CN104238417A - 一种数字式大气数据计算机及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空大气数据检测技术领域，公开了一种数字式大气数据计算机及其实现方法。该数字式大气数据计算机包括皮托管和温度传感器，所述皮托管上设置有总压管和静压管；所述总压管出口处设置有第一数字式气压传感器，所述静压管出口处设置有第二数字式气压传感器；所述数字式大气数据计算机还包括运算放大器、模数转换器以及信号处理电路，所述运算放大器的输入端电连接所述温度传感器的信号输出端，所述运算放大器的输出端电连接所述模数转换器的输入端；所述信号处理电路包括FPGA芯片以及DSP芯片，所述FPGA芯片的输入端分别电连接第一数字式气压传感器、第二数字式气压传感器以及模数转换器，所述FPGA芯片电连接DSP芯片。

Description

一种数字式大气数据计算机及其实现方法

技术领域

本发明属于航空大气数据检测技术领域，特别涉及一种数字式大气数据计算机及其实现方法。

背景技术

大气数据计算机(Air Data Computer，ADC)是一种多输入多输出的机载综合测量系统，又称大气数据中心仪。它根据传感器测得的少量原始信息，如静压、全压、总温、迎角等计算出较多的与大气数据有关的参数，如飞行高度、高度偏差、升降速度、真实空速、指示空速、马赫数、马赫数变化率、总温、真实静压、大气静温、大气密度比、真实迎角等，然后将计算出的参数送给座舱显示系统、飞行控制系统、导航系统、发动机控制系统、火力控制系统等机载系统。数字式大气数据计算机(DADC)是按照美国航空无线电公司规范ARINC706(DADC)和ARINC429(DITS)规定的标准而设计的。数字式大气数据计算机应用微处理机和半导体存储器技术，由程序直接完成大气数据的计算。数字大气数据计算机是一种技术含量高、功能多、处理数据量大、精度要求高且造价昂贵的电子设备。但是，现有的数字大气数据计算机存在以下缺点：产品体积大、重量高、精度低、标准化程度低，数据处理时间较长。

发明内容

本发明的目的在于提出一种数字式大气数据计算机及其实现方法，该数字式大气数据计算机具有体积小、重量轻、精度高、成本低、性能稳定等优点。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

技术方案一：

一种数字式大气数据计算机，设置在飞机上，包括用于测量大气全压和大气静压的皮托管、以及用于测量大气温度的温度传感器，所述皮托管上设置有总压管和静压管；所述总压管出口处设置有第一数字式气压传感器，所述静压管出口处设置有第二数字式气压传感器；

所述数字式大气数据计算机还包括运算放大器、模数转换器以及信号处理电路，所述运算放大器的输入端电连接所述温度传感器的信号输出端，所述运算放大器的输出端电连接所述模数转换器的输入端；所述信号处理电路包括FPGA芯片以及DSP芯片，所述FPGA芯片的输入端分别电连接第一数字式气压传感器的信号输出端、第二数字式气压传感器的信号输出端以及模数转换器的输出端，所述FPGA芯片电连接DSP芯片。

本技术方案的特点和进一步改进在于：

所述FPGA芯片分别通过控制信号线、地址总线、数据总线电连接所述DSP芯片。

所述一种数字式大气数据计算机，还包括上位机，所述上位机通过RS422总线电连接所述FPGA芯片。

所述一种数字式大气数据计算机，还包括第一数据中心处理器和第二数据中心处理器，所述第一数据中心处理器通过RS422总线电连接所述FPGA芯片，所述第二数据中心处理器通过RS422总线电连接所述FPGA芯片。

所述信号处理电路包括用于向FPGA芯片提供时钟信号的晶振。

所述信号处理电路包括FLASH存储器，所述FLASH存储器分别电连接FPGA芯片和DSP芯片。

技术方案二：

一种所述的数字式大气数据计算机的实现方法，包括以下步骤：

S1：在飞机飞行的过程中，温度传感器实时采集大气温度模拟信号，温度传感器将实时采集的大气温度模拟信号发送至运算放大器，运算放大器对大气温度模拟信号进行放大，并将放大后的大气温度模拟信号发送至模数转换器，模数转换器对放大后的大气温度模拟信号进行模数转换，得到大气温度数字信号，模数转换器将大气温度数字信号发送至FPGA芯片；在飞机飞行的过程中，第一数字式气压传感器实时采集大气全压数据，第二数字式气压传感器实时采集大气静压数据，第一数字式气压传感器实时采集大气全压数据将采集的大气全压数据发送至FPGA芯片，第二数字式气压传感器将采集的大气静压数据发送至FPGA芯片；

