引 言
近年來(lái)，電高度表的音隨著人類交通業(yè)不斷前進(jìn)以及相關(guān)技術(shù)的響告支持， 中國(guó)民用航空得到了快速發(fā)展，號(hào)測(cè)已成為人們出行方式中不可或缺的一種。當(dāng)飛行器的飛行高度低于預(yù)置高度時(shí)，無(wú)線電高度表音響會(huì)發(fā)出告警信號(hào)，提醒飛行員提高警惕，注意飛行高度。因此音響告警信號(hào)的品質(zhì)尤為重要，其各項(xiàng)指標(biāo)決定了能否在第一時(shí)間引起飛行員的注意，音響告警信號(hào)的測(cè)試方法及指標(biāo)的準(zhǔn)確度重要性不言而喻 [1]。以往的音響告警信號(hào)測(cè)試采用示波器結(jié)合人工秒表的方式實(shí)現(xiàn)，操作繁瑣且存在因人工操作產(chǎn)生的誤差。為此，在制作專用試驗(yàn)器時(shí)提出了自動(dòng)、單次測(cè)試的要求，避免人工操作產(chǎn)生的誤差對(duì)結(jié)果造成影響[2]。
1 對(duì)音響告警信號(hào)的性能要求及高度表實(shí)現(xiàn)電路
主機(jī)廠根據(jù)某型飛機(jī)的實(shí)際使用需求，對(duì)音響告警信號(hào)提出如下性能要求：
（1）電壓范圍為 4 ～7 V；
（2）頻率范圍為（600 200）Hz ；
（3）持續(xù)時(shí)間為 3 ～7 s。
針對(duì)主機(jī)提出的音響告警信號(hào)要求，在設(shè)計(jì)無(wú)線電高度表音響告警信號(hào)時(shí)采用了電容放電方式作為時(shí)間基準(zhǔn)，頻率發(fā)生器采用成熟的LM555 搭配典型電路設(shè)計(jì)。電路原理如圖 1 所示。
2 測(cè)試方法思考
2.1 音響告警信號(hào)的分析
通過(guò)LM555 時(shí)基電路產(chǎn)生的音響告警信號(hào)為交流方波信號(hào)，其最大有效值為 7 V，方波的峰值電壓范圍在 14 V 內(nèi)。根據(jù)電路及實(shí)際應(yīng)用情況可知，方波正半周電壓值大于負(fù)半周電壓值，設(shè)計(jì)測(cè)量采集 14 V 范圍內(nèi)的電壓，以正半周為主；
理論頻率值為 623 Hz，設(shè)計(jì)測(cè)量范圍為 0.0 ～999.9 Hz ；理論時(shí)間為 4 s，設(shè)計(jì)測(cè)量范圍為 0.0 ～9.9 s。所有項(xiàng)目的測(cè)量誤差應(yīng)小于10%。音響告警信號(hào)波形示意如圖 2 所示。
2.2 實(shí)現(xiàn)方法理論分析
通過(guò)對(duì)音響告警信號(hào)的分析，峰值電壓的采集方式采用12 位 A/D 差分電路測(cè)量 14 V 范圍內(nèi)的電壓值，采集電壓的理論分辨率為：
V =（+14－（－14））/212=0.006 8 V
考慮到電路特性及環(huán)境干擾，即使增大一個(gè)誤差數(shù)量級(jí)，
其實(shí)際采樣分辨率 VC<0.1 V，依舊能夠滿足測(cè)試精度的要求，因此可采用周期除以時(shí)間的方式測(cè)試頻率。音響告警信號(hào)??可能存在分布不均勻的情況，故采用多周期采集、取平均值的方式計(jì)算，以提高測(cè)量精度。音響告警信號(hào)周期采集采用方波邊沿觸發(fā)中斷方式，以確保實(shí)現(xiàn)方法的可靠性及響應(yīng)的及時(shí)性。周期信號(hào)采集選擇定時(shí)器方式，采用最小指令周期為1μs 的單片機(jī)定時(shí)器，其最大定時(shí)器周期為 65 ms。當(dāng)頻率為999.9 Hz 時(shí)，邊沿觸發(fā)時(shí)間間隔為 500 μs，信號(hào)周期為1 ms， 因此C8051F 系列單片機(jī)可滿足測(cè)試精度要求。
響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試方法采用當(dāng)前方波周期個(gè)數(shù)乘以頻率的方式，通過(guò)計(jì)算即可得到當(dāng)前方波所用時(shí)間。
