基于MDC103的模拟飞控数据采集系统设计与联试故障分析

陈新华+尹川+谷士鹏

摘 要：该文依据某飞行试验测试任务的需要，详细描述了基于通用采集系统KAM500下的MDC103板卡下模拟飞控数据测试系统的搭建和模拟飞控隔离器的设计，并通过分析模拟飞控的接口电路，解决了地面联试中飞控系统与数据采集系统之间的交联问题，实现了模拟飞控的数据采集，顺利保证了型号任务。

关键词：模拟飞控  MDC103板卡  系统设计  故障分析

中图分类号：V429 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（a）-0081-02

Analog Flight Control Data Acquisition System Design And Associated Test Failure Analysis Based MDC103

Chen Xinhua  Yin Chuan  Gu Shipeng

（ Chinese Flight Test Establishment， Xi'an  Shaanxi，710089，China ）

Abstract：Based on a flight test mission requirements，a detailed description of building flight control data test system based on the use of the MDC103 card under the universal data acquisition KAM 500 system.And solved cross-linked problem between fight control system and data collection system in the associated test by analyzing the flight control system interface circuit，and achieved the analog flight control data collection，to ensure the task successfully.

Key Words：Flight Control Computer;MDC103;System Design;Failure Analysis

飞控计算机是飞行器飞行系统的中央控制单元。随着航空技术的发展，飞控计算机正向着多功能、低成本、高精度和小型化的方向发展。通过其内部的控制算法，飞控计算机将根据飞行器自身传感器测得的飞机的姿态、高度、速度等参数，对飞行员的操作或者指令做出适当的输出响应，控制飞行器飞行姿态，完成飞行员所希望的动作。该文主要讲述的是在KAM500采集系统下，利用MDC103板卡搭建某型模拟飞控计算机的采集系统的设计以及在联试时解决的飞控数据无法采集的问题。

1 模拟飞控测试系统

1.1 模拟飞控计算机的测试接口特性

通过前期调研与协调，决定通过预留的检测口对模拟飞控数据进行实时采集，这样既能够顺利采集模拟飞控的数据又不影响飞行器的控制。根据厂家提供的资料，该型模拟飞控计算机检测口通道内部信号建立时间大约为2～3 ms，数据输出是通过6根地址线以及2根数据线来完成的。飞控计算机内部通过判读地址线的高低电平，将外部的选通地址与其内部各个模拟量所在的内部地址进行比对，从而将与之所对应的开关接通，然后将所需要的模拟量通过数据线输出。数据线与地址线的电气特性分别如下所示。

（1）数据线信号输出特性：①信号形式：差分;②信号电平：±10V;

（2）地址选通信号输入特性：①每通道6线地址输出;②输出形式：地/开;  ③逻辑电平：“地/开”形式，计算机内部上拉12 V，形成“地/12 V”地址选通信号。逻辑“0”：0 V，选通地址线与选通源（地）连接;逻辑“1”：开路，选通地址线悬空（开）。

1.2 模拟飞控采集测试方案

KAM-500是性能卓越的模块式PCM数据采集系统，符合IRIG-106标准，也满足民用飞机适航标准，已被批准可以应用于飞机机载测试设备系统。在测试方案中，针对模拟飞控测试接口的电气特性，笔者选用KAM500数据采集系统所采用的模块是MDC系列中的MDC/103板卡。

MDC/103是一块具有双通道的采集板卡，每个通道最多能够设置64个测试参数，每个通道的循环周期T可选择从3.2 ms到512 ms，由于每个通道64个测试参数循环采集，因此，每个参数的采样时间t（即地址线选通后最大通讯建立时间）通过计算可以得出：

t=（3.2～512）ms÷64=50u～8ms （1）

满足模拟飞控计算机检测口通道循环时间大约为2～3 ms的采样要求。

而MDC/103板卡的数据线输入与模拟飞控数据输出口电气特性一致，都是±10 V的差分信号。MDC/103板卡的地址线同样为6根地址线，但是输出形式为12 V/接地，12 V逻辑值为“1”，接地逻辑值为“0”。

