基于PCI-76C2多功能卡的RVDT信號(hào)分配器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

， ，

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065)

0 引言

RVDT是一種采用差動(dòng)變壓器原理實(shí)現(xiàn)的非接觸式傳感器，用于將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，具有靈敏度高、線性度好、分辨率高、壽命長及可靠性高等特點(diǎn)，在航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。出于提高飛控系統(tǒng)安全性，數(shù)字式電傳飛控[1]一般采用四余度或六余度RVDT，即每個(gè)操縱面由四個(gè)或六個(gè)獨(dú)立的、相互隔離的RVDT組成，一個(gè)共用的工作桿與駕駛桿、腳蹬或舵面作動(dòng)器相連。

由于ACE系統(tǒng)屬機(jī)載設(shè)備，想要在不破壞連接完整性及不影響測(cè)量信號(hào)質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)將四余度RVDT電信號(hào)一分為二，一路仍繼續(xù)接入ACE系統(tǒng)，另一路則引入地面駕駛桿模擬操縱試驗(yàn)系統(tǒng)(MOOG多通道協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng))中。顯然，采用簡單的并線方式，考慮到電信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，勢(shì)必會(huì)對(duì)原ACE系統(tǒng)造成影響；其次，由于是交流RVDT，也需要適配不同測(cè)量系統(tǒng)RVDT信號(hào)解調(diào)器接口的兼容性問題。

為此，利用PC機(jī)和美國北大西洋工業(yè)公司(North Atlantic Industries, Inc)PCI-76C2單槽半高多功能I/O卡組成RVDT采集與仿真系統(tǒng)，采集卡RVDT測(cè)量通道完成RVDT信號(hào)采集，同時(shí)，將采集到的每路RVDT位置值復(fù)制兩份，通過仿真卡RVDT仿真通道將模擬真實(shí)RVDT信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)RVDT信號(hào)分配器功能。

1 基本思路

1.1 LVDT傳感器

L/RVDT(Linear/Rotary Variable Differential Transformer)線性/旋轉(zhuǎn)可變差動(dòng)變壓器式直線位移/旋轉(zhuǎn)角度傳感器[2]。其典型的實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

圖1 LVDT電原理圖及工作原理圖

當(dāng)在初級(jí)線圈供給一定頻率的交變電壓(激勵(lì)電壓)時(shí)，鐵芯在線圈內(nèi)移動(dòng)改變了空間的磁場(chǎng)分布，從而改變了初/次級(jí)線圈之間的互感量，次級(jí)線圈之間就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，隨著鐵心的位置不同，互感量也不同，次級(jí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也不同，這樣就將鐵芯的位移量(實(shí)際上鐵心通過測(cè)桿與被測(cè)物體保持接觸)變成了電壓信號(hào)輸出。為提高傳感器的靈敏度，改善其線性度、增大其線性范圍，設(shè)計(jì)時(shí)將兩個(gè)線圈反串相接、兩個(gè)次級(jí)線圈的電壓極性相反，LVDT輸出電壓是兩個(gè)次級(jí)線圈的電壓差，這個(gè)輸出的電壓值與鐵心的位移量成線性關(guān)系。

當(dāng)鐵芯處于中間位置時(shí)，兩個(gè)次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等但極性相反，輸出電壓差值為0；當(dāng)鐵芯往右移動(dòng)時(shí)，次級(jí)線圈a感應(yīng)的電壓大于次級(jí)線圈b，兩線圈輸出電壓差值大小隨鐵芯位移成線性變化(第一象限實(shí)線部分)這是LVDT的有效測(cè)量范圍(一半)，當(dāng)鐵芯繼續(xù)右移動(dòng)，兩線圈輸出電壓差值大小不再與鐵芯位移成線性關(guān)系，此為緩沖區(qū)即非測(cè)量區(qū)(虛線段)；反之，當(dāng)鐵芯自線圈中間位置往左移動(dòng)亦然。零點(diǎn)兩邊的實(shí)線一般是對(duì)稱的的測(cè)量范圍，只不過兩者都是交流信號(hào)且相位相差180°。LVDT工作過程中，鐵心的運(yùn)動(dòng)不能超出線圈的線性范圍，否則將產(chǎn)生非線性值，因此所有的LVDT均有一個(gè)線性范圍。

1.2 L/RVDT與信號(hào)調(diào)理器接口

交流L/RVDT屬交流模擬量傳感器，需要適配專用信號(hào)調(diào)理模塊[3]，經(jīng)過調(diào)理后才能產(chǎn)生代表真實(shí)位置信息的電壓值，最后進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)。通常根據(jù)LVDT與調(diào)理器接口形式不同，作為信號(hào)處理參考點(diǎn)的選擇亦不同。

