CN109597333A - 多路大气数据压力信号f/d转换电路 - Google Patents

多路大气数据压力信号f/d转换电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种多路大气数据压力信号F/D转换电路，旨在提供一种方法简单、复杂度低，测量精度高、性能可靠的F/D转换电路。本发明通过下述技术方案予以实现：信号源模块通过频率发生器输出的基准频率fcp送入门控电路，作为FPGA内置基准频率计数器的计数时钟；传感器信号通过门控电路送入F/D转换计数器模块内的分频计数器，并将基准频率计数值通过总线发送给多通道DSP；读取基准频率计数器计数值和所计脉冲数计数值后，通过分频计数器将传感器信号进行2n整数倍分频，获得传感器信号的周期，将基准频率计数值和分频计数值转换为实际的频率值，得到多路压力信号的被测传感器信号周期的tx＝Nx/(2n×fcp)的脉冲数。

Description

多路大气数据压力信号F/D转换电路
技术领域
本发明涉及一种大气参数采集系统多路大气数据压力信号F/D转换电路，尤其是基于FPGA的多路频率信号测量。
背景技术
现代飞行器的飞行控制系统、发动机控制系统、导航系统和仪表显示系统等需要准确地静压、动压、高度、高度变化率、指示空速、真实空速等信息，而上述的这些参数是空气总压、静压的函数。大气数据指航空器与机体气流的相对参数,主要包括总压、静压侧滑角、高度、指示空速、马赫数等参数,这些重要的大气参数是飞机动力系统、飞控系统、导航系统、指示系统等不可缺少的信息。这些系统所需大气数据信息均可由气压高度、指示空速、马赫数、大气温度、大气密度和真空速等几个主要参数直接提供或者经过简单的运算提供。而这些主要参数又可由静压、动压和总温三个基本参数计算出来。大气数据计算机就是在获得静压、动压、总温和少量的其它参数(如迎角)后，经过解算或运算，最后输出大量的大气数据信息(其中包括显示)的系统，这样的系统也常常称作“ADC”。准确测量相关压力参数对大气数据系统来讲至关重要。大气数据信息的准确性直接影响飞行器的飞行控制系统的准确性，从而影响飞行安全。
大气数据计算机(ADC)是飞行器、发动机、自动控制系统、导航系统、空中管制系统以及告警系统等的仪表显示或控制必不可少的设备。其接收总压、静压信号，通过压力传感器将压力信号转换电信号，并采集该电信号，经解算后将结果以指定的方式传送给这些系统，解算的参数有静压、总压、动压、真空运、指示空速、升降速度等等与大气有关的参数。大气数据计算机系统的振动频率是圆筒的材料和形状的函数，NCk频率的稳定精度仅仅取决于材料的稳定性。如果考虑材料的弹性温度系数影响，这个频率的高低应决定于圆筒内外气体压力差，谐振频率与被测压力成单值函数关系。但是，频率与压力是线性关系，而是近似成抛物线关系。在测量中等压力时，传感器的非线性一般在5～6％左右，又因要使每只振动筒具有完全一致的物理尺寸是不可能的，因此各只振动筒的零压力频率均有差异，但要求输出线性特性相同，故必须要进行线性化处理，才能达到自动校正与补偿的目的。大气数据计算机的任务是将所何输入信号准确无误地转化为CADC数据处理部件所能接受的数字量，以便其进行数据处理。根据具体输入信号的不同，输入接口的组成也不尽相同，大致可分为以下几个部分：F/D转换、A/D转换、离散量接IZI和数字量接口。F/D转换主要用于将振动筒传感器的频率输出信号转换为数字量信号，即频率/数字转换，通常频率测量有两种方法：频率直接测量法和周期测量法。采用频率直接测量法存在两个问题：一是测量周期太长，要准确测量频率，就要准确给定以秒为单位的时间信号。这样，测量周期不能满足ADC对输出参数提出的测量速度的要求。而且，测量周期长，造成的动态误差也大。二是测量分辨率低，量化误差大。由于在规定的压力测量范围内，传感器输出的有效脉冲数(频率的变化量)少、量化误差大、压力分辨率低。其结果使高度、速度、马赫数等输出参数的误差大，分辨率低，以至不能满足测量精度的要求。通常大气数锯系统CADC的测试设备采用自行研制或引进国外测试系统，这些测试设备往往只能满足某一种型号的CADC的要求，而不具备通用性。其中主要存在以下不足：不同型号的测试系统只能测试具体产品的几项指标，相同产品要多个系统上测试，从而增加了劳动强度。