有源傳感器系統(tǒng)正在成為飛機(jī)設(shè)計(jì)中越來(lái)越重要的元素。整理載荷，應(yīng)變，溫度和壓力數(shù)據(jù)可以更詳細(xì)地記錄飛機(jī)中不同部件的狀態(tài)，并提供問(wèn)題的早期指示。本文著眼于利用ADI公司，飛思卡爾半導(dǎo)體公司，德州儀器公司，TE Connectivity公司和歐姆龍公司的傳感器和轉(zhuǎn)換技術(shù)，在飛機(jī)上使用不同傳感器技術(shù)的方式。

傳感器融合是一個(gè)日益重要的元素，即系統(tǒng)設(shè)計(jì)。將多個(gè)傳感器與微控制器或微處理器集成以處理傳感器接口處系統(tǒng)控制的更多方面，可提高可靠性和準(zhǔn)確性，同時(shí)降低功耗。所有這些都是航空電子傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的積極舉措。這已經(jīng)發(fā)生在用于慣性導(dǎo)航的MEMS加速度計(jì)和壓力傳感器的傳感器融合中，并且還可以用于整合來(lái)自機(jī)身周?chē)母鄶?shù)據(jù)。這為維護(hù)和控制提供了更多數(shù)據(jù)，降低了運(yùn)行飛機(jī)的總成本，并允許在降級(jí)之前更換組件。

傳感器融合系統(tǒng)可以使用ADI公司的AD7476/AD7477/AD7478等器件構(gòu)建加上微控制器。這些是12位，10位和8位，高速，低功耗，逐次逼近型ADC，采用六引腳SOT23封裝，重量和尺寸極小。這些器件采用2.35 V至5.25 V單電源供電，吞吐速率高達(dá)1 MSPS。每個(gè)器件都包含一個(gè)低噪聲，寬帶寬采樣保持放大器，可以處理超過(guò)6 MHz的輸入頻率，使其適用于溫度和應(yīng)變等傳感器。

轉(zhuǎn)換過(guò)程和數(shù)據(jù)采集使用串行時(shí)鐘，允許設(shè)備與微處理器或DSP連接。輸入信號(hào)在時(shí)鐘的下降沿采樣，此時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。這些器件沒(méi)有相關(guān)的流水線(xiàn)延遲。

AD7476/AD7477/AD7478（圖1）采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，在高吞吐速率下實(shí)現(xiàn)極低的功耗，有助于減少航空電子設(shè)計(jì)的重量。器件的基準(zhǔn)電壓源來(lái)自VDD，它允許ADC具有最寬的動(dòng)態(tài)輸入范圍，因此器件的模擬輸入范圍為0 V至VDD。

圖1：塊AD7476/AD7477/AD7478系列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的示意圖。

轉(zhuǎn)換速率由串行時(shí)鐘決定，允許通過(guò)串行時(shí)鐘速度增加來(lái)降低轉(zhuǎn)換時(shí)間。這允許在不轉(zhuǎn)換和減少功率和重量的同時(shí)降低平均功耗。這些器件還具有關(guān)斷模式，可在較低的吞吐率下最大限度地提高功效。在關(guān)斷模式下，電流消耗最大為1μA。

器件采用標(biāo)準(zhǔn)逐次逼近型ADC，通過(guò)輸入和一次性轉(zhuǎn)換控制精確控制采樣時(shí)刻。 ADC不需要外部基準(zhǔn)電壓源，也不存在片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源，因?yàn)樗鼇?lái)自電源，因此可提供最寬的動(dòng)態(tài)輸入范圍。

AD7476/AD7477/AD7478器件還具有電源 - 向下選項(xiàng)可在轉(zhuǎn)換之間節(jié)省電量。斷電功能在標(biāo)準(zhǔn)串行接口上實(shí)現(xiàn)，有助于降低系統(tǒng)的重量ADC可用于連接溫度傳感器，如LT73，可放置在機(jī)身周?chē)源_定影響各個(gè)系統(tǒng)的溫度曲線(xiàn)。類(lèi)似地，諸如125UT的應(yīng)變儀可以放置在機(jī)身的關(guān)鍵點(diǎn)上。通過(guò)傳感器融合，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以生成機(jī)身上的應(yīng)變曲線(xiàn)，并監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)何時(shí)落在輪廓之外。這提供了有關(guān)飛機(jī)健康狀況的寶貴信息。

圖2：125UT應(yīng)變計(jì)可用作傳感器融合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一部分。

將這些數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)來(lái)自諸如D7E的振動(dòng)傳感器提供了關(guān)于飛機(jī)健康狀況的更多信息，并允許傳感器融合算法將所有數(shù)據(jù)組合以進(jìn)行更準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)。它們由微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)，可直接連接到ADC。諸如線(xiàn)性二次估計(jì)（LQE）之類(lèi)的算法（也稱(chēng)為卡爾曼濾波器（見(jiàn)下文））可用于跟蹤隨時(shí)間的測(cè)量并提供有關(guān)設(shè)備狀況的有用反饋。