L/RVDT輸出接口形式如圖2所示，與調(diào)理器匹配可以組成最常見的2種系統(tǒng)[3]。以初級(jí)(激勵(lì)電壓)作為參考點(diǎn)的2線系統(tǒng)；以導(dǎo)出(次級(jí)信號(hào)輸出電壓和)參考點(diǎn)為準(zhǔn)的3/4線系統(tǒng)。

圖2 L/RVDT傳感器輸出接口

1.2.1 2線系統(tǒng)

此種系統(tǒng)適用于L/RVDT傳感器距離較遠(yuǎn)及對(duì)激勵(lì)電壓變化、溫漂和相移影響等高度敏感的應(yīng)用場(chǎng)合。2線輸出最簡單用法四線制(一對(duì)激勵(lì)輸入，一對(duì)信號(hào)輸出)?？紤]到激勵(lì)電壓可能發(fā)生變化(線損、振蕩器不穩(wěn)定等)，調(diào)節(jié)器參考點(diǎn)取自初級(jí)線圈，亦即激勵(lì)反饋必須要，采用六線制(一對(duì)激勵(lì)電壓，一對(duì)信號(hào)電壓，一對(duì)激勵(lì)電壓反饋)組成系統(tǒng)，此時(shí)位移計(jì)算式：(A-B)/Excit，即(A-B)/VExc。

1.2.2 3線/4系統(tǒng)

此種系統(tǒng)適于對(duì)溫漂、相移和振蕩器不穩(wěn)定等不太敏感的應(yīng)用場(chǎng)合。調(diào)節(jié)器參考點(diǎn)取自兩個(gè)次級(jí)線圈輸出不隨鐵芯零位改變?nèi)阅鼙３趾愣ǚ档腁+B之和。3線輸出采用五線制(一對(duì)激勵(lì)電壓，一對(duì)A-B信號(hào)電壓，一根次級(jí)線圈參考地)，4線輸出采用六線制(一對(duì)激勵(lì)電壓，一對(duì)次級(jí)線圈A信號(hào)電壓，一對(duì)次級(jí)線圈B信號(hào)電壓)。此種系統(tǒng)位移計(jì)算式為(A-B)/(A+B)，即(Va-Vb)/(Va+Vb),其中(Va+Vb)因LVDT結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為一常數(shù)。

1.2.3 位置值(Position)

以一個(gè)10 Vrms信號(hào)輸出LVDT為例，來說明傳感器信號(hào)輸出電壓和位置值間關(guān)系，如圖3所示。

圖3 LVDT輸出電壓和位置值關(guān)系

1.3 PCI-76C2板卡

母版結(jié)構(gòu)圖[4]如圖4所示。

圖4 PCI-76C2多功能I/O卡

1)應(yīng)用于多功能I/O和串行通信；

2)母版上提供3個(gè)獨(dú)立的模塊插槽，用戶按應(yīng)用選用多功能或串行通信模塊；

3)自動(dòng)后臺(tái)BIT診斷持續(xù)地檢測(cè)和報(bào)告每通道運(yùn)行狀況；

4)78管腳孔型D-Sub連接器；

5)軟件開發(fā)包Software Support Kit(SSK)和驅(qū)動(dòng)支持。

NAI靈活、領(lǐng)先、全程可編程和后臺(tái)Built-In-Test(BIT) 診斷持續(xù)地檢測(cè)和報(bào)告每通道運(yùn)行狀況。一旦某個(gè)出錯(cuò)被檢測(cè)到，立即報(bào)告和標(biāo)明具體通道并解決故障。所有這些對(duì)用戶完全透明，無需額外編程，不對(duì)卡的正常操作產(chǎn)生影響。

1.4 LVDT測(cè)量模塊(MODULE L)

LVDT測(cè)量模塊[6](Measurement MODULE L)結(jié)構(gòu)如圖5所示。4個(gè)相互獨(dú)立的LVDT測(cè)量通道，可編程為2線或3線/4線LVDT傳感器接入方式。所有信號(hào)輸入電壓(Input Voltages)和參考電壓(Reference Voltages)自適應(yīng)。

圖5 LVDT測(cè)量模塊結(jié)構(gòu)圖

分辨率：16位；

輸入格式：LVDT或RVDT；

信號(hào)輸入電壓VL-L：2～28 Vrms自適應(yīng)；

激勵(lì)電壓：2～28 Vrms自適應(yīng)，2線時(shí)數(shù)字測(cè)量輸出計(jì)算需要用到，3/4線不同相信號(hào)/噪聲抑制和激勵(lì)丟失狀態(tài)的需要；