测试系统通常是将软件固化在硬件上，升级困难。购买新的系统，旧系统会淘汰，不利于资源的使用。在实际应用中，CADC输出的大气参数的形式各种各样，因而，CADC对测试设备的要求也不尽相同。当CADC有几路相同类型的信号时，如多个模拟量电压输出信号，数字电压表一次只能测量一路信号。早期的大气数据计算机一般选用两个传感器作为压力受感器(静压和总压)，而现在的大气数据系统需要采集多路压力信号，需要多个压力受感器，相应需要多个通道的频率/数字(以下简称F/D)转换电路，所需要的硬件芯片成倍的增加。现有技术中，振动筒压力传感器和硅谐振压力传感器具有高精度高可靠性的特点，是大气数据系统中首选的压力传感器。这两种传感器的输出频率范围在1kHz到100kHz不等。测量周期一定时，若提高基准频率fcp，基准频率计数器的计数Nx就多，这样就能减少量化误差，提高测量精度和分辨率。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处和目前的大气数据计算机需要进行多通道的F/D转换，提供一种方法简单、复杂度低，测量精度高、性能可靠的多路大气数据压力信号F/D转换电路。
本发明的目的可以通过以下措施来达到。一种多路大气数据压力信号F/D转换电路，包括：接收压力传感器信号tx的信号源模块、基于现场可编程门阵列FPGA芯片设计的F/D转换计数器模块和多通道数字信号处理器DSP，其特征在于：信号源模块将频率发生器输出的基准频率fcp送入门控电路，作为FPGA内置基准频率计数器的计数时钟；多路压力传感器采集的传感器信号tx通过门控电路送入F/D转换计数器模块内的分频计数器，基准频率计数器对基准频率fcp出现的脉冲数进行计数，当分频计数器计数到预设的2n次幂方后，基准频率计数器停止计数，并将基准频率计数值Nx通过总线发送给多通道数字信号处理器DSP；DSP读取基准频率计数器所计脉冲数Nx计数值后，通过分频计数器将传感器信号tx进行2n整数倍分频，利用预设的分频计数器计数值2n与脉冲数Nx计数值计算，获得传感器信号tx的周期，将脉冲数Nx计数值和分频计数值转换为实际的频率值，得到多路压力信号的被测传感器信号周期的tx＝Nx/(2n×fcp)的脉冲数。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
方法简单。本发明基于现场可编程门阵列FPGA进行专用F/D电路设计,采用频率为fcp的高频时钟作为基准频率计数器的计数时钟，多路压力传感器采集输出的传感器信号tx通过门控电路送入F/D转换计数器模块内的分频计数器，对多路传感器信号周期进行测量，DSP通过总线获取分频计数器计数值和基准频率计数器计数值，并进一步计算出输入信号的频率，在特定被测周期的整数倍的测量时间内测量更高频率的基准频率信号出现的脉冲数，方法简单，既可以解决定制电路缺乏灵活性的不足,又可以通过相关的软硬件配合完成最终功能。
复杂度低。本发明采用基准频率为fcp的高频时钟作为基准频率计数器的计数时钟，利用现场可编程门阵列FPGA设计的F/D电路采用双向端口与DSP进行输入输出数据交换，通过DSP计算将FPGA的基准频率计数值和分频计数值转换为实际的频率值；可以成倍地节省外部的硬件资源，减少硬件芯片的种类和数量。较传统F/D转换方法能够有效减少硬件芯片种类和数量，节省硬件资源降低设计复杂度，并具有灵活的扩展性和通用性。
性能可靠、测量精度高。本发明通过频率发生器输出基准频率fcp，基准频率计数器对基准频率fcp出现的脉冲数进行计数，DSP读取基准频率计数器所计脉冲数Nx计数值后，利用FPGA双向端口与数字信号处理器DSP进行输入输出数据交换，将传感器信号tx经过分频计数器2n整数倍分频，DSP通过计算将FPGA的基准频率计数值和分频计数值转换为实际的频率值，通过分频计数器计数值2n与基准频率计数器计数值Nx计算获得传感器信号tx的周期，测量周期短，测量精度高。当测量周期一定时，若提高基准频率fcp，基准频率计数器的计数Nx就多，这样利用FPGA的多路频率周期测量就能减少量化误差，提高测量精度和分辨率。
本发明主要适用于飞行器的大气数据系统。
附图说明
图1是本发明多路大气数据压力信号F/D转换电路的原理示意图。
图2是图1的F/D转换电路逻辑框图。