由于MDC/103板卡的地址线的电气特性与模拟飞控的地址线的电气特性不一样，另外为了防止机载测试设备影响飞机模拟飞控计算机工作状态，因此，需要开发一款既实现地址线的电气特性转换，又完成与原机设备的电气隔离的模拟飞控匹配隔离器。

1.3 模拟飞控隔离器的设计

模拟隔离器的功能主要是将采集设备输出的2路（各6位）参数地址选择信号匹配隔离之后以地/开的形式传给模拟飞控计算机，选通所需要采集的PAM参数;同时，接收模拟飞控计算机输出的两路差分PAM信号，隔离之后再以差分得形式传输给采集器。根据上述的分析可知，模拟隔离器主要包括两个部分，即地址线的匹配隔离输出和数据PAM信号的隔离输出。其原理框图如图1所示。endprint

1.3.1 电路设计

由于PAM信号输入输出都是差动±10 V信号，因此整个模拟通路的增益为1，所以信号通路中的各级电路的增益也都是1。在输入缓冲电路设计时，主要考虑信号输入范围，信号建立时间、增益误差和工作的温度范围，综合以上因素，笔者选用AD公司的仪表放大器AD8250，其作用是将模拟飞控计算机输出的两路差分PAM信号转换为单端信号。为了防止高频信号干扰，可在信号的输入端搭建一个低通RC滤波网络，其信号带宽FilterFreq为：

FilterFreq=1/[2πR×（2C1+C2）]

在隔离电路的设计上，通过对比AD215、AD204、ISO124和ISO120的具体参数，最终选定电路设计采用AD215，虽然AD215的增益误差较大，但是可通过后级的增益调整电路进行修正。根据AD215的数据手册，可以得出AD215的增益为1 时的电路图如图2所示。

由于AD215的输出有一定的偏置电压，所以需要对其调零。笔者通过R3、R4、R5构成调零电路。同时，为了保证调零电路的电源精度，调零电路的电源由基准电压电路提供。

增益调理电路是由OP284组成的典型反向放大器;输出驱动电路则是利用OP284搭成的典型单端转差分电路。这里不再赘言。整个隔离器的整个设计原理如图3所示。

地址线的信号隔离，笔者通过三个ISO7220BD来实现。ISO7220BD是一个双通道隔离器。由于采用数字隔离的方式， ISO7220BD输出的信号，通过接入三极管，然后再接入飞控计算机测试端口，由飞控计算机的内部电路将接地/开路上拉为12 V/0V。

1.3.2 信号建立时间

由于MDC/103板卡的最小采样时间为50 us，因此该型隔离器的信号建立时间应小于50 us，信号从输入到输出，一共经过了5级调理电路，其器件分别是AD8250、AD215和3个OP284。其中AD8250的信号建立时间为615ns，AD215的信号建立时间为9 us，OP284的信号建立时间为4 us。

因此，隔离器模拟通路的信号建立时间T：

T=615ns+9us+4us+4us+4us=21.615us，满足信号最短建立时间50 us的需要。

1.3.3 模拟电路的精度

由于模拟通路设有增益调整电路，产品调试时可将增益误差δ控制在需要的范围之内。电路的误差主要是由于增益温度漂移和器件输入失调电压产生。

由于增益调整电路及输出驱动电路的增益电阻选用的都是高稳定性电阻，温度系数很小，因此，增益温度附加的误差几乎可以忽略不计。只计算输入失调电压以及失调电压温度漂移引起的误差。

例如：AD8250的精度指标如下：

失调电压：0.39 mV;

失调电压飘移：1.7 uV/℃;

全温区增益误差δ1：0.067%。

由于模拟飞控的使用环境为-40 ℃～80 ℃;因此，在20 ℃±60 ℃范围内的失调电压V=±0.39 mV×1.7 uV/℃×60 ℃=±0.492 mV。

而由失调电压带来的误差δ5则为：δ5±0.492mV/20V×100%=0.00246%;