S2：FPGA芯片将大气全压数据、大气静压数据和大气温度数字信号发送至DSP芯片，DSP芯片根据当前时刻的大气全压P_T、大气静压P_S和大气温度T_T，得出当前时刻的大气数据。

本技术方案的特点和进一步改进在于：

在步骤S2中，所述当前时刻的大气数据包括：当前时刻的大气动压、标准气压高度、真空速、指示空速、指示空速变化率、升降速度、马赫数和大气静温；当前时刻的大气动压P_q为

P_q＝P_T-P_S

当前时刻的标准气压高度H_P为：

$H_P=\left\{\begin{array}{c}44330.77[1-{\left(\frac{P_S}{101.325}\right)}^{0.190236}],22.627\≤P_S\≤101.325\\ 11000+6337.22\ln \left(\frac{22.627}{P_S}\right),5.468\≤P_S\≤22.627\end{array}\right.$

其中，标准气压高度H_P的单位为米，大气静压P_S的单位为千帕；

当前时刻的真空速V为：

$V=1225.08\sqrt{5[{(1+\frac{P_q}{101.325})}^{3.5}-1]}\·{(1-2.25577\×{10}^{-5}{H}_P)}^{-2.126}(\mathrm{km}/h)$

其中，当前时刻的大气动压P_q的单位为千帕，标准气压高度H_P的单位为米；

当前时刻的指示空速V_i为：

$V_i=1225.08\sqrt{5[{(1+\frac{P_q}{101.325})}^{3.5}-1]}(\mathrm{km}/h)$

其中，当前时刻的大气动压P_q的单位为千帕；

当前时刻的指示空速变化率ΔV_i为：

ΔV_i＝(V_i(n)-V_i(n-1))/(t(n)-t(n-1))(km/h²)

其中，V_i(n)为当前时刻的指示空速，单位为km/h，V_i(n-1)为上一时刻的指示空速，单位为km/h，t(n)-t(n-1)为当前时刻与上一时刻的时间差，单位为小时；

当前时刻的升降速度V_H(n)为：

V_H(n)＝(H_P(n)-H_P(n-1))/(t(n)-t(n-1))(m/s)

式中，H_P(n)为当前时刻的标准气压高度，单位为米，H_P(n-1)为上一时刻的标准气压高度，单位为米，t(n)-t(n-1)为当前时刻与上一时刻的时间差，单位为秒；

当前时刻的马赫数M为：

M＝V/a

其中，a表示音速；

大气静温：

T_s＝T_T/(1+0.2M²)

其中，T_T是通过温度传感器测定的大气温度。

在步骤S2之后，DSP芯片将当前时刻的大气数据发送至FPGA芯片，FPGA芯片将当前时刻的大气数据发送至上位机、第一数据中心处理器或第二数据中心处理器。

在步骤1之前，还包括数字式大气数据计算机功能验证过程；

所述数字式大气数据计算机功能验证过程包括以下子步骤：上位机预先存储有大气参数的模拟数据、以及大气参数的模拟数据对应的大气数据理论值，所述大气参数的模拟数据包括：大气全压、大气静压和大气温度；上位机向FPGA芯片发送大气参数的模拟数据，FPGA芯片向DSP芯片发送大气参数的模拟数据，DSP芯片根据大气参数的模拟数据得出大气数据的实际值，DSP芯片将大气数据的实际值通过FPGA芯片发送至上位机；在上位机中，计算大气数据的实际值、以及大气参数的模拟数据对应的大气数据理论值的相对误差，若每一项大气数据的实际值和理论值的相对误差小于设定阈值，则说明数字式大气数据计算机能够正常工作，否则，认为数字式大气数据计算机出现故障。

