KAM-500數(shù)據(jù)采集及遙測系統(tǒng)研究

郭小波

（中航工業(yè)沈飛民機(jī)公司，遼寧 沈陽 110850）

1 引 言

KAM-500數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是愛爾蘭生產(chǎn)國際水平的微型PCM數(shù)據(jù)采集遙測系統(tǒng)，符合IRIG-106標(biāo)準(zhǔn)，也滿足民用飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)，已被批準(zhǔn)可以用于飛機(jī)機(jī)載設(shè)備系統(tǒng)。其具有性能卓越、采集容量大、可實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸、體積小、信號調(diào)節(jié)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，采樣率可達(dá)500 KB/s，能夠在惡劣環(huán)境條件下正常工作且具有很高的測量精度。

2 KAM-500數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

KAM-500微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有各種功能模塊，如與各種形式傳感器相適應(yīng)的信號調(diào)節(jié)模塊、總線監(jiān)測模塊、固態(tài)記憶存儲及數(shù)據(jù)傳輸模塊等。其先進(jìn)的一體化系統(tǒng)軟件包，能夠滿足使用過程中的各種需求，如：自動進(jìn)行系統(tǒng)配置和校準(zhǔn)，可在進(jìn)行存儲數(shù)據(jù)的同時在線觀察數(shù)據(jù)，可根據(jù)需要對各種信號采集調(diào)節(jié)，并可根據(jù)試驗(yàn)要求編制數(shù)據(jù)采集程序。

2.1 KAM-500數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成及特性

2.1.1 多種標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)箱

如圖1所示，KAM-500采集器有3，6，9或13個用戶插槽的多種機(jī)箱，根據(jù)實(shí)際情況，用戶可自行選擇。機(jī)箱包括編碼/控制器和電源模塊，電源模塊分布在機(jī)箱的兩側(cè)，且重量相當(dāng)，起到一定的平衡作用。編碼/控制器緊靠著其中的一個電源模塊，這樣可以在兩個電源模塊之間讓出較大的空間插入各種功能模塊，功能模塊用戶可任意選配，即在機(jī)箱的任何插槽上可任意選用各種功能的模塊。

2.1.2 便攜式PCM解調(diào)器

SAM/DEC/005是一種性能卓越、全編程式的PCM解調(diào)器，符合PCMCIA2.011型標(biāo)準(zhǔn)和IRIG-106PCM解調(diào)標(biāo)準(zhǔn)。這種只有信用卡大小的PCM解調(diào)器，攜帶方便，特別適合工程師進(jìn)行航空試驗(yàn)及整體平定選用，是一種性能卓越的筆記本電腦解碼器。它支持 PCI、VME或 ISA總線接口，基于Windows（95/98，NT）操作系統(tǒng)，能夠適合于筆記本電腦甚至是低于筆記本的PC機(jī)。

SAM/DEC/005能夠?qū)?fù)雜的PCM信息流進(jìn)行解調(diào)，速率達(dá)4Mb/s，它可以連接任何與PCM兼容的IRIG-106輸出，或用于回放記錄在磁帶機(jī)上的PCM數(shù)據(jù)?？蓪RINC-573數(shù)據(jù)格式化進(jìn)行編碼，也可以作為便攜式記錄儀的配套設(shè)備，讀取機(jī)載系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)。這種功能對于飛機(jī)試飛來說，是非常重要的。如飛機(jī)進(jìn)行大氣機(jī)試飛，在飛行中飛機(jī)的“改平”狀態(tài)進(jìn)不去，機(jī)務(wù)人員在地面進(jìn)行通電檢查一切正常，無法判斷故障所在。利用帶此解調(diào)器的筆記本與飛機(jī)上的KAM-500系統(tǒng)相連，在地面模擬飛機(jī)進(jìn)入“改平”狀態(tài)，用筆記本監(jiān)視大氣機(jī)總線數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)大氣機(jī)沒有對駕駛儀來的“改平”信號進(jìn)行判讀，產(chǎn)生不了“定高”信號給駕駛儀，導(dǎo)致飛機(jī)的“改平”狀態(tài)進(jìn)不去。在成品廠對大氣機(jī)進(jìn)行了檢修之后，故障排除。