控制器也可用于監(jiān)控傳感器本身的狀況，避免錯(cuò)誤讀數(shù)。基于時(shí)間的算法（如卡爾曼濾波）還允許系統(tǒng)識(shí)別故障傳感器而不是被監(jiān)控的系統(tǒng)組件。

微處理器接口

AD7476/AD7477/AD7478上的串行接口允許器件直接連接然后，TMS320C5x上的串行接口使用連續(xù)的串行時(shí)鐘和幀同步信號(hào)來(lái)同步數(shù)據(jù)傳輸操作與外圍設(shè)備等一系列不同的微處理器，然后可以控制與飛機(jī)網(wǎng)絡(luò)的接口并實(shí)現(xiàn)傳感器融合算法。作為AD7476/AD7477/AD7478。該輸入允許在不需要任何膠合邏輯的情況下輕松連接TMS320C5x/C54x與AD7476/AD7477/AD7478。此外，TMS320C5x/C54x的串行端口設(shè)置為在突發(fā)模式下工作，具有內(nèi)部CLKX（Tx串行時(shí)鐘）和FSX（Tx幀同步）。

串行端口控制寄存器（SPC）必須具備以下功能設(shè)置：FO = 0，F(xiàn)SM = 1，MCM = 1，TXM = 1.格式位FO可設(shè)置為1，將字長(zhǎng)設(shè)置為8位，以便在A(yíng)DC上實(shí)現(xiàn)掉電模式。對(duì)于信號(hào)處理應(yīng)用，TMS320C5x/C54x的幀同步信號(hào)必須提供等距采樣。

ADSP-21xx系列DSP直接連接到AD7476/AD7477/AD7478，無(wú)需任何膠合邏輯。實(shí)現(xiàn)在掉電模式下，SLEN設(shè)置為0111以發(fā)出8位SCLK突發(fā)。 ADSP-21xx將SPORT的TFS和RFS連接在一起，TFS設(shè)置為輸出，RFS設(shè)置為輸入。 DSP以交替幀模式工作，并且SPORT控制寄存器如上所述進(jìn)行設(shè)置。

TFS上生成的幀同步信號(hào)與所有信號(hào)處理應(yīng)用程序相關(guān)，并且與等距采樣相關(guān)。但是，在此示例中，定時(shí)器中斷控制ADC的采樣率，并且在某些條件下，可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)等距采樣。

定時(shí)器寄存器加載一個(gè)值，該值以所需的采樣間隔提供中斷。接收到中斷時(shí)，將使用TFS/DT（ADC控制字）傳輸值。 TFS控制RFS，從而控制數(shù)據(jù)的讀取。串行時(shí)鐘的頻率在SCLKDIV寄存器中設(shè)置。當(dāng)給出用TFS發(fā)送的指令時(shí)，例如TX0 = AX0，檢查SCLK的狀態(tài)。在傳輸開(kāi)始之前，DSP等待SCLK變?yōu)楦撸秃透摺Ｈ绻x擇定時(shí)器和SCLK值使得發(fā)送指令發(fā)生在SCLK的上升沿或接近SCLK的上升沿，則可以發(fā)送數(shù)據(jù)，或者它可以等到下一個(gè)時(shí)鐘沿。

ADSP-2111有一個(gè)主器件時(shí)鐘頻率為16 MHz。如果SCLKDIV寄存器加載值3，則獲得2 MHz的SCLK，并且每個(gè)SCLK周期經(jīng)過(guò)8個(gè)主時(shí)鐘周期。如果定時(shí)器寄存器加載了值803，則在中斷之間以及隨后在發(fā)送指令之間發(fā)生100.5 SCLK。這種情況導(dǎo)致非等距采樣，因?yàn)榘l(fā)送指令發(fā)生在SCLK邊沿。如果中斷之間的SCLK數(shù)是N的整數(shù)整數(shù)，則DSP實(shí)現(xiàn)等距采樣。

ADC還可以連接到飛思卡爾半導(dǎo)體DSP56xxx系列DSP的同步串行接口（SSI）。 SSI以同步模式（CRB中的SYN位= 1）運(yùn)行，內(nèi)部生成的字幀同步用于Tx和Rx（CRB中的位FSL1 = 0和FSL0 = 0）。通過(guò)在CRA中設(shè)置WL1 = 1和WL0 = 0，將字長(zhǎng)設(shè)置為16.