本发明的有益效果为：

本发明公开了一种数字式大气数据计算机及其实现方法，具有体积小、重量轻、精度高、成本低、性能稳定、软件可移植性强等优点。电路布局紧凑合理，使得尺寸达到187.4mm*165mm*34mm，总重量小于1kg，比一般现有的机载大气数据计算机更小、更轻。而且由于选用的多为低功耗器件，总体功耗小于10W。本发明选用了RS422串行口以及可扩展的并行口，与外围设备进行连接，接口丰富，扩展性强；本发明的硬件程序主要用Verilog HDL语言进行编写，具有很强的逻辑性，能有序的控制各个模块之间的交联。本发明的软件程序主要用C语言进行编写，可读性强，可移植性强，便于维护和升级；本设计还包含了测试系统软件，能够模拟输入大气数据和综合显示界面，为设计的测试和后续算法的测试带来极大方面，并且大大降低了成本。

附图说明

图1为本发明的一种数字式大气数据计算机的结构示意图；

图2为本发明的数据处理电路的结构示意图；

图3为本发明的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参照图1，为本发明的一种数字式大气数据计算机的结构示意图。参照图2，为本发明的数据处理电路的结构示意图。本发明的一种数字式大气数据计算机包括皮托管，皮托管又称空速管，在本发明中，皮托管用于测量大气全压和大气静压。皮托管上设置有总压管和静压管，总压管出口处设置有第一数字式气压传感器，静压管出口处设置有第二数字式气压传感器。这样通过皮托管和第一数字式气压传感器的组合使用，就可以采集到大气总压的实时信号(数字信号)。通过皮托管和第二数字式气压传感器的组合使用，就可以采集到大气静压的实时信号(数字信号)。

第一数字式气压传感器和第二数字式气压传感器均采用honeywell公司的高精度数字传感器，型号为IPT0020A33R-E10-20PSI，其具有高精度、稳定性好、迟滞误差小、不易受温度改变影响的特点。每个数字式气压传感器的内部包含两片模数转换芯片和一片EEPROM(Electrically ErasableProgrammable Read-Only Memory，电可擦可编程只读存储器芯片)。EERPOM芯片中存储了该数字式气压传感器的内部校正系数，用于精确计算压力数据的测量结果；在外部时序控制下，两片模数转换芯片可以分别输出24位数字信号和16位数字信号，在读取出EEPROM芯片中存储的该传感器校正后的系数之后，根据运算公式可以准确的计算出一个精确度很高的数字气压数据。

本发明实施例中，上述数字式大气数据计算机还包括温度传感器，用于测量大气总温。该温度传感器为模拟温度传感器。温度传感器的性能指标直接影响测试结果，其选择综合考虑传感器的结构、温度测量范围和灵敏度、线性度、响应时间、稳定度以及互换性等因素。本发明实施例中，温度传感器的型号为GWR-3，该温度传感器具有如下特性：采用金属铂的铠装热电阻探头进行测量，测量范围为-90℃～+180℃，灵敏度为5mV/℃，响应时间为1S，采用四线制的信号连接方式，消除了导线线路电阻带来的测量误差，具有非常高的精度。且具备以下优点：1)体积小，内部无空气隙，测量滞后小；2)机械性好、耐振，抗冲击，能弯曲，便于安装；3)具有不易被污染的环境等因素影响，可保证长期稳定和可重复性，使用寿命长。

本发明实施例中，上述数字式大气数据计算机还包括运算放大器和模数转换器，运算放大器的输入端电连接上述温度传感器的信号输出端，上述运算放大器的输出端电连接上述模数转换器的输入端；当温度传感器采集到温度模拟信号时，温度模拟信号经运算放大器放大后被发送至模数转换器中，模数转换器对接收到的信号进行模数转换，即可得到对应的数字信号。

本发明实施例中，上述数字式大气数据计算机还包括数据处理电路，该数据处理电路包括FPGA芯片以及DSP芯片，本发明实施例中，FPGA主要完成时序控制，DSP是主要处理器，完成数据的运算和修正。具体地说，上述FPGA芯片的输入端分别电连接第一数字式气压传感器的信号输出端、第二数字式气压传感器的信号输出端以及模数转换器的输出端。FPGA芯片用于按照设定的时序信号，从第一数字式气压传感器、第二数字式气压传感器和模数转换器接收对应的数字信号。对应的数字信号包括大气全压数字信号、大气静压数字信号以及大气总温数字信号。本发明实施例中，温度传感器、第一数字式气压传感器、第二数字式气压传感器均安装在飞机的外部，用于感应飞机外部气压和温度的变化。