下面结合附图和实例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的实施例中，一种多路大气数据压力信号F/D转换电路，包括：接收压力传感器输出的传感器信号tx的信号源模块、基于FPGA芯片设计的F/D转换计数器模块和多通道数字信号处理器DSP。其中，数字处理器DSP的主频＝外频×倍频系数，主频表示在DSP内数字脉冲信号震荡的速度，外频是DSP的基准频率也是系统总线的工作频率，单位是MHz，倍频是指DSP外频与主频相差的倍数，倍频系数是指DSP主频与外频之间的相对比例关系。基准频率至少大于2倍门控信号频率：fcp>2×1/Tx。在相同的外频下，倍频越高DSP的频率也越高。主频也叫时钟频率，单位是MHz或GHz，用来表示DSP的运算、处理数据的速度。
分频数2n、基准频率fcp和计数器位数等参数的确定，是以允许的测量周期，测量精度和被测周期tx的变化范围为约束条件的。压力传感器输出的传感器信号tx被送入FPGA内的分频计数器，经过2的n次幂方的固定倍数分频后作为门控信号Tx，Tx＝2n×tx。
信号源模块通过频率发生器输出的基准频率fcp送入门控电路，作为FPGA内置基准频率计数器的计数时钟；多路压力传感器采集输出的传感器信号tx通过门控电路送入F/D转换计数器模块内的分频计数器，同时基准频率计数器对基准频率fcp出现的脉冲数进行计数，当分频计数器计数到预设的2n次幂方后，基准频率计数器停止计数，并将基准频率计数值Nx通过总线发送给多通道数字信号处理器DSP；DSP读取基准频率计数器所计脉冲数Nx计数值后，当DSP通过总线从分频计数器获取的计数值为预设的2n数值时，读取基准频率计数器计数值Nx和所计脉冲数Nx计数值后，通过分频计数器将传感器信号tx进行2n整数倍分频，利用分频计数器计数值2n与基准频率计数器计数值Nx计算，获得传感器信号tx的周期，将基准频率计数值Nx和分频计数值转换为实际的频率值，得到多路压力信号的被测传感器信号周期的tx＝Nx/(2n×fcp)的脉冲数。
信号源模块接收的传感器信号tx与频率发生器输出的基准频率fcp可以经过门电路对信号进行预处理，比如边沿整形等，如不需要预处理可不包含门电路；信号预处理后传递至[F/D转换计数模块，并按F/D转换计数模块设定的逻辑启/停计数器以及向数字信号处理器DSP发送计数值，DSP根据从总线读取到的计数值，进一步解算出传感器信号tx周期值。
在F/D转换计数模块中，传感器信号tx经过2n分频后作为门控信号Tx，当门控信号Tx上升沿时，基准频率计数器开始计数，在门控信号Tx的下降沿时，基准频率计数器停止计数，这时，DSP根据基准频率计数器所计脉冲数Nx进行进一步计算，可得传感器信号tx与脉冲数Nx的关系为tx＝Nx/(2n×fcp)。
参阅图2。下面结合F/D转换电路逻辑框图进一步阐述F/D转换原理：F/D转换电路包括：信号源模块、FPGA功能模块及DSP功能模块三部分，其中，信号源模块向PGA功能模块提供压力传感器待测量的信号和基准频率信号，经FPGA模块进行脉冲计数等逻辑处理后，发送给DSP功能模块进行运算，得出压力传感器输出信号的周期值。信号源模块由压力传感器和频率发生器组成，压力传感器输出信号传递至FPGA功能模块作为待测量的传感器信号tx，频率发生器将设定好周期值的信号传递至FPGA功能模块作为基准频率fcp。
FPGA功能模块包括串联逻辑处理电路的RS触发器、连接在RS触发器与基准频率计数器之间的分频计数器，与基准频率计数器和分频计数器进行通信的总线使能模块，其中逻辑处理电路连接DSP功能模块中的计数器，总线使能模块连接DSP功能模块中的数字信号处理器DSP。传感器信号tx作为待测量的信号传递至分频计数器，分频计数器将传感器信号tx进行预设的2n分频后作为门控信号Tx，并且分频计数器将计数值发送至总线使能模块供数字信号处理器DSP读取，门控信号Tx在逻辑处理电路中进行非逻辑处理后与计数器清零cls进行与逻辑，逻辑处理电路在分频计数器达到2n分频值时，输出信号驱动RS触发器停止分频计数器和基准频率计数器计数，直到DSP功能模块输出计数器清零cls信号后重新开始计数。
基准频率fcp传递至基准频率计数器，对基准频率fcp进行计数，通过计数器清零cls信号控制其启动、停止，通过分频计数器将门控信号Tx送入逻辑处理电路，并将其计数值通过总线使能模块传递至数字信号处理器。