輸入阻抗：60 kΩ；

精度：0.025%FS；

帶寬(Bandwidth)：缺省設(shè)置激勵(lì)頻率的10%到100 Hz。BW基于每通道上可編程，用戶不得不每次熱啟預(yù)置所有參數(shù)，或者按缺省值設(shè)置；

激勵(lì)頻率：1～3 kHz自適應(yīng)(參見模塊型號(hào))；

相位偏移：自動(dòng)補(bǔ)償傳感器激勵(lì)與輸出相位偏移±60°max.3/4線方式忽略相位偏移)；

環(huán)繞式自檢測(cè)：利用編程指令實(shí)現(xiàn)3類強(qiáng)大檢測(cè)方法；

地(Ground)：信號(hào)輸出與激勵(lì)隔離，通道間及系統(tǒng)地相互隔離。

1.4.1 LVDT接入方式

與LVDT組成2線系統(tǒng)如圖6所示。將LVDT信號(hào)輸出A-B接入測(cè)量通道信號(hào)輸入A端，將來自傳感器側(cè)的激勵(lì)反饋既接入測(cè)量通道信號(hào)輸入B端，又接入激勵(lì)參考端。這樣，激勵(lì)信號(hào)既參與位置值計(jì)算，也能讓板卡實(shí)現(xiàn)對(duì)激勵(lì)信號(hào)斷線偵測(cè)作用。

圖6 2線LVDT接入法

而3線/4線系統(tǒng)如圖7所示。將LVDT信號(hào)輸出A和B分別接入測(cè)量通道信號(hào)輸入A和B上，來自傳感器側(cè)的激勵(lì)反饋雖接入激勵(lì)參考端，但并不參與位置值計(jì)算，僅起讓板卡實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)掉線偵測(cè)作用，

圖7 3線/4線LVDT接入法

1.4.2 讀取位置值

隨著LVDT和測(cè)量通道的接入方式的不同組成相應(yīng)的系統(tǒng)，在全標(biāo)稱量程范圍內(nèi)，調(diào)理輸出信號(hào)值亦不同。

2線系統(tǒng)，輸出信號(hào)表達(dá)式A/B，最后進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)位移信號(hào)電壓值為(Va-Vb)/VExc；

3線/4線系統(tǒng)，輸出信號(hào)表達(dá)式(A-B)/(A+B)，亦即最后進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)位移信號(hào)電壓值為(Va-Vb)/(Va+Vb)；

表達(dá)式中A和B分別代表接入測(cè)量通道信號(hào)輸入A和B信號(hào)屬性。

從對(duì)應(yīng)通道位置數(shù)據(jù)寄存器(Position Data Register)讀取位置值，數(shù)據(jù)格式為二補(bǔ)數(shù)，最大正偏移7FFF，零位為0，最大負(fù)偏移8000。

1.5 DLV仿真模塊

DLV (Digital-to-LVDT/RVDT) 仿真模塊[6]結(jié)構(gòu)(Simulation Module 5)如圖8所示。3個(gè)相互獨(dú)立L/RVDT輸出通道，每輸出通道可編程為2線或3線/4線模式，環(huán)繞式自檢測(cè)功能。激勵(lì)電壓和信號(hào)電壓在2.0～28 V范圍內(nèi)可任意編程,激勵(lì)頻率在47 Hz～10 kHz間可選 (參見模塊型號(hào))。提供一路激勵(lì)輸入公用給每路輸出。用于模擬真實(shí)L/RVDT傳感器2線或3線/4線輸出模式。

圖8 DLV仿真模塊結(jié)構(gòu)圖

為每一對(duì)輸出設(shè)置相同的最大輸出電壓與激勵(lì)電壓間變壓比TR(Transformation Ratio)，即TR=Max Output Voltage/Excitation Voltage，采用此法有助于消除激勵(lì)電壓發(fā)生了變化而可編程絕對(duì)輸出電壓值并未隨激勵(lì)發(fā)生變化引起的誤差。