上述FPGA芯片电连接DSP芯片，具体地说，上述FPGA芯片分别通过控制信号线、地址总线(19位)、数据总线(16位)电连接上述DSP芯片。FPGA芯片用于将上述对应的数字信号发送至DSP芯片，DSP芯片中用于根据上述对应的数字信号，并使用数学公式，完成对应的参数的运算，得出参数值。此处，对应的参数包括大气总温、大气静温、大气静压、大气全压、气压高度、飞机真空速、飞机指示空速、飞机升降速度和飞机相对高度。DSP芯片用于将得出的参数值发送至FPGA芯片。

本发明实施例中，上述数字式大气数据计算机还包括外部交互设备，上述外部交互设备电连接FPGA芯片，上述FPGA芯片可以接收来自外部交互设备的数据(例如机场气压数据)，也可以将参数值返回至外部交互设备。下面通过一个具体实施例对外部交互设备进行说明：外部交互设备包括上位机、第一数据中心处理器(DCP)和第二数据中心处理器(每个数据中心处理器设置在飞机的操控台上，具有显示和操作界面，便于实现人机交互，数据中心处理器也称数据处理计算机)，上述上位机通过RS422总线电连接上述FPGA芯片，上述第一数据中心处理器通过RS422总线电连接上述FPGA芯片，上述第二数据中心处理器通过RS422总线电连接上述FPGA芯片。当FPGA芯片从DSP芯片处得到参数值后，将这些参数值转换为符合RS422总线格式的数据，将格式转换后的数据发送至上位机、第一数据中心处理器或第二数据中心处理器。另外，上位机也可以外接显示器，这样就便于驾驶员查看相关大气数据参数。在飞行开始前，可以先行通过第一数据中心处理器和第二数据中心处理器向FPGA芯片发送时序信号。本发明实施例中，上位机的另一个主要功能是提供大气参数的模拟数据，大气参数的模拟数据包括：大气全压、大气静压和大气温度。上位机预先存储有大气参数的模拟数据、以及大气参数的模拟数据对应的大气数据理论值，上位机向FPGA芯片发送大气参数的模拟数据，FPGA芯片向DSP芯片发送大气参数的模拟数据，DSP芯片根据大气参数的模拟数据得出大气数据的实际值，DSP芯片将大气数据的实际值通过FPGA芯片发送至上位机；在上位机中，计算大气数据的实际值、以及大气参数的模拟数据对应的大气数据理论值的相对误差，若每一项大气数据的实际值和理论值的相对误差小于设定阈值，则说明数字式大气数据计算机能够正常工作，否则，认为数字式大气数据计算机出现故障。由上可知，上位机通过产生可实现对整个大气数据计算机系统的功能验证和故障排除。

本发明实施例中，上述数据处理电路包括FLASH存储器、以及用于向FPGA芯片提供时钟信号的晶振(频率为40MHz)，FLASH存储器通过地址总线分别电连接FPGA芯片和DSP芯片，FLASH存储器通过数据总线分别电连接FPGA芯片和DSP芯片。FPGA芯片用于接收来自第一数据中心处理器或第二数据中心处理器的指令，接收上位机发送的模拟参数，能够输出气压高度数据、自检信息等数据信息。根据所接受的指令，能够产生周期上线请求、版本返回、周期上传数据，系统自检等命令。FLASH存储器用于存储来自DSP芯片的程序和数据。