2.1.3 具有各種功能的核心模塊

KAM-500采集器的核心模塊分為模擬信號調(diào)節(jié)模塊和數(shù)字信號調(diào)節(jié)模塊兩大類。核心模塊采用集成電路設(shè)計(jì)，功能齊全。有的模塊采用先進(jìn)的數(shù)字濾波器及線性調(diào)節(jié)器，能夠?qū)Ω鞣N模擬信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，如高/低模擬電壓、電橋、熱電偶、RTD鉑電阻、加速度、同步器、壓力掃描閥等；有的能夠?qū)Ω鞣N總線進(jìn)行監(jiān)測，如 MIL-STD-1553，ARINC-429，STANAG-3910，ASCB，RS-232；有的能對數(shù)字信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，如頻率、周期、事件計(jì)數(shù)、TTL狀態(tài)及D/A輸出；有的能產(chǎn)生IRIG-B時間碼。

2.1.4 在惡劣的環(huán)境下，仍能保持正常工作狀態(tài)

這一點(diǎn)對機(jī)載數(shù)據(jù)采集器提出了嚴(yán)格的要求。飛機(jī)在萬米高空飛行，氣溫可達(dá)零下五六十度；在低空大表速飛行，氣溫可達(dá)零上五六十度。飛機(jī)上的振動、噪音等各種不同的情況，在這樣的惡劣環(huán)境下，采集器能否正常工作、數(shù)據(jù)能否正確的采集下來對試飛而言是至關(guān)重要的。

KAM-500數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的機(jī)箱采用合成鋁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，體積小，重量輕，堅(jiān)固可靠，可承受10g的過載、5～2000Hz的振動、100g的沖擊。在-40℃～+85℃的使用環(huán)境溫度范圍內(nèi)，具有很高的測試精度（±0.25%滿刻度）。同時系統(tǒng)又采用了16位（A/D）模擬數(shù)字變換，并具有低噪聲、高精度濾波器，以保證高分辨率和測量精度。

2.1.5 實(shí)際應(yīng)用

在工作實(shí)踐中，在飛機(jī)上加改裝了KAM-500系統(tǒng)，準(zhǔn)確地采集了飛機(jī)的高度、速度、功角、側(cè)滑角等模擬量參數(shù)，以及馬赫數(shù)、場壓、穩(wěn)定指令、無線電高度等429總線參數(shù)，獲取了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)、開關(guān)量等脈沖參數(shù)，順利地完成了飛行工作。

如在某型飛機(jī)上加改裝KAM-500系統(tǒng)，采集了大量的1553B總線參數(shù)、各種模擬量參數(shù)、頻率量和開關(guān)量等脈沖參數(shù)。通過飛機(jī)飛行情況來看，該系統(tǒng)成功地采集了試飛所需要的各種數(shù)據(jù)，達(dá)到了試飛目的。

試驗(yàn)表明，KAM-500系統(tǒng)可針對不同的同步字、幀格式、位速率、參數(shù)類型等進(jìn)行編譯，實(shí)現(xiàn)對硬件的操作，提高了工作效率。

3 遙測系統(tǒng)

遙測系統(tǒng)是在飛機(jī)的試飛中，采用無線電通信技術(shù)將測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)送到地面進(jìn)行記錄、顯示、監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理的一整套設(shè)備。

遙測系統(tǒng)可測量幾個至幾千個模擬參數(shù)、數(shù)字參數(shù)、開關(guān)量，被測參數(shù)的頻率可達(dá)幾千赫茲，測量精度一般為3%～0.1%。

遙測對提高試飛效率、縮短試飛周期、降低試飛成本、保證試飛安全和分析飛行事故原因等都有重要意義，因而得到廣泛的應(yīng)用。特別是出現(xiàn)了機(jī)載計(jì)算機(jī)控制的可編程遙測系統(tǒng)，更提高了其工作的靈活性。目前，遙測系統(tǒng)正朝著以計(jì)算機(jī)為中心的自適應(yīng)遙測系統(tǒng)和遙控、遙測、電視與通信相結(jié)合的綜合數(shù)據(jù)系統(tǒng)方向發(fā)展。

3.1 遙測系統(tǒng)的組成

遙測系統(tǒng)由遙測機(jī)載設(shè)備和遙測地面設(shè)備組成。

3.1.1 遙測機(jī)載設(shè)備

用于對飛機(jī)的各種參數(shù)進(jìn)行測量、傳送或記錄。被測參數(shù)可以是數(shù)字參數(shù)、模擬參數(shù)或事件參數(shù)（開關(guān)參數(shù)）。

