期间，输入信号通过寄生电 容耦合到输d ! 端的比例。因此，在保持模式输入信号的变化会引起输出信号的微 小变化。 笙三望丛塑塑壅垡坌堑丛墼堕检测系统的l 肝制1 1 此外，山于开关结电容的存在，控制电压也将引起保持电容器上保持电压微 小的变化。 ( 2 ) 模数转换器( d ) 将模拟量转换为一定码制的数字量称为模( 拟) 一数( 字) 转换。实现模一 数转换的器件或装置称为模一数转换器，或称为a d c ( a n a l o g d i g i t a lc o n v e r t e l ) ， 简写为a d 转换器。实际工程测量信号大多数是模拟信号，必须将它们转换为数 字量才能为微处理器、计算机接受。因此a d 转换器是数据采集系统的重要环节， 它直接关系到测量的准确度、分辨力、转换速度。 a d d 转换器的主要技术特性 分辨力与分辨率a d 转换器的分辨率习惯上以输出二迸制数或b c d 码位数 表示。分辨力为1 l s b ( 最低有效位数) 。a d 转换器的分辨力( 1 l s b ) 对数据采 集系统的总分辨力起着决定性作用。 1 量化误差e 在理论上为一个苗位分辨力，即i l s b 。 2 转换时间宅呓从a d 转换的时间为a d 转换时间，在这段时间里输入 ad 的模拟电压数值应稳定不变，否则就会造成a d 转换的误差。通常转换时间 比采样保持器的孔径时间大，更比孔径抖动大得多，因此若不加采样保持器，在 保证转换误差不大于量化误差的条件下， 很低的，公式应改为 ， 11 “ c 2 n + l i a 巾转换器直接转换输入信号的频率是 ( 3 - 8 ) 为了对更高频率的输入信号进行模一数转换，在a d 转换器前都要加采样保 持器。 转换速率是转换时间的倒数。 ( 3 ) 多路转换器( m u x 。m u l t i p l e s w i c h c s ) 实现信号的切换，可将多个输入信号引入数据采集系统。目前用作数据采集 卡或a d 、d a 卡的多路转换开关通常是模拟开关。多路转换开关的性能及质量 对信号的传输，尤其是模拟小信号的传输具有重大影响。理想情况是开关接通时， 导通电阻为零，应无附加残余电动势；开关断开时，断开电阻等于无穷大，应无 泄漏电流，使各路信号源相互之间以及与数据采集系统之间完全隔断。但对于采 用集成电路工艺制作的半导体模拟开关来说，上述要求不能完全实现。 ( 4 ) 可调增益放大器( a ，a m p l i f i e r ) a d p 8 0 0 装有用电阻调节增益的电路，g x ，所以您可以很方便的为特定的应 用配置特定的增益。当应用这种特性时，所有的输入通道均工作在用户增益设置 机找j | 亘信站天线分系统敞障检测系统的研制 状态下。g x 是由加入的电阻r 4 与r 5 ，微调电位器t r l ，电容c 2 6 导得的，它 们均位于模块的右上区。如图3 2 2 所示，由电阻与微调电位器合起来设定增益。 提供电容c 2 6 是为了能在增益电路中增加低通滤波的功能。如果输入是一个慢变 化的信号，而并不需要以较高的速率去测量它，那末，可以在c 2 6 处增加一个电 容川以降低输入频率范围，这样反过束又降低了输入信号上的噪音。设氍频率的 公式在图中给出。图3 _ 3 给出了g x 电路是如何配置的。 幽3 3 增益电路 ( 5 ) 抗混淆( 叠) 滤波器( a f , a n t i a l i a s i n g f i l t e r ) 模拟信号x ( r ) 经采样后转换为离散化时间序列z ，( n t ) ，又称工，( n t ) 为采样信 号。由于时域上的离散化，o r ) 的频谱呈现出周期性，重复角频率为一等。 在频率轴上的中心频率m 。，2 0 ) 。，3 0 j 。处重复出现放大妄倍的原信号x o ) 的 频谱x ) ，即o 丁) 的频谱肖s ) 是由主周期( 一手，予) 内的主频谱z ) 与周期 重复出现的圭x ) 高频辅频谱组成。若x p ) 的最高次谐波。