本发明实施例中，FPGA芯片内部主要包括串口通信及解码模块、传感器数据接收和控制模块、DSP控制模块以及FLASH控制模块。串口通信及解码模块用于RS-422串口的收发，即接收两个数据中心处理器发送的控制命令帧，接收上位机发送的大气参数的模拟数据，同时又能够输出气压高度数据、自检信息等数据信息。根据所接受命令，能够产生周期上线请求、版本返回、周期上传数据、系统自检等命令。传感器数据接收和控制模块主要功能是给模数转换器配置正常的工作时序，使FPGA芯片分时采集大气静压数据、全压数据和温度数据，将3路信号的多次转换结果先存储在FPGA芯片内部RAM当中，然后通过总线方式将相应数据有序地发送至DSP芯片。DSP控制模块主要工作是给DSP芯片提供输入时钟、复位信号、控制信号的译码以及控制FPGA芯片与DSP芯片之间的数据通讯。当DSP芯片接收数据时，发起多次memory读操作，FPGA芯片将进行地址译码，以及根据空间选通信号、读写信号的状态将数据放到数据总线上；DSP芯片发送数据时，发起多次memory写操作，FPGA芯片将进行地址译码，以及根据空间选通信号、读写信号的状态将数据从数据总线上读入到FPGA芯片的内部RAM。对于FLASH控制模块，根据本发明的要求，本发明的数字式大气数据计算机在上电后能在接收到工作指令后正常工作，这就要求机场大气静压即场压数据存储在存储器中，掉电后不会丢失。本发明实施例中，FLASH存储器选用FLASH芯片MBM29LV800BA作为存储器。同时，由于DSP芯片内部ROM容量有限，必须外接存储器存储DSP程序，以供DSP芯片上电完成后从外部存储器中将代码搬到用户指定的内部RAM中。因此，FLASH存储器在本发明中起到两个作用：存储场压数据(包括大气全压、大气静压和大气温度)和DSP程序。本发明实施例中，DSP芯片分别连接FLASH数据线和FLASH地址线，DSP芯片中的空间选通信号、读写信号等控制信号均通过对应的控制信号线发送至FPGA芯片，FLASH的控制信号也通过对应的控制信号线发送至FPGA芯片，所以，编制FLASH读写控制模块须完成DSP上电程序加载的Flash时序控制和存储场压数据。

本发明实施例中还提出了上述一种数字式大气数据计算机的实现方法。该数字式大气数据计算机的实现方法包括以下步骤：

S1：在飞机飞行的过程中，温度传感器实时采集大气温度模拟信号，温度传感器将实时采集的大气温度模拟信号发送至运算放大器，运算放大器对大气温度模拟信号进行放大，并将放大后的大气温度模拟信号发送至模数转换器，模数转换器对放大后的大气温度模拟信号进行模数转换，得到大气温度数字信号，模数转换器将大气温度数字信号发送至FPGA芯片；在飞机飞行的过程中，第一数字式气压传感器实时采集大气全压数据，第二数字式气压传感器实时采集大气静压数据，第一数字式气压传感器实时采集大气全压数据将采集的大气全压数据发送至FPGA芯片，第二数字式气压传感器将采集的大气静压数据发送至FPGA芯片。

S2：FPGA芯片将大气全压数据、大气静压数据和大气温度数字信号发送至DSP芯片，DSP芯片根据当前时刻的大气全压P_T、大气静压P_S和大气温度T_T，得出当前时刻的大气数据。上述当前时刻的大气数据包括：当前时刻的大气动压、标准气压高度、真空速、指示空速、指示空速变化率、升降速度、马赫数和大气静温；当前时刻的大气动压P_q为：

P_q＝P_T-P_S

其中，三个气压数据的单位一致，在本设计的计算过程中均取国际标准单位千帕，仅在上传数据时换算为英制单位英寸/汞柱。

当前时刻的标准气压高度H_P为：

$H_P=\left\{\begin{array}{c}44330.77[1-{\left(\frac{P_S}{101.325}\right)}^{0.190236}],22.627\≤P_S\≤101.325\\ 11000+6337.22\ln \left(\frac{22.627}{P_S}\right),5.468\≤P_S\≤22.627\end{array}\right.$

其中，标准气压高度H_P的单位为米，大气静压P_S的单位为千帕。由上述公式算出的气压高度为0～20000m，这是由于在实际应用中对于20000m以上的大高度，由于原理上的原因，气压高度表的测量精度达不到要求，因此一般这种应用场合不用气压高度表测高。

当前时刻的真空速V为：

$V=1225.08\sqrt{5[{(1+\frac{P_q}{101.325})}^{3.5}-1]}\·{(1-2.25577\×{10}^{-5}{H}_P)}^{-2.126}(\mathrm{km}/h)$