3 實(shí)現(xiàn)方法設(shè)計(jì)
3.1 硬件設(shè)計(jì)
3.1.1 電壓采集電路設(shè)計(jì)
考慮到音響告警信號(hào)的電壓范圍為 14V，而文中采用的A/D芯片達(dá)不到該信號(hào)的測(cè)量范圍要求，所以對(duì)電壓信號(hào)做分壓處理。分壓電阻采用擁有 1精度的金屬模電阻，將10kΩ 電阻串聯(lián)進(jìn)行分壓（分壓作預(yù)留，用于滿足測(cè)試的兼容性，最大測(cè)量范圍為 20 V），使分壓后的電壓在 10 V 范圍內(nèi)，便于信號(hào)采集。
3.1.2 降壓與比較處理
為采集音響告警信號(hào)的周期信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行降壓處理。經(jīng)比較處理（因電壓值正半周大于負(fù)半周，所以比較電壓采用+3.3 V）使輸出的信號(hào)能夠滿足中斷邊沿觸發(fā)條件及電平范圍。
有效電壓計(jì)算流程如圖 3 所示。
3.2 軟件設(shè)計(jì)
3.2.1 有效電壓計(jì)算軟件設(shè)計(jì)
音響告警信號(hào)為占空比 50% 的方波信號(hào)，根據(jù)功率等效方法計(jì)算有效電壓。
當(dāng)方波信號(hào)邊沿觸發(fā)中斷時(shí)，適當(dāng)延時(shí)后通過(guò) A/D 采集 音響告警信號(hào)電壓值，并逐個(gè)比較，將正半周最大值和負(fù)半周 最小值分別保存在相應(yīng)寄存器中。將采集到的數(shù)據(jù)按上述公 式進(jìn)行計(jì)算（公式中的電壓值為絕對(duì)值）。
程序流程如圖 4 所示。
3.2.2 頻率信號(hào)采集軟件設(shè)計(jì)
頻率信號(hào)的采集采用周期除以時(shí)間的方式進(jìn)行。文中采 用多周期采集取平均值的方式計(jì)算，通過(guò)中斷方式采集電平邊 沿（兩次上升沿之間即為方波的一個(gè)周期）觸發(fā)個(gè)數(shù)（設(shè)定為 30 個(gè)），在邊沿觸發(fā)中斷中啟動(dòng)定時(shí)器，當(dāng)采集到 30 個(gè)信號(hào) 時(shí)關(guān)閉定時(shí)器，并將采集時(shí)間保存到寄存器中。頻率計(jì)算公式 如下：
3.2.3 時(shí)間長(zhǎng)度采集軟件設(shè)計(jì)
因響應(yīng)時(shí)間無(wú)法確定，因此無(wú)法通過(guò)硬件或軟件等方式 得到具體時(shí)間。但可采用累計(jì)方式確定，即通過(guò)邊沿觸發(fā)中斷 得到的方波周期個(gè)數(shù)除以得到的頻率值計(jì)算得到當(dāng)前方波周 期，直到最后一個(gè)邊沿觸發(fā)中斷結(jié)束，計(jì)數(shù)不再改變，得到 的總時(shí)間即為響應(yīng)時(shí)間。計(jì)算公式為：
響應(yīng)時(shí)間計(jì)算流程如圖 6 所示。
3.3 容錯(cuò)設(shè)計(jì)
音響告警信號(hào)可能出現(xiàn)不告警、指標(biāo)超限及誤差較大等現(xiàn)象，針對(duì)可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行軟/ 硬件容錯(cuò)設(shè)計(jì)。
針對(duì)電壓可能出現(xiàn)的超過(guò)預(yù)期值的范圍，在電路硬件設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)輸入電壓進(jìn)行分壓、降壓處理，兼容電壓范圍為 20V。在無(wú)線電高度表電路設(shè)計(jì)中采用 15V電源，做 20V電壓預(yù)留以滿足測(cè)試要求。軟件采集的信號(hào)通過(guò)分壓-倍乘的方式還原為實(shí)際電壓并在試驗(yàn)器音響告警信號(hào)測(cè)試顯示界面顯示。
頻率信號(hào)可能出現(xiàn)無(wú)輸出及頻率范圍過(guò)大等現(xiàn)象。測(cè)試開(kāi)始后，通過(guò)軟件對(duì)無(wú)中斷觸發(fā)設(shè)置 0.5s等待時(shí)間，無(wú)信號(hào)輸入0.5s后便不再等待，通過(guò)顯示屏顯示測(cè)試結(jié)果。無(wú)線電高度表試驗(yàn)器音響告警信號(hào)測(cè)試顯示界面如圖 7所示。