輸出通道：3個(gè)相互獨(dú)立LVDT或RVDT輸出通道；

分辨率：16位(0.001526% FS)；

線性度: ±0.1%FS (0.2<=TR<=2.0)；

輸出增益：±0.1%；

輸出模式：可配置為2線或3線/4線，電位隔離，輸出電壓可編程為定值或變壓比(ratio-metric)TR；

輸出信號(hào)電壓VL-L：2～11.8 Vrms可編程；

輸出負(fù)載：0.1 VA max.@11.8 Vrms或28 Vrms(隨電壓降低線性比率下降) ；

規(guī)程(VL-L)：±5% max.(空載到滿負(fù)荷)；

輸入激勵(lì)電壓：2～28 Vrms自適應(yīng)(參見模塊型號(hào))；

輸入激勵(lì)頻率：1～3 kHz自適應(yīng)(參見模塊型號(hào))；

相位偏移(A/B)：可編程相位自動(dòng)補(bǔ)償0.5°max.(信號(hào)輸出與參考點(diǎn)間)；

輸出建立時(shí)間：≮100 μs；

地(Ground)：信號(hào)輸出與激勵(lì)隔離，通道間及系統(tǒng)地相互隔離。

LVDT仿真輸出

3個(gè)相互獨(dú)立LVDT/RVDT輸出通道，可編程為2線或3線/4線仿真輸出模式。

DLV寫入位置值(Position)

將代表某個(gè)POSITION的二補(bǔ)數(shù)寫入對(duì)應(yīng)通道數(shù)據(jù)寄存器(Data Register)，寄存器值范圍：-1.00

計(jì)算式：Register Value(Position)=POSITION*32768。

例：想要寫入POSITION=-0.5，Position =-0.5*32768=-16384 (0xC000)

想要寫入POSITION=0.75，Position =0.75*32768=24576 (0x6000)

3/4線方式輸出電壓(Output Voltages)：

Va=Excitation_Voltage*TR*[Position/2+0.5]

Vb=Excitation_Voltage*TR*[1-(Position/2+0.5)]

2線方式輸出電壓(Output Voltages)：

V=Excitation_Input*TR*Position

注意3/4線與2線方式下輸出電壓計(jì)算式的些許區(qū)別。

2 應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

2.1 RVDT-2391

多摩川2391型民用航空專用RVDT傳感器[9]，其輸出電壓和角度關(guān)系如圖9所示。性能指標(biāo)：

初級(jí)線圈勵(lì)磁電壓：7.07±0.1 Vrms；

勵(lì)磁頻率：1800±120 Hz；

次級(jí)線圈電壓和：6.1 Vrms±10%；

靈敏度系數(shù)((Va-Vb)/(Va+Vb))：0.0159 Vrms/Vrms/°；

精度(±36°)：±0.18°；

輸入阻抗：353Ω Min.。

圖9 RVDT-2391輸出電壓和角度關(guān)系

2.2 ACE系統(tǒng)

四余度RVDT利用各自線纜集中在一個(gè)圓形針式連接器底座上，再通過孔式連接器插頭通過線纜接入ACE系統(tǒng)，RVDT電氣連接如圖10所示，支持4線RVDT接入方式。

圖10 ACE系統(tǒng)

2.3 MOOG控制系統(tǒng)

MOOG多通道協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)[10]，提供的RVDT電氣連接如圖11所示，顯然支持3線RVDT接入方式。

圖11 MOOG控制系統(tǒng)

2.4 RVDT采集卡

在76C2母版3個(gè)模塊插槽僅需插入一塊LVDT測(cè)量模塊(Measurement MODULE L)，因每塊測(cè)量模塊提供4路相互獨(dú)立的RVDT輸入通道，這樣，采集卡可為用戶提供4個(gè)RVDT接入通道，且每輸入通道可編程為2線或3線/4線模式。系統(tǒng)中采集卡負(fù)責(zé)將真實(shí)RVDT的位置數(shù)據(jù)采集到系統(tǒng)中。

2.5 RVDT仿真卡

76C2母版3個(gè)模塊插槽可以各插入一塊RVDT仿真模塊(Simulation MODULE 5)。每塊DLV仿真模塊共享一路激勵(lì)輸入且每一對(duì)輸出通道設(shè)置相同變壓比TR。因此，2塊76C2板卡統(tǒng)共6個(gè)模塊插槽全插上DLV仿真模塊，每塊DLV仿真模塊僅使用1/2通道，這樣最多可得到12個(gè)RVDT模擬輸出通道，且每個(gè)模擬輸出通道可分別編程為2線或3線/4線模式。每只真實(shí)RVDT劃定一塊DLV，且使用其1/2輸出通道，利用系統(tǒng)中仿真卡想要將采集卡得到位置數(shù)據(jù)以2路RVDT模擬輸出[7-8]，從而滿足將四/六余度RVDT電信號(hào)一分為二的現(xiàn)實(shí)需求。