其中，当前时刻的大气动压P_q的单位为千帕，标准气压高度H_P的单位为米。

当前时刻的指示空速V_i为：

$V_i=1225.08\sqrt{5[{(1+\frac{P_q}{101.325})}^{3.5}-1]}(\mathrm{km}/h)$

其中，当前时刻的大气动压P_q的单位为千帕。

当前时刻的指示空速变化率ΔV_i为：

ΔV_i＝(V_i(n)-V_i(n-1))/(t(n)-t(n-1))(km/h²)

其中，V_i(n)为当前时刻的指示空速，单位为km/h，V_i(n-1)为上一时刻的指示空速，单位为km/h，t(n)-t(n-1)为当前时刻与上一时刻的时间差，单位为小时。

当前时刻的升降速度V_H(n)为：

V_H(n)＝(H_P(n)-H_P(n-1))/(t(n)-t(n-1))(m/s)

式中，H_P(n)为当前时刻的标准气压高度，单位为米，H_P(n-1)为上一时刻的标准气压高度，单位为米，t(n)-t(n-1)为当前时刻与上一时刻的时间差，单位为秒。

当前时刻的马赫数M(真空速与音速之比)为：

M＝V/a＝{5[(P_T/P_S)^1/3.5-1]}^1/2

其中，a表示音速。

大气静温：

T_s＝T_T/(1+0.2M²)

其中，T_T是通过温度传感器测定的大气温度。

DSP芯片在计算出当前时刻的大气数据之后，DSP芯片将当前时刻的大气数据发送至FPGA芯片，FPGA芯片将当前时刻的大气数据发送至上位机、第一数据中心处理器或第二数据中心处理器。

本发明实施例中，在步骤1之前，还包括数字式大气数据计算机功能验证过程。该数字式大气数据计算机功能验证过程包括以下子步骤：上位机预先存储有大气参数的模拟数据、以及大气参数的模拟数据对应的大气数据理论值，所述大气参数的模拟数据包括：大气全压、大气静压和大气温度；上位机向FPGA芯片发送大气参数的模拟数据，FPGA芯片向DSP芯片发送大气参数的模拟数据，DSP芯片根据大气参数的模拟数据得出大气数据的实际值，DSP芯片将大气数据的实际值通过FPGA芯片发送至上位机；在上位机中，计算大气数据的实际值、以及大气参数的模拟数据对应的大气数据理论值的相对误差，若每一项大气数据的实际值和理论值的相对误差小于设定阈值，则说明数字式大气数据计算机能够正常工作，否则，认为数字式大气数据计算机出现故障。

本发明实施例中，上位机可以采用三种不同的模型向FPGA芯片输入大气参数的模拟数据。下面分别对这三种不同的模型进行说明：

(1)平缓稳定模型。在这种输入条件下，上位机模拟恒定的外界温度、静压和全压数据，通过RS422模拟串口发送至FPGA芯片。整个计算流程同正常工作时相同，并将计算结果(即大气数据的实际值)通过RS422串口发送至每个数据中心处理器(DCP)和上位机。在上位机中，大气数据的实际值、以及大气参数的模拟数据对应的大气数据理论值进行拟合，并计算出相对误差。若相对误差小于5％，则认为数字式大气数据计算机能够正常工作，否则，认为数字式大气数据计算机出现故障。

(2)周期跳变模型。在这种输入条件下，大气参数的模拟数据在允许的变化范围内，采用周期跳变的输入方式(如方波)。计算流程及误差判断同平缓稳定模型，在这种输入条件下，可以判断整个系统对环境突变的适应性，也能验证整个算法的对外界条件的抗干扰性。

(3)线性模型。在这种条件下，大气参数的模拟数据采用线性输入，初值设定在各个参数允许的范围内，并且随着时间增加而增加，直到超出参数的有效范围。计算流程及误差判断同平缓稳定模型，当每个参数在有效范围内增长时，根据相对误差可以判断本发明工作的准确性和稳定性；当参数超出有效范围时，通过观测输出的故障校验位，还可以观察系统对传感器的故障监测功能是否正常。

