飛機(jī)模擬量采集系統(tǒng)誤差分析

呼明亮++鄧道杰++李興智++梁哲

摘要：該文分析了飛機(jī)模擬量采集系統(tǒng)的硬件電路特點(diǎn)，按照誤差的特點(diǎn)和性質(zhì)將其區(qū)分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和偶然誤差，并分析了誤差產(chǎn)生的原因。針對(duì)系統(tǒng)誤差，消除了通道切換誤差，并修正了地線誤差；針對(duì)隨機(jī)誤差和偶然誤差，介紹了3[σ]準(zhǔn)則和Dixon準(zhǔn)則，剔除了偶然誤差可疑點(diǎn)，采用均值理論消除了隨機(jī)誤差的影響。實(shí)驗(yàn)證明，該文提出的誤差抑制方法能有效提高飛機(jī)模擬量采集系統(tǒng)精度，對(duì)提升飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)控制性能具備重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：模擬量采集；誤差分析；Dixon準(zhǔn)則；均值理論

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）07-0234-03

Analysis of Error Based on Aircraft Analog Acquisition System

HU Ming-liang， DENG Dao-jie， LI Xing-zhi， LIANG Zhe

（Xi'an Aeronautics Computing Technique Research Institute， AVIC， Xi'an 710065， China）

Abstract：According to the characteristics and nature of the error， which is divided into systematic error， random error and random error， this paper analyzes the causes of error and the characteristics of the aircraft hardware circuit analog acquisition system. For systematic errors， a method to eliminate channel switching error and ground error is introduced. For random error and random errors， 3σ and Dixon criteria are introduced to exclude the suspicious point. Using the mean theory， the effect of random errors is eliminated. Experimental results show that the proposed methods can effectively improve the accuracy of the aircraft analog acquisition system and have important practical significance to enhance the performance of the aircraft control electromechanical system.

Key words： analog acquisition system； error analysis； Dixon criterion； mean theory

“科學(xué)始于測(cè)量”，測(cè)量技術(shù)是影響現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)控制性能的關(guān)鍵因素。但由于測(cè)量方法和測(cè)量電路的不完善，周圍電磁環(huán)境的影響，以及人們認(rèn)知能力的限制，測(cè)量值和真實(shí)值之間總是存在偏差，在數(shù)值上表現(xiàn)為誤差。誤差存在的普遍性和必然性，證明不可能完全消除誤差。因此，研究飛機(jī)模擬量采集系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因和傳遞過(guò)程，達(dá)到認(rèn)識(shí)誤差并進(jìn)而減小或消除誤差，對(duì)提升飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)控制性能具備重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文針對(duì)飛機(jī)模擬量采集系統(tǒng)的硬件電路特點(diǎn)，按照誤差的特點(diǎn)和性質(zhì)將其區(qū)分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和偶然誤差，分析了誤差產(chǎn)生的原因，對(duì)采集結(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，并對(duì)硬件電路提出了改進(jìn)方法，最終實(shí)現(xiàn)了模擬量采集系統(tǒng)的高精度采集。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1所示為模擬量采集系統(tǒng)硬件原理圖，每路機(jī)載模擬量輸入信號(hào)，經(jīng)輸入開(kāi)關(guān)矩陣切換至信號(hào)調(diào)理電路前端，經(jīng)調(diào)理電路、放大電路送至A/D轉(zhuǎn)換器前端，F(xiàn)PGA通過(guò)實(shí)時(shí)讀取A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)果獲取采集結(jié)果，并將數(shù)據(jù)放至緩沖區(qū)，DSP通過(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線訪問(wèn)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將結(jié)果上傳至上位機(jī)。系統(tǒng)以負(fù)責(zé)主控任務(wù)的微控制器DSP為核心，主要功能包括接收上位機(jī)指令，完成系統(tǒng)工作參數(shù)配置，獲取FPGA數(shù)據(jù)緩沖區(qū)采集結(jié)果，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法處理，將結(jié)果上傳至上位機(jī)。可編程邏輯控制模塊FPGA，主要實(shí)現(xiàn)輸入開(kāi)關(guān)矩陣的切換、A/D轉(zhuǎn)換模塊的控制和采集數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單處理，實(shí)現(xiàn)高容量的數(shù)據(jù)吞吐和原始數(shù)據(jù)處理。FPGA+DSP的硬件并行架構(gòu)體系，實(shí)現(xiàn)了模擬量采集系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集與解算能力，成為誤差分析的硬件基礎(chǔ)。

2 誤差分析

2.1 系統(tǒng)誤差及其抑制方法

2.1.1 產(chǎn)生原因

系統(tǒng)誤差指在同一條件下，多次測(cè)量同一量值時(shí)，誤差的大小和符號(hào)或者保持不變，或者按一定的規(guī)律變化。系統(tǒng)誤差是由確定的原因引起的，可校正和消除。

根據(jù)數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果分析，模擬量采集系統(tǒng)存在的兩個(gè)方面的系統(tǒng)誤差：1）通道切換對(duì)采集結(jié)果存在一定的影響；2）測(cè)量值相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值偏高。

2.1.2 抑制方法

1）通道切換誤差抑制

模擬開(kāi)關(guān)因其體積小、控制簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)速度快被廣泛應(yīng)用于多通道模擬量采集系統(tǒng)。與機(jī)械開(kāi)關(guān)類似，多路開(kāi)關(guān)在通道切換時(shí)也會(huì)存在抖動(dòng)過(guò)程，會(huì)出現(xiàn)瞬變現(xiàn)象。若此時(shí)采集多路開(kāi)關(guān)的輸出信號(hào)，帶來(lái)較大的系統(tǒng)誤差，為了減小該類誤差，系統(tǒng)采用軟件延時(shí)的方式的實(shí)現(xiàn)消抖動(dòng)。開(kāi)關(guān)切換至通道后，延時(shí)5個(gè)充放電時(shí)間常數(shù)τ=RC后進(jìn)行采集，此時(shí)電路可完成99.33%充放電。針對(duì)小信號(hào)電壓值的采集，先采集小信號(hào)電壓范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)電壓，可縮短相鄰?fù)ǖ酪螂妷翰钜鸬碾姾舍尫艜r(shí)間，從而降低系統(tǒng)誤差。

2）采集值偏高修正

針對(duì)測(cè)量值相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值偏高，經(jīng)分析該現(xiàn)象為地線上的線壓降和偏置電壓共同作用所致。圖2所示為模擬量采集系統(tǒng)的電流流向圖。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了飛機(jī)模擬量采集系統(tǒng)誤差分析的方法，并搭建了一套基于FPGA+DSP的多通道硬件采集電路，該電路具備強(qiáng)大數(shù)據(jù)采集及解算能力。通過(guò)消除通道切換誤差和修正地線誤差，減小了系統(tǒng)誤差帶來(lái)的影響；使用Dixon準(zhǔn)則對(duì)采集數(shù)據(jù)可疑點(diǎn)進(jìn)行了剔除，消除了偶然誤差影響，利用均值理論消除了隨機(jī)誤差影響。誤差抑制后的數(shù)據(jù)采集結(jié)果如表2所示，可知，本文提出的誤差抑制方法能有效提高模擬量采集系統(tǒng)精度，尤其是小信號(hào)范圍內(nèi)的采集，具備較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，可廣泛應(yīng)用于航空、航天和工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。

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