遙測機(jī)載設(shè)備的組成如圖2所示，其中采集器是遙測機(jī)載設(shè)備的核心部件，它能對各種被測參數(shù)進(jìn)行采集。

根據(jù)所選用的遙測體制，可以是頻分制、時分制或頻分、時分混合采集器。

3.1.2 遙測地面站

用來接收、記錄、處理飛機(jī)遙測信息，并以不同的形式提供中間或最終結(jié)果的地面設(shè)施。根據(jù)使用要求分活動站和固定站，根據(jù)功能又可分專用和通用地面站。遙測通用地面站如圖3所示。

圖2 遙測機(jī)載設(shè)備方框圖

圖3 遙測通用地面站方框圖

通用地面站通常把遙測接收設(shè)備與計(jì)算機(jī)結(jié)合在一起組成聯(lián)機(jī)系統(tǒng)。它可以對飛行試驗(yàn)中的遙測信息進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)處理和記錄，也可對磁帶機(jī)重放的信息進(jìn)行處理。這些信息可以是頻分多路信號或時分多路信號。

通用地面站以計(jì)算機(jī)為中心，能適應(yīng)各種遙測輸入信息，并具有較強(qiáng)的實(shí)時處理能力，還能和計(jì)算機(jī)中心或其他終端聯(lián)結(jié)起來，對數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理并提供檢索。

遙測地面站可分別在相距數(shù)公里的地方設(shè)置多個接收點(diǎn)，組成接收網(wǎng)。地面站可對各個點(diǎn)接收到的遙測信息進(jìn)行比較，擇優(yōu)進(jìn)行處理和記錄，從而增加遙測的作用距離和可靠性。

3.2 遙測系統(tǒng)的分類

遙測系統(tǒng)按構(gòu)成原理可分為頻分制遙測系統(tǒng)和時分制遙測系統(tǒng)。

3.2.1 頻分制遙測系統(tǒng)

頻分制（頻率劃分法）是利用不同的頻率實(shí)現(xiàn)分路。其基本原理是把各路輸入信號安插在互不重疊的頻帶內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)距傳輸，在接收端再用中心頻率不同的帶通濾波器把各路信號分開。

這種多路傳輸原理在無線電通信和遙控遙測系統(tǒng)中應(yīng)用極廣，在測量速度參數(shù)及其頻譜分析中也常有應(yīng)用。其典型原理如圖4所示。

圖4 頻分多路傳輸系統(tǒng)原理圖

（1）發(fā)射端。通過傳感器將被測信號變換成電信號，然后分別對不同頻率的副載頻調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，形成頻譜互不重疊的以調(diào)信號，經(jīng)相加器形成多路信號，再去調(diào)制發(fā)射機(jī)形成載頻信號，由天線發(fā)射出去。相加器輸出的多路信號也可用磁帶機(jī)直接記錄。

各傳感器輸出的電信號的頻率范圍因被測物理量不同而不同，但通常都是頻率較低的信號（從幾赫茲到幾百赫茲或幾千赫茲），這些原始信號的頻率軸上都是互相重疊的。顯然，如果將這些信號直接相加后傳送出去，在接收端無法利用濾波器把它們區(qū)別開來。為了用頻率實(shí)現(xiàn)分路，需將各路信號的頻譜X1（f）、X2（f）…Xn（f）進(jìn)行頻率“搬移”，使它們在頻率域互不重疊，然后相加傳送，如圖5所示。

實(shí)現(xiàn)頻率“搬移”的原理是：各路副頻振蕩器分別產(chǎn)生互不重疊并有一定間隔的頻率為fs1、fs2、…fsn的等幅振蕩，各種信號在各自的副載頻調(diào)制器內(nèi)對副載頻進(jìn)行調(diào)制，則原來互相重疊的各路信號就變成了頻譜互不重疊的分別以fs1、fs2、…fsn為中心頻率的信號，從而實(shí)現(xiàn)了頻率“搬移”，如圖 5（a）、（b）所示。各路已調(diào)制信號經(jīng)濾波器濾波后送至相加器，最后形成多路信號，如圖5（c）所示。濾波器的作用是為了限制各路已調(diào)制信號的頻帶寬度，防止低副載頻信號頻譜的斜波分量對高副載頻信號的交叉干擾。

多路信號經(jīng)遠(yuǎn)距傳輸后，再經(jīng)各路帶通濾波器濾波、解調(diào)取出所傳輸?shù)脑夹盘枺⑺椭料鄳?yīng)的終端設(shè)備或做進(jìn)一步變換處理。為了發(fā)送信號，需將已調(diào)制信號放大后再對載頻進(jìn)行第二次調(diào)制，得到的射頻信號經(jīng)發(fā)射機(jī)天線發(fā)射出去。在這種情況下，接收端也需進(jìn)行二次解調(diào)。