2.6 RVDT信號(hào)分配器

首先，選取一套和四余度RVDT連接器同型號(hào)連接器，制作一條轉(zhuǎn)換電纜如圖12所示。

圖12 轉(zhuǎn)換電纜

RVDT側(cè)孔式插頭，ACE側(cè)針式插頭，分別用于匹配原針式底座和孔式插頭。然后利用線纜將各個(gè)RVDT的激勵(lì)電壓對(duì)應(yīng)管腳連接起來，原則上激勵(lì)電壓仍然由ACE系統(tǒng)端供給。

RVDT采集與仿真系統(tǒng)由一臺(tái)PC機(jī)和3塊PCI-76C2多功能卡組成，在軟/硬件系統(tǒng)共同作用下實(shí)現(xiàn)RVDT信號(hào)分配器功能,其系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖13所示，采集卡的RVDT輸入通道與仿真卡的DLV仿真模塊編號(hào)統(tǒng)一，分別用來對(duì)應(yīng)四余度RVDT。

將RVDT側(cè)孔式插頭上對(duì)應(yīng)于各RVDT信號(hào)輸出管腳利用線纜按3線/4線方式分別接入采集卡RVDT輸入通道中；通過在插頭管腳上并線形式將各RVDT激勵(lì)電壓反饋分別接入仿真卡各仿真模塊的激勵(lì)輸入端，目的為仿真模塊引入動(dòng)態(tài)變壓比TR。將仿真卡上每塊仿真模塊的模擬輸出通道1以4線方式接入ACE側(cè)針式插頭相應(yīng)管腳上，模擬輸出通道2以3線方式接入MOOG系統(tǒng)控制通道[11]中。最后通過軟件編程實(shí)現(xiàn)想要的RVDT信號(hào)分配器的各項(xiàng)功能，當(dāng)然想要得到真實(shí)的工程值需對(duì)MOOG系統(tǒng)標(biāo)定一下。

3 結(jié)束語

在機(jī)載設(shè)備地面模擬試驗(yàn)裝置的研制中，由于空間及不可破壞性等諸多因素限制，特設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了該RVDT信號(hào)分配器。這樣，試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，同一個(gè)RVDT信號(hào)源能為兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)采集；試驗(yàn)結(jié)束后，ACE系統(tǒng)又能夠快速恢復(fù)原狀。設(shè)計(jì)時(shí)基于RVDT屬變壓器式，其勵(lì)磁輸入(初級(jí))和信號(hào)輸出(次級(jí))是完全隔離的。同時(shí)，PCI多功能板卡同樣做到激勵(lì)與信號(hào)輸出、通道間及系統(tǒng)地相互隔離。充分考慮了與 RVDT、測(cè)控系統(tǒng)的兼容性[12]。該系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試、驗(yàn)證，目前已經(jīng)投入使用，工作穩(wěn)定、可靠，完全滿足試驗(yàn)方對(duì)于測(cè)控系統(tǒng)的技術(shù)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 薛 瀛.論電子調(diào)整在飛控系統(tǒng)RVDT精度控制的應(yīng)用[M].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2015，31(4)：102-105.

[2] 李 飛，張 勇，陳惠琴.交流差動(dòng)變壓器式位移傳感器數(shù)字調(diào)理方法[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011(1)：84-86.

[3] 魏 婷，夏德天.基于LVDT/RVDT的交流模擬量解調(diào)方法研究[J].航空計(jì)算技術(shù)，2013，43(1)：116-119.

[4] 美國北大西洋工業(yè)公司.PCI-76C2 Multi-Function I/O Card Operation Manual(多功能I/O卡操作手冊(cè))[Z]. 2016.

[5] 王 龍，史麗晨，王海濤.基于LVDT的新型信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015,23(3)：953-955.

[7] 劉 濤，張大鵬.一種用于發(fā)動(dòng)機(jī)仿真平臺(tái)的線性可變差動(dòng)變壓器模擬器的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014,22(3)：956-958.

[8] 何宴輝，汪理虎，劉 濤.基于幅頻自校準(zhǔn)的高精度LVDT模擬器設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2016,24(7)：268-271.

[9] 日本TAMAGAWA/多摩川. RVDT-2391 Operations Manual(操作手冊(cè))[Z]. 2006.

[10] 荷蘭MOOG.Test Controller Unit User Manual(測(cè)試控制器用戶手冊(cè))[Z].2010.

[11] 王 寬，宮海波.基于AD698的線性差動(dòng)式位移傳感器解碼電路設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2017,25(3)：169-171.

[12] 美國精量(MEAS).LDM-1000 LVDT/RVDT Signal Conditioning Module(LVDT/RVDT信號(hào)調(diào)節(jié)器模塊)[Z]. 2016.