DSP功能模块主要包含连接计数器的数字信号处理器DSP，计数器清零cls后，数字信号处理器DSP输出读取控制信号rd，总线使能模块分别读取来自DSP的控制信号rd和来自分频计数器及基准频率计数器的计数值，将读取分频计数器计数值预定的2n分频值和基准频率计数器计数值Nx送入数字信号处理器DSP，控制计数器清零cls输出信号至FPGA功能模块，对分频计数器和基准频率计数器进行清零cls，并重新开始对分频计数器进行读数，直到分频计数器的计数值为预定的2n分频值，如此重复操作，使数字信号处理器持续进行传感器信号tx周期值计算工作；DSP通过公式tx＝Nx/(2n×fcp)计算出传感器信号tx周期值。当数字信号处理器DSP完成计数值读取后，对分频计数器、基准频率计数器进行清零操作，两个计数器将重新从0开始计数，直到分频计数器计数数据达到预设分频值后再次停止计数。数字信号处理器DSP每个程序周期软件读取分频计数器计数值；若计数值不等于预设的2n分频值，则认为测量时间的周期没有到，不再进行任何操作；若多个周期获得分频计数器的计数值均不为预设的2n分频值，则可以认为传感器信号tx输入有问题；若分频计数器的计数值等于2n分频值，数字信号处理器DSP对计数器进行清零操作；按tx＝Nx/(2n×fcp)公式计算[传感器信号tx]周期。
实施例1
以分频数n＝3为例，本实施例选用分频计数器位数为8位，传感器信号tx的周期为181us，频率5.5243kHz；基准频率fcp周期为100ns，频率10MHz，预设对传感器信号tx进行8分频，当分频计数器完成传感器信号tx 8次计数后，分频计数器和基准频率计数器将停止计数，保持原来的计数值。当数字信号处理器DSP完成计数值读取后，对分频计数器和基准频率计数器进行清零操作，分频计数器和基准频率计数器将重新从0开始计数，直到分频计数器计数值到8后再次停止计数，数字信号处理器DSP每个程序周期软件读取分频计数器，若计数值不等于8，则认为测量时间的8个低频周期没有到，不再进行任何操作；若多个周期获得的计数值均不为8，则可以认为[传感器信号tx]输入有问题；若等于8，DSP对计数器进行清零操作；按如下公式Ttx＝Nx/(2n×fcp)计算被测频率周期和传感器信号tx周期。
不考虑控制信号的产生部分，表1列出了8位分频计数器所需要的寄存器资源的情况。表1基准计数器所需寄存器资源情况表
通道数 1 N
20位基准频率计数器 29个 29*N个
24位基准频率计数器 33个 33*N个
在不考虑基准频率误差的情况下，测量精度为固定值＝1基准频率周期/8。
尽管已经描述和叙述了被看作本发明的实施范例，本领域技术人员将会明白，可以对其做出各种变通，而不会脱离本发明的精髓。另外，也可以做出许多修改以将特定情况适配到本发明的教义，而不会脱离在此描述的本发明中心概念。所以，本发明不受限于在此披露的特定实施例，但本发明可能还包括属于本发明范围的所有实施例及其等同物。

Claims (10)

1.一种多路大气数据压力信号F/D转换电路，包括：接收压力传感器信号tx的信号源模块、基于现场可编程门阵列FPGA芯片设计的F/D转换计数器模块和多通道数字信号处理器DSP，其特征在于：信号源模块将频率发生器输出的基准频率fcp送入门控电路，作为FPGA内置基准频率计数器的计数时钟；多路压力传感器采集的传感器信号tx通过门控电路送入F/D转换计数器模块内的分频计数器，基准频率计数器对基准频率fcp出现的脉冲数进行计数，当分频计数器计数到预设的2n次幂方后，基准频率计数器停止计数，并将基准频率计数值Nx通过总线发送给多通道数字信号处理器DSP；DSP读取基准频率计数器所计脉冲数Nx计数值后，通过分频计数器将传感器信号tx进行2n整数倍分频，利用预设的分频计数器计数值2n与脉冲数Nx计数值计算，获得传感器信号tx的周期，将脉冲数Nx计数值和分频计数值转换为实际的频率值，得到多路压力信号的被测传感器信号周期的tx＝Nx/(2n×fcp)的脉冲数。
2.如权利要求1所述的多路大气数据压力信号F/D转换电路，其特征在于：信号源模块接收的传感器信号tx与频率发生器输出的基准频率fcp经过门电路对信号进行预处理，信号预处理后传递至[F/D转换计数模块，并按F/D转换计数模块设定的逻辑启/停计数器以及向数字信号处理器DSP发送计数值，DSP根据从总线读取到的计数值，进一步解算出传感器信号tx周期值。