同样的道理，AD215和OP284的失调电压带来的误差δ6和δ7的值分别为0.008%和0.00148%，而整个电路的精度总误差为：

δs=±δ（δ12+δ22+δ32+δ42+δ52+δ62+δ72）1/2

=0.133%，满足设计要求。

2 联试故障现象与分析

2.1 初步分析

按照上述的方案，笔者完成了隔离器的设计，并将数据采集系统与模拟飞控计算机进行地面联试，却发现数据无变化。通过分析联试的数据，数据显示的结果只是对最初上电状态进行相应的采集，而对后面的数据变化，MDC/103板卡仿佛没有采集。降低MDC/103通道的采样率，现象依旧。将按照技术协议设计的模拟飞控采集仿真器与KAM500采集系统相连接，数据能够正常采集，证实采集系统没有问题，初步判断故障的原因在模拟飞控的测试接口。

通过利用示波器测量模拟飞控测试端口的通道建立时间，发现从地址线信号输入到模拟量信号输出的时间大约为18 ms，而MDC/103板卡单个通道的采样时间（即地址线状态跳变最长时间）t最大为8 ms，因此当MDC/103的地址线发生跳变时，模拟飞控测试端口还处在判读地址线，等待输出数据值状态，而当下一个地址线状态输入的时候，由于地址线状态发生变化，所以模拟飞控测试端口重新进行判断，因此测试端口一直处于判断地址线的状态，从而无法向外输出MDC/103所选择的模拟量参数。显然，地面联试出错的原因是可以初步定位为是由于测试端口通道建立时间偏大所造成的。那么，是什么原因造成通道的建立时间偏大呢？

2.2 进一步分析定位

通过分析模拟飞控的测试端口电路，发现厂家设计员为了防止高频干扰和电压的抖动，在模拟飞控的测试端口电路设计了RC滤波电路和电压比较器电路，使得通道建立的时间里包含了电压比较器的电容充放电时间和RC滤波的时间，存在一定的延时，且延时时间大于MDC的最少跳变的时间8MS，因此，就出现了模拟飞控数据无法采集的现象。由于，模拟飞控测试端口的技术指标与之前签署的协调纪要不一致，因此建议厂家优化模拟飞控测试端口设计。

3 结语

通过与新的飞控计算机地面联试，隔离盒与MDC/103板卡的配合使用能够很好的完成模拟飞控计算机所发出的数据，在后续的试飞任务中也顺利保障了试飞数据的采集。该测试方案的成功应用，节省了用于研制专门的模拟飞控采集器及相关配套设备的经费，创造了较为可观的经济效益，同时对于其它类似的选通形式的模拟量的测量具有一定的工程参考意义。

参考文献

[1] ACRA公司.MDC/103板卡使用手册[Z].2006.

[2] AD公司.ISO7220英文说明书[Z].

[3] AD公司.AD8253英文说明书[Z].

[4] AD公司.AD215英文说明书[Z].

[2] AD公司.OP284英文说明书[Z].

[5] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社，2006.endprint

1.3.1 电路设计

由于PAM信号输入输出都是差动±10 V信号，因此整个模拟通路的增益为1，所以信号通路中的各级电路的增益也都是1。在输入缓冲电路设计时，主要考虑信号输入范围，信号建立时间、增益误差和工作的温度范围，综合以上因素，笔者选用AD公司的仪表放大器AD8250，其作用是将模拟飞控计算机输出的两路差分PAM信号转换为单端信号。为了防止高频信号干扰，可在信号的输入端搭建一个低通RC滤波网络，其信号带宽FilterFreq为：

FilterFreq=1/[2πR×（2C1+C2）]

在隔离电路的设计上，通过对比AD215、AD204、ISO124和ISO120的具体参数，最终选定电路设计采用AD215，虽然AD215的增益误差较大，但是可通过后级的增益调整电路进行修正。根据AD215的数据手册，可以得出AD215的增益为1 时的电路图如图2所示。