當(dāng)頻率值超過(guò)顯示上限值 999.9 Hz 時(shí)，通過(guò)軟件解算程序進(jìn)行超限控制，不再解算超出上限的頻率值，將超限的頻率值顯示為超限標(biāo)識(shí) Hz ，如圖 8 所示。
響應(yīng)時(shí)間也存在無(wú)輸出及頻率范圍過(guò)大等現(xiàn)象，同頻率值無(wú)輸出及超限顯示。當(dāng)無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，現(xiàn)象如圖7所示。當(dāng)響應(yīng)時(shí)間超過(guò)顯示上限值9.9s時(shí)，通過(guò)軟件解算程序進(jìn)行容錯(cuò)控制，不再解算超上限時(shí)間值，將頻率值顯示為超限標(biāo)識(shí)s，如圖8所示。
4 實(shí)現(xiàn)方法的計(jì)量及應(yīng)用
4.1 實(shí)現(xiàn)方法的計(jì)量
為驗(yàn)證測(cè)試方法的可行性及準(zhǔn)確性，采用標(biāo)準(zhǔn)源、多組數(shù)據(jù)、多種狀態(tài)輸入方式進(jìn)行驗(yàn)證。信號(hào)源采用校驗(yàn)合格的波形發(fā)生器，選取的數(shù)據(jù)范圍為輸入可能出現(xiàn)的任意值，進(jìn)行了多次測(cè)試。多組數(shù)據(jù)、多種狀態(tài)輸入數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表 1 所列。
通過(guò)表 1中的測(cè)試數(shù)據(jù)可知，音響告警信號(hào)的測(cè)試方法能夠完成自動(dòng)，可單次測(cè)量電壓有效值、頻率值及響應(yīng)時(shí)間。測(cè)試數(shù)據(jù)電壓誤差范圍在 2.5% 以內(nèi)，頻率誤差范圍在 0.25%以內(nèi)，響應(yīng)時(shí)間的誤差范圍在 3.3% 以內(nèi)。在音響告警信號(hào)正常范圍內(nèi)，能夠滿足測(cè)試誤差小于 10% 的要求。測(cè)試結(jié)果滿足預(yù)期音響告警信號(hào)測(cè)試的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，包括有效范圍內(nèi)的測(cè)試數(shù)據(jù)、無(wú)信號(hào)及超限時(shí)的測(cè)試結(jié)果。
4.2 實(shí)現(xiàn)方法的實(shí)際應(yīng)用
將此方案引入某型無(wú)線電高度表試驗(yàn)器設(shè)計(jì)中，對(duì)試驗(yàn)器進(jìn)行硬件及軟件設(shè)計(jì)。將該方法應(yīng)用于高度表產(chǎn)品的交檢及外場(chǎng)排故過(guò)程中進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果完全能夠滿足要求。測(cè)試結(jié)果如圖 9 所示。
5 結(jié) 語(yǔ)
為實(shí)現(xiàn)針對(duì)音響告警信號(hào)電壓、頻率、時(shí)間的自動(dòng)、單次測(cè)試，從對(duì)音響告警信號(hào)特性、測(cè)試方法的分析，到實(shí)現(xiàn)方法的原理及實(shí)際硬/ 軟件設(shè)計(jì)，再到后期的指標(biāo)計(jì)量及實(shí)際情況的應(yīng)用，證明此測(cè)試方法能夠滿足高度表的音響告警信號(hào)輸出特性及指標(biāo)要求。通過(guò)對(duì)無(wú)線電高度表試驗(yàn)器進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，減少了人工測(cè)試音響告警信號(hào)的時(shí)間與人工操作的誤差，可為后續(xù)試驗(yàn)器設(shè)計(jì)音響告警信號(hào)測(cè)試電路提供參考。