与采样频率满 足采样定理，即 主2 w ， ( 3 - 9 ) 则可以通过加理想滤波器，滤除重复周期出现的高频分量，把x ： ) 中主周期内 的谱线x ) 提取出来，从而再现原信县s x ( t ) ( 从理论上讲无误差) 。如果采样频率 不满足采样定理，即 2 。 ( 3 - 1 0 ) 则x ， ) 频谱中就会产生“混叠”现象。高频分量就“混叠”进入主周期( 一手，手) 内，而被误认为是低频分量，即使采用理想低通滤波器也不可能把混入的高频分 量滤除掉，故重现z ( f ) 就会出现误差。 第三章机载站天线分系统故障检测系统的研相 在采样前加抗混叠滤波器的作用是滤掉输入信号z “1 中不占主要成份的高次 谐波，控制z ( f ) 的最高频率。， 。= 0 2 ， ( 3 - 1 1 ) 式中甜抗混叠滤波器的截止( 角) 频率。 这样，控制采样角频率满足采样定理，令t o ，2 ( o ，就保证了采样信号工，( n t ) 频谱中以中心频率，2 ，重复出现击x ) 时不发生交叉重叠现象，故 有时又将抗混叠( 淆) 滤波器称为“预滤波器”。 3 数据采集系统结构形式 单通道数据采集系统基本结构形式如图3 4 所示 可程控放大器抗混淆采样 滤波器保持 模数 转换计算机 图3 4 单通道数据采集系统( d a s ) 多通道数据采集系统根据共享资源程度不同、是否采用多路转换器( m u x ) 按 其所处位置的不同可有三种结构形式： c p u ( a ) 涉呸丑叫至卜多 涉咂丑叫耍p 路 斗臣叵h c p u 开 防斗臣兰卜击 关 ( b ) 机载通信站天线分系统故降检测系统f j 勺研制 少小 多 虻叵卜 路 开 斗臣五卜仁五p c p u il 关 卜厂_ 。 一 ( c ) 圈3 5 多通道数据采集系统结构形式 ( a ) 多通道并行d a s ；( b ) 多通道同步型d a s ；( c ) 多通道一般型d a s ( 1 ) 多路通道独立并行如图3 5 f a ) 所示，无切换开关，这种结构形式通常 用于高速系统，允许通道同时进行转换。它是多个单通道d a s 的组合，可以对各 通道数据描述同时实时给出，具有灵活性强、高速、高精度的特点。 ( 2 ) 多通道同步型如图3 5 ( b ) 所示，每个通道都有自己的s 儇，并可受同 一触发信号控制，这样可以做到在同一时刻内将采集信号暂存在各自的保持电容 上，以后由计算机指令逐一进行a d 转换。这种结构可允许对各通道之间的相互 关系( 互相关、互谱等) 进行分析。 ( 3 ) 多通道一般型如图3 5 ( c ) 所示，它通过多路转换器( m u x ) 将各路模 拟信号轮流送给公共的s 脚及a f d 进行模数转换，节省硬件资源，但实时性差。 考虑到该故障检测系统的实时性要求不是很高和性能价格比，选用了多通道 同步型的a d p 8 0 0a d 采集模块。 3 2 3a k w - 1 4 8 g3 通道定计数器& 4 8 位d i o 模块 6 1 a k w - 1 4 8 g 是基于p c 1 0 4 系统的3 通道定时计数器、4 8 位d i o 模块，带3 个中断源。主要应用于数字量输入输出、定时计数等嵌入工业环境。它提供了4 8 位数字量输入输出通道和3 个1 6 位独立计数定时器，并有3 个中断源，可通过跳 线连接到系统总线的i r q 通道上。a k w - 1 4 8 g 是一个8 位模块，遵守p c 1 0 4 规 格公布的8 位p c 1 0 4 模块机械和电气特性。所以a k w - 1 4 8 0 并不包含1 6 位扩展 总线连接器。模块工作在+ 5 v 直流电上。 4 8 位d i o 使用了两块8 2 5 5 p p i ( 可编程外围接口) 芯片，8 2 5 5 能按三种方式 之一工作，可通过编程设置。每2 4 位d i o 进一步可分为三个8 位端口( p o r t a ， p o r tb ，p o r tc ) ，都可被任意编程为输入或输出端口。所有4 8 条y o 信号线都是 筇二章机裁站天线分系统故障检测系统的研制 t f i _ c o m s 兼容的，能直接与外部设备或信号连接。