3.如权利要求1所述的多路大气数据压力信号F/D转换电路，其特征在于：在F/D转换计数模块中，传感器信号tx经过2n分频后作为门控信号Tx，当门控信号Tx上升沿时，基准频率计数器开始计数，在门控信号Tx的下降沿时，基准频率计数器停止计数，这时，DSP根据基准频率计数器所计脉冲数Nx进行进一步计算，得到传感器信号tx与脉冲数Nx的关系为tx＝Nx/(2n×fcp)。
4.如权利要求1所述的多路大气数据压力信号F/D转换电路，其特征在于：F/D转换电路包括：信号源模块、FPGA功能模块及DSP功能模块三部分，其中，信号源模块向PGA功能模块提供压力传感器待测量的信号和基准频率信号，经FPGA模块进行脉冲计数逻辑处理后，发送给DSP功能模块进行运算，得出压力传感器输出信号的周期值。
5.如权利要求1所述的多路大气数据压力信号F/D转换电路，其特征在于：信号源模块由压力传感器和频率发生器组成，压力传感器输出信号传递至FPGA功能模块作为待测量的传感器信号tx，频率发生器将设定好周期值的信号传递至FPGA功能模块作为基准频率fcp。
6.如权利要求1所述的多路大气数据压力信号F/D转换电路，其特征在于：FPGA功能模块包括串联逻辑处理电路的RS触发器、连接在RS触发器与基准频率计数器之间的分频计数器，与基准频率计数器和分频计数器进行通信的总线使能模块，其中逻辑处理电路连接DSP功能模块中的计数器，总线使能模块连接DSP功能模块中的数字信号处理器DSP。
7.如权利要求1所述的多路大气数据压力信号F/D转换电路，其特征在于：传感器信号tx作为待测量的信号传递至分频计数器，分频计数器将传感器信号tx进行预设的2n分频后作为门控信号Tx，并且分频计数器将计数值发送至总线使能模块供数字信号处理器DSP读取，门控信号Tx在逻辑处理电路中进行非逻辑处理后与计数器清零cls进行与逻辑，逻辑处理电路在分频计数器达到2n分频值时，输出信号驱动RS触发器停止分频计数器和基准频率计数器计数，直到DSP功能模块输出计数器清零cls信号后重新开始计数。
8.如权利要求1所述的多路大气数据压力信号F/D转换电路，其特征在于：DSP功能模块主要包含连接计数器的数字信号处理器DSP，计数器清零cls后，数字信号处理器DSP输出读取控制信号rd，总线使能模块分别读取来自DSP的控制信号rd和来自分频计数器及基准频率计数器的计数值，将读取分频计数器计数值预定的2n分频值和基准频率计数器计数值Nx送入数字信号处理器DSP，控制计数器清零cls输出信号至FPGA功能模块，对分频计数器和基准频率计数器进行清零cls，并重新开始对分频计数器进行读数，直到分频计数器的计数值为预定的2n分频值，如此重复操作，使数字信号处理器持续进行传感器信号tx周期值计算工作。
9.如权利要求1所述的多路大气数据压力信号F/D转换电路，其特征在于：DSP通过公式tx＝Nx/(2n×fcp)计算出传感器信号tx周期值；当数字信号处理器DSP完成计数值读取后，对分频计数器、基准频率计数器进行清零操作，两个计数器将重新从0开始计数，直到分频计数器计数数据达到预设分频值后再次停止计数。
10.如权利要求1所述的多路大气数据压力信号F/D转换电路，其特征在于：数字信号处理器DSP每个程序周期软件读取分频计数器计数值；若计数值不等于预设的2n分频值，则认为测量时间的周期没有到，不再进行任何操作；若多个周期获得分频计数器的计数值均不为预设的2n分频值，则可以认为传感器信号tx输入有问题；若分频计数器的计数值等于2n分频值，数字信号处理器DSP对计数器进行清零操作；按tx＝Nx/(2n×fcp)公式计算[传感器信号tx]周期。
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刘东;朱名日;余淑华;蒲哲;李瑞帅;: "基于FPGA和MicroBlaze的高精度频率测量方法", 桂林电子科技大学学报, no. 05 *
蔡展标;许生鸿;廖健林;刘燕;: "多通道测量的等精度频率计", 嘉应学院学报, no. 08 *

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