（2）接收端。由天線接收的載頻信號，經(jīng)接收機(jī)調(diào)解后恢復(fù)成多路信號（或磁帶機(jī)重放的多路信號），加到分路濾波器進(jìn)行分路，得到各路被測信號。最后將各路被測信號送到遙測終端設(shè)備進(jìn)行記錄、顯示及數(shù)據(jù)處理。

3.2.2 時分制遙測系統(tǒng)

時分制（時間劃分法）是利用不同的時間實(shí)現(xiàn)分路的。即在時間域內(nèi)，各路信號的離散值按時間順序排列起來，形成一個時間分割的多路信號，經(jīng)過遠(yuǎn)距傳遞后，再根據(jù)各路信號的排列順序進(jìn)行分路。圖6是時分制多路信號波形圖，從圖6可看出在時分制多路傳輸中，各路信號X1（t）、X2（t）…是占用了不同的時間。

在實(shí)際使用中，為了確保測量精度，一般采樣率是信號最高頻率的五倍，即 ωs≥5ωc。

要想在一個信息采樣周期的空余時間內(nèi)傳輸多個信息，則必須把采樣信號按一定的時間順序排列起來，并進(jìn)行調(diào)制或編碼。

在多路傳輸系統(tǒng)中，信號的分路是通過時分開關(guān)（即掃描程序器，由多路傳輸門和脈沖分配器組成，如圖7所示）進(jìn)行的。

時分開關(guān)的作用是在系統(tǒng)的輸入端把各路連續(xù)信號采樣并按時間排列在一起，然后送去調(diào)制或編碼。

多路傳輸門由許多單個電子開關(guān)組合而成，每個開關(guān)的輸入端分別與傳感器或信號調(diào)解器輸出端相連接，其輸出端接到調(diào)制和編碼器。每個開關(guān)的通斷由脈沖分配器或程序器控制。

脈沖分配器是采樣程序控制器的一部分，用作產(chǎn)生一系列按時間順序出現(xiàn)的控制脈沖，控制傳輸門的通斷、提供同步脈沖信號和完成其他邏輯控制功能，其原理框圖如圖8所示。

脈沖分配器可直接由位移積存器組成，也可由各種計(jì)數(shù)器和“與”門譯碼電路組合而成。分頻后的時鐘脈沖由計(jì)數(shù)器的狀態(tài)譯碼即可得到所要求的分路脈沖。

在各種時分多路傳輸中，輸入端時分開關(guān)與輸出端時分開關(guān)以及各種采樣信息的計(jì)算、處理工作在時間上協(xié)調(diào)一致，即保持同步是非常重要的，它是整個系統(tǒng)能否正確還原信號和保證系統(tǒng)可靠工作的關(guān)鍵。

通常把時分開關(guān)循環(huán)一周，將各路信號依次采樣、傳送一次，叫做傳輸了一幀信號。為了保證輸入輸出端的分路脈沖序列同頻同相地工作，輸入端時分開關(guān)必須在每幀的特殊時間位置給出一個特殊標(biāo)志；輸出端時分開關(guān)在檢出該特殊信號后，控制其脈沖分配器與輸入端時分開關(guān)的脈沖分配器同步工作。把這種同步稱為“幀同步”，實(shí)現(xiàn)幀同步的特殊標(biāo)志信號稱為“幀同步信號”。

實(shí)現(xiàn)幀同步和群同步的方法很多，在數(shù)字式多路傳輸系統(tǒng)中，經(jīng)常采用發(fā)送一個特殊的“字”作為群同步信號。這個特殊的“字”是任何數(shù)字信息中都不可能出現(xiàn)的概率極小的“字”。這就是一種非周期的具有特殊規(guī)律的巴克碼。

在飛行試驗(yàn)中，通過解讀帶有特殊“字”的原始數(shù)據(jù)，對應(yīng)數(shù)據(jù)庫標(biāo)簽，可通過采集參數(shù)及時發(fā)現(xiàn)飛機(jī)任務(wù)管理等總線存在的問題，并可利用字號、幀號來驗(yàn)證所處理的參數(shù)是否準(zhǔn)確可靠。

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)采集與遙測是現(xiàn)代飛行試驗(yàn)中應(yīng)用最廣泛的方法，了解并掌握這種方法對飛行試驗(yàn)、通信等具有重要作用。

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