每2 4 通道d i o 上信号线、 电源线和地线均出一个5 0 针的连接器引出。 a k 、v _ 1 4 8 g 有3 个中断源，可向系统总线的i r q 通道送中断信号。这样我们 就没必要每时每刻都去查询是否有数字量输入事件发生，从而减少对c p u 资源的 占用，释放p c 来做其他工作。中断是上升沿触发的，可通过跳线选择。 基本特征： 8 位p c 1 0 4 总线模块 4 8 通道t t i _ c m o s 兼容d i o 六个8 位独立端口，可编程设定用于输入或输出 3 个独立1 6 位可编程计数，定时器，三个中断源 缓冲电路支持高灌电流输出 3 3 关键技术和难点 3 3 1n i p 信号的产生和r s 4 2 2 串口通信 分析飞机产生的n i p 专用信号格式，借助于v c + + 6 0 开发环境产生n i p 标准模 拟信号送入传感器系统供故障检测。其基本原理为把对应目标角度信号转化为特 别定义的3 2 字节n i p 信号，由p c 1 0 4 嵌入式计算机通过串口的8 2 5 0 接口芯片直 接编程，通过4 2 2 串口与待检测的系统进行通信，待检测系统采取对串行接口循 环扫描的方式读取数据，当读取到o x l o 和o x 0 0 两字节时，表明接收到的是n i p 信号，则循环读取3 2 次，读取完毕后，把读取的数据转化为角度信息，传输给控 制模块。 1 可编程串行接口芯片i n s 8 2 5 0 t 7 1 8 2 5 0 是美国n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司生产的一种可适用于多种处理器的通 用异步串行可编程输入输出接口芯片。它可从外设或调制解调器接收数据字符并 完成串行至并行的转换，也可以从c p u 接收数据字符完成并行至串行的转换，c p u 在任何有效运行期间都能读取8 2 5 0 的一切状态信息。提供的状态信息包括8 2 5 0 正在进行的传送操作的类型、状态以及出错状态( 如奇偶校验、数据重叠、帧、 间断等) 。 8 2 5 0 还有一个可编程的波特率发生器，能将参考输入时钟以除数因子1 至 6 5 5 3 6 分频，然后产生传输速率1 6 倍的时钟驱动内部发送和接收逻辑电路。8 2 5 0 还对调制解调器实行全面控制，提供了可根据用户需要进行软件调整的中断处理 系统，以尽量减少处理通信链路时所需的计算。 8 2 5 0 主要由发送保持寄存器( t h r ) 、接收数据缓冲器( r b r ) 、m o d e m 状 态寄存器( m s r ) 、线路状态寄存器( l s r ) 、线路控制寄存器( l c r ) 、除数暂存 机载通信站天线分系统故障检测系统的研制 寄存器( d l r h 和d l r l ) 等1 0 个寄存器和数据总线缓冲器、接收发送控制电路、 中断控制逻辑和芯片控制逻辑等接口电路组成。 p c 机一般配甓两个串行接口，它们在硬件逻辑上除1 7 0 基地址和中断请求级 不同之外其它部分完全相同。第一个串行接口的“o 基地址为3 f 8 h ，中断请求级 i r q 4 。笫二串行通信接口的i o 基地址为2 f 8 h ，中断请求级i r q 3 。 串行接口的中断请求输出受8 2 5 0 输出引脚o u t 2 的控制，要使用中断处理方 式，必须使o u t 2 变为有效，即在编程初始化时，必须使m o d e m 控制寄存器的 d 3 位( o u t 2 ) 为1 。 8 2 5 0 的时钟输入采用1 8 4 3 2 m h z 的振荡器的输出，用户编程时选择适当的除 数因子( 又称为波特率因子) ，送入8 2 5 0 的除数锁存寄存器，就可以得到相应的 通信速率。通信速率与除数因子之问的关系如下： 除数因子= 未畿 ( 3 - 1 2 ) 8 2 5 0 的发送速率可以与接收速率不同。发送速率受输入振荡时钟频率和用户 所选择的除数因子的控制。接收速率受r c l k 引脚输入时钟信号的控制，该时钟 应是接收速率的1 6 倍值。 