本发明实施例中，该大气数据计算机具有自检功能，版本查询功能、控制命令功能和正常工作功能。其中自检功能分为开机自检功能、手动自检功能和周期自检功能。开机自检是上电后待系统开始进入工作状态，对各部分进行检查，若出现故障，就对外发送对应的错误代码；周期自检为每工作一定时间对系统做一次检查，若出现故障，就对外发送相应错误代码；手动自检是当接到外部自检信号时，对系统进行检查，若出现故障，就对外发送相应错误代码。版本查询的过程是：通过接受每个数据中心处理器(DCP)发送的请求帧，返回当前工作环境下的软件版本号。控制命令功能的实现过程为：通过接受控制命令帧，根据命令帧中的数据信息，修改当前的机场静压数据。正常工作功能的实现过程为：在接受到任一个数据中心处理器(DCP)的命令后，本发明的数字式大气数据计算机中的各个功能模块进入工作模式，接收传感器转换的结果数据，并通过总线发送给DSP芯片，DSP芯片进行数据的处理和计算，并将运算结果返回给FPGA芯片，FPGA芯片通过串口将最终计算结果发送给对应的数据处理计算机。

参照图3，为本发明的工作流程示意图。下面对该大气数据计算机的工作流程进行说明：开机上电后自动检查，以2Hz频率向两个数据中心处理器发送上线请求，等待数据中心处理器的命令。若收到版本查询命令，则返回系统版本号，并停止上线请求，等待数据中心处理器的发送控制命令或工作命令。若收到控制命令帧，则根据取出命令帧中的场压数据，并且将场压数据存储在系统的存储器中。若收到工作命令，本发明开始进入工作状态，控制各传感器进入转换状态，并且分时接收各路传感器传送的大气静压、大气全压和大气总温数据，经过运算和平滑处理后输出气压高度、相对高度、真空速、指示空速等参数。当输出数据n次以后，系统开始进行周期自检。n为大于1的自然数。若出现故障则返回相应错误代码；若没有故障，系统转入正常工作状态。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种数字式大气数据计算机，设置在飞机上，其特征在于，包括用于测量大气全压和大气静压的皮托管、以及用于测量大气温度的温度传感器，所述皮托管上设置有总压管和静压管；所述总压管出口处设置有用于采集大气总压数据的第一数字式气压传感器，所述静压管出口处设置有用于采集大气静压数据的第二数字式气压传感器；

所述数字式大气数据计算机还包括运算放大器、模数转换器以及信号处理电路，所述运算放大器的输入端电连接所述温度传感器的信号输出端，所述运算放大器的输出端电连接所述模数转换器的输入端；所述信号处理电路包括FPGA芯片以及DSP芯片，所述FPGA芯片的输入端分别电连接第一数字式气压传感器的信号输出端、第二数字式气压传感器的信号输出端以及模数转换器的输出端，所述FPGA芯片电连接DSP芯片。

2.如权利要求1所述的一种数字式大气数据计算机，其特征在于，还包括上位机，所述上位机通过RS422总线电连接所述FPGA芯片。

3.如权利要求1所述的一种数字式大气数据计算机，其特征在于，还包括设置在飞机操控台上的第一数据中心处理器和第二数据中心处理器，所述第一数据中心处理器通过RS422总线电连接所述FPGA芯片，所述第二数据中心处理器通过RS422总线电连接所述FPGA芯片。

4.如权利要求1所述的一种数字式大气数据计算机，其特征在于，所述信号处理电路包括FLASH存储器，所述FLASH存储器分别电连接FPGA芯片和DSP芯片。

5.一种如权利要求1所述的数字式大气数据计算机的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在飞机飞行的过程中，温度传感器实时采集大气温度模拟信号，温度传感器将实时采集的大气温度模拟信号发送至运算放大器，运算放大器对大气温度模拟信号进行放大，并将放大后的大气温度模拟信号发送至模数转换器，模数转换器对放大后的大气温度模拟信号进行模数转换，得到大气温度数字信号，模数转换器将大气温度数字信号发送至FPGA芯片；在飞机飞行的过程中，第一数字式气压传感器实时采集大气全压数据，第二数字式气压传感器实时采集大气静压数据，第一数字式气压传感器实时采集大气全压数据将采集的大气全压数据发送至FPGA芯片，第二数字式气压传感器将采集的大气静压数据发送至FPGA芯片；