要在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器上實(shí)現(xiàn)掉電模式，可以通過(guò)設(shè)置WL1 = 0位來(lái)將字長(zhǎng)改為8位。 CRA中WL0 = 0。類(lèi)似地，對(duì)于信號(hào)處理應(yīng)用，來(lái)自DSP56xxx的幀同步信號(hào)必須提供等距采樣。

然后，控制器可用于實(shí)現(xiàn)融合算法和網(wǎng)絡(luò)接口。這可以在飛機(jī)內(nèi)使用諸如ARINC之類(lèi)的協(xié)議或用于維護(hù)的外部接口。 ARINC429收發(fā)器接口與配套的ARINC總線(xiàn)接口電路配合使用，可提供數(shù)據(jù)格式化和處理器接口功能。所有邏輯輸入均為T(mén)TL和CMOS兼容，需要三個(gè)電源：V = + 15 V±10％， - V = -15 V±10％，V1 = 5 V±5％。 VREF用于編程差分輸出電壓擺幅，使VOUT（DIFF）=±2 VREF。通常，VREF = V1 = 5 V±5％，但VREF可以使用單獨(dú)的電源，電源不應(yīng)超過(guò)6 V.

所有這些因素都集中在MEMS慣性測(cè)量單元（IMU）中-degree-of-freedom（DoF）。這實(shí)現(xiàn)了嵌入式傳感器融合算法，可在平臺(tái)穩(wěn)定，導(dǎo)航和儀器儀表中提供極其精確的定向感應(yīng)。 ADIS16480（圖2）在單個(gè)封裝中集成了三軸陀螺儀，三軸加速度計(jì)，三軸磁力計(jì)，壓力傳感器和ADI公司的ADSP-BF512 Blackfin處理器。

圖3：ADIS16480傳感器融合系統(tǒng)集成了三軸陀螺儀，三軸加速度計(jì)，三軸磁力計(jì)，壓力傳感器和Blackfin數(shù)字信號(hào)處理器。

ADIS16480采用擴(kuò)展卡爾曼濾波器（EKF）隨著時(shí)間的推移融合傳感器輸入，以提供極其精確的定位，同時(shí)減少設(shè)計(jì)時(shí)間和成本。這在需要實(shí)時(shí)定位的系統(tǒng)中特別有用，但運(yùn)動(dòng)是恒定的，復(fù)雜的和動(dòng)態(tài)的，例如軍用和商用飛機(jī)導(dǎo)航。

卡爾曼濾波器卡爾曼濾波是一種估算給定狀態(tài)的數(shù)學(xué)算法通過(guò)隨時(shí)間進(jìn)行多次測(cè)量，并將這些與預(yù)測(cè)狀態(tài)估計(jì)器合并，來(lái)實(shí)現(xiàn)嘈雜，可變的過(guò)程。該濾波器智能地結(jié)合了MEMS IMU的運(yùn)動(dòng)傳感器輸入，即使在以恒定，不可預(yù)測(cè)的運(yùn)動(dòng)為特征的復(fù)雜運(yùn)行條件下，也能提供極其精確的定位數(shù)據(jù)。通過(guò)將濾波器嵌入Blackfin處理器的內(nèi)核，ADI還為設(shè)計(jì)人員節(jié)省了與其他MEMS IMU所需的密集代碼開(kāi)發(fā)，測(cè)試和外部處理相關(guān)的時(shí)間和成本。

圖4：ADIS16480傳感器融合系統(tǒng)的框圖。

在確定精確位置或方向時(shí)，航空電子系統(tǒng)不僅依賴(lài)于單個(gè)傳感器的精度，還依賴(lài)于精確，動(dòng)態(tài)地組合多個(gè)輸入的復(fù)雜性。擴(kuò)展卡爾曼濾波器有助于系統(tǒng)根據(jù)情境感知識(shí)別哪些傳感器“信任”。這使得系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)人員可以在各種苛刻的環(huán)境條件下通過(guò)自動(dòng)調(diào)整濾波器或通過(guò)其可編程接口調(diào)整濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)定位精度。

330 MHz帶寬支持緊密對(duì)齊（0.05度）和相位匹配的軸，具有0.01％的業(yè)界領(lǐng)先的非線(xiàn)性。每個(gè)MEMS IMU都經(jīng)過(guò)獨(dú)特的工廠(chǎng)校準(zhǔn)，大大減少了與開(kāi)發(fā)和集成相關(guān)的時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)，并且對(duì)熱漂移提供了極低的靈敏度。

結(jié)論

使用小型，低功耗的多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置可以為航空電子設(shè)備提供數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的基礎(chǔ)。這可用于使用可跟蹤性能隨時(shí)間推移的現(xiàn)代算法來(lái)監(jiān)控設(shè)備甚至機(jī)身的狀態(tài)。使用此數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)維護(hù)計(jì)劃有助于降低降級(jí)風(fēng)險(xiǎn)并提高性能，從而降低總體成本。現(xiàn)代的低功率，小型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和傳感器可以提供這種能力，而不會(huì)顯著增加飛機(jī)的重量。采用MEMS技術(shù)進(jìn)行壓力傳感也有助于提高可靠性。