p c 机的串行通信接口既可以以查询方式工作，也可以中断方式工作。对异步 串行通信接口进行程序设计，一般步骤如下： ( 1 ) 8 2 5 0 进行初始化。包括设定传输规程，如通信的波特率、校验方式、 数据位数、停止位数，并按此规程设置除数锁存器和线路控制寄存器；m o d e m 控制寄存器的第o 和第1 位要置为1 。若使用中断方式，还要根据需要设置中断允 许寄存器，且将m o d e m 控制寄存器的第3 位( o u t 2 ) 置为1 。 ( 2 )读取通信线路( 和m o d e m ) 的状态，以判断是否可以进行通信。 ( 3 )送出( 或读入) 一个字符。 ( 4 ) 重复上述2 、3 步，直到通信结束。 当允许中断时，c p u 送出( 或读入) 一个字符后，并不需要不断查询8 2 5 0 的 状态，而可执行其它任务。当8 2 5 0 收到一个字符或一个字符送出之后，会通过i r 0 4 ( 或m 0 3 ) 向c p u 申请中断，c p u 响应中断后，识别出8 2 5 0 的中断类型，并作 出相应处理( 送出或读入一个字符等) 即可。 2 r s 4 2 2 串口通信 a l r s 2 3 2 作为一个通信标准得到了广泛的应用，r s 2 3 2 制定的最大数据传输速 率是每秒2 0 0 0 0 b i t 。然而，很多接口芯片都有超越这个值，尤其是在短程连接上。 r s 4 2 2 由r s 2 3 2 c 发展而来，为改进r s 2 3 2 c 通信距离短、速率低的缺点， r s 4 2 2 定义了一种平衡通信接1 ：3 ，将传输速率提高到1 0 m b i t s ，传输距离延长到 第三章机找站天线分系统敞障检洲系统的研制 1 7 4 0 0 0 英尺( 速率低于l o o k b i t s 时) ，并允许在一条平衡总线上连接最多1 0 个接收 器。r s 4 2 2 是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范。 r s 4 2 2 与r s 2 3 2 不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使 用一对双绞线，将其中一线定义为a ，另一线定义为b ，如图3 6 所示。 a b c 对r s 4 2 2 可选 + ： + 6 v + 2 v 一2 v 一6 v 幽3 6r s - 4 2 2 连线定义 通常情况下，发送驱动器a 、b 之间的正电平在+ 2 + 6 v ，是一个逻辑：状态， 负电平在一2 - - 6 v ，是另一个逻辑状态。另有一个信号地c ，“使能”端在r s 4 2 2 中这是可用可不用的。收、发端通过平衡双绞线将a a 与b b 对应相连，当在收端 a b 之间有大于+ 2 0 0 m v 的电平时，输出正逻辑电平，小于- - 2 0 0 m v 时，输出负 逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在一2 0 0 m v - - 6 v 之间。 程序流程图 图3 7n i p 产生和发送程序流程图 以下为n i p 信号产生和串口通信的部分程序： 1 8机载通信站天线分系统故障检测系统的研相 m tl ，m ，a ； b y t e 。d a t a ； b y t et m p 3 2 = 0 x 1 0 ，o x 0 0 ，0 x 3 e ，o x e 3 ，0 x 8 e ，0 x 3 8 ，0 x 3 e ，待发送的n i p 信号，包含有识别 0 x a 4 ，o x f a ，0 x 4 f , 0 x f f , 0 x 噩0 x 仃 0 x 瓯0 x 纸0 x f f , 0 x f f , 0 x f f ，标志、飞机经纬度和姿态角等信 o x f f , 0 x f f , 0 x f f , 0 x f f , 0 x f f , 0 x f - f , 0 x f f , 0 x f f , o x 3 f , o x l 2 ，0 x c