S2：FPGA芯片将大气全压数据、大气静压数据和大气温度数字信号发送至DSP芯片，DSP芯片根据当前时刻的大气全压P_T、大气静压P_S和大气温度T_T，得出当前时刻的大气数据。

6.如权利要求5所述的数字式大气数据计算机的实现方法，其特征在于，在步骤S2中，所述当前时刻的大气数据包括：当前时刻的大气动压、标准气压高度、真空速、指示空速、指示空速变化率、升降速度、马赫数和大气静温；当前时刻的大气动压P_q为

P_q＝P_T-P_S

当前时刻的标准气压高度H_P为：

$H_P=\left\{\begin{array}{c}44330.77[1-{\left(\frac{P_S}{101.325}\right)}^{0.190236}],22.627\≤P_S\≤101.325\\ 11000+6337.22\ln \left(\frac{22.627}{P_S}\right),5.468\≤P_S\≤22.627\end{array}\right.$

其中，标准气压高度H_P的单位为米，大气静压P_S的单位为千帕；

当前时刻的真空速V为：

$V=1225.08\sqrt{5[{(1+\frac{P_q}{101.325})}^{3.5}-1]}\·{(1-2.25577\×{10}^{-5}{H}_P)}^{-2.126}(\mathrm{km}/h)$

其中，当前时刻的大气动压P_q的单位为千帕，标准气压高度H_P的单位为米；

当前时刻的指示空速V_i为：

$V_i=1225.08\sqrt{5[{(1+\frac{P_q}{101.325})}^{3.5}-1]}(\mathrm{km}/h)$

其中，当前时刻的大气动压P_q的单位为千帕；

当前时刻的指示空速变化率ΔV_i为：

ΔV_i＝(V_i(n)-V_i(n-1))/(t(n)-t(n-1))(km/h²)

其中，V_i(n)为当前时刻的指示空速，单位为km/h，V_i(n-1)为上一时刻的指示空速，单位为km/h，t(n)-t(n-1)为当前时刻与上一时刻的时间差，单位为小时；

当前时刻的升降速度V_H(n)为：

V_H(n)＝(H_P(n)-H_P(n-1))/(t(n)-t(n-1))(m/s)

式中，H_P(n)为当前时刻的标准气压高度，单位为米，H_P(n-1)为上一时刻的标准气压高度，单位为米，t(n)-t(n-1)为当前时刻与上一时刻的时间差，单位为秒；

当前时刻的马赫数M为：

M＝V/a

其中，a表示音速；

大气静温：

T_s＝T_T/(1+0.2M²)

其中，T_T是通过温度传感器测定的大气温度。

7.如权利要求5所述的数字式大气数据计算机的实现方法，其特征在于，所述数字式大气数据计算机还包括上位机，所述上位机通过RS422总线电连接所述FPGA芯片；

所述数字式大气数据计算机还包括第一数据中心处理器和第二数据中心处理器，所述第一数据中心处理器通过RS422总线电连接所述FPGA芯片，所述第二数据中心处理器通过RS422总线电连接所述FPGA芯片；

在步骤S2之后，DSP芯片将当前时刻的大气数据发送至FPGA芯片，FPGA芯片将当前时刻的大气数据发送至上位机、第一数据中心处理器或第二数据中心处理器。

8.如权利要求5所述的数字式大气数据计算机的实现方法，其特征在于，所述数字式大气数据计算机还包括上位机，所述上位机通过RS422总线电连接所述FPGA芯片；

在步骤1之前，还包括数字式大气数据计算机功能验证过程；

所述数字式大气数据计算机功能验证过程包括以下子步骤：上位机预先存储有大气参数的模拟数据、以及大气参数的模拟数据对应的大气数据理论值，所述大气参数的模拟数据包括：大气全压、大气静压和大气温度；上位机向FPGA芯片发送大气参数的模拟数据，FPGA芯片向DSP芯片发送大气参数的模拟数据，DSP芯片根据大气参数的模拟数据得出大气数据的实际值，DSP芯片将大气数据的实际值通过FPGA芯片发送至上位机；在上位机中，计算大气数据的实际值、以及大气参数的模拟数据对应的大气数据理论值的相对误差，若每一项大气数据的实际值和理论值的相对误差小于设定阈值，则说明数字式大气数据计算机能够正常工作，否则，认为数字式大气数据计算机出现故障。