由于AD215的输出有一定的偏置电压，所以需要对其调零。笔者通过R3、R4、R5构成调零电路。同时，为了保证调零电路的电源精度，调零电路的电源由基准电压电路提供。

增益调理电路是由OP284组成的典型反向放大器;输出驱动电路则是利用OP284搭成的典型单端转差分电路。这里不再赘言。整个隔离器的整个设计原理如图3所示。

地址线的信号隔离，笔者通过三个ISO7220BD来实现。ISO7220BD是一个双通道隔离器。由于采用数字隔离的方式， ISO7220BD输出的信号，通过接入三极管，然后再接入飞控计算机测试端口，由飞控计算机的内部电路将接地/开路上拉为12 V/0V。

1.3.2 信号建立时间

由于MDC/103板卡的最小采样时间为50 us，因此该型隔离器的信号建立时间应小于50 us，信号从输入到输出，一共经过了5级调理电路，其器件分别是AD8250、AD215和3个OP284。其中AD8250的信号建立时间为615ns，AD215的信号建立时间为9 us，OP284的信号建立时间为4 us。

因此，隔离器模拟通路的信号建立时间T：

T=615ns+9us+4us+4us+4us=21.615us，满足信号最短建立时间50 us的需要。

1.3.3 模拟电路的精度

由于模拟通路设有增益调整电路，产品调试时可将增益误差δ控制在需要的范围之内。电路的误差主要是由于增益温度漂移和器件输入失调电压产生。

由于增益调整电路及输出驱动电路的增益电阻选用的都是高稳定性电阻，温度系数很小，因此，增益温度附加的误差几乎可以忽略不计。只计算输入失调电压以及失调电压温度漂移引起的误差。

例如：AD8250的精度指标如下：

失调电压：0.39 mV;

失调电压飘移：1.7 uV/℃;

全温区增益误差δ1：0.067%。

由于模拟飞控的使用环境为-40 ℃～80 ℃;因此，在20 ℃±60 ℃范围内的失调电压V=±0.39 mV×1.7 uV/℃×60 ℃=±0.492 mV。

而由失调电压带来的误差δ5则为：δ5±0.492mV/20V×100%=0.00246%;

同样的道理，AD215和OP284的失调电压带来的误差δ6和δ7的值分别为0.008%和0.00148%，而整个电路的精度总误差为：

δs=±δ（δ12+δ22+δ32+δ42+δ52+δ62+δ72）1/2

=0.133%，满足设计要求。

2 联试故障现象与分析

2.1 初步分析

按照上述的方案，笔者完成了隔离器的设计，并将数据采集系统与模拟飞控计算机进行地面联试，却发现数据无变化。通过分析联试的数据，数据显示的结果只是对最初上电状态进行相应的采集，而对后面的数据变化，MDC/103板卡仿佛没有采集。降低MDC/103通道的采样率，现象依旧。将按照技术协议设计的模拟飞控采集仿真器与KAM500采集系统相连接，数据能够正常采集，证实采集系统没有问题，初步判断故障的原因在模拟飞控的测试接口。

通过利用示波器测量模拟飞控测试端口的通道建立时间，发现从地址线信号输入到模拟量信号输出的时间大约为18 ms，而MDC/103板卡单个通道的采样时间（即地址线状态跳变最长时间）t最大为8 ms，因此当MDC/103的地址线发生跳变时，模拟飞控测试端口还处在判读地址线，等待输出数据值状态，而当下一个地址线状态输入的时候，由于地址线状态发生变化，所以模拟飞控测试端口重新进行判断，因此测试端口一直处于判断地址线的状态，从而无法向外输出MDC/103所选择的模拟量参数。显然，地面联试出错的原因是可以初步定位为是由于测试端口通道建立时间偏大所造成的。那么，是什么原因造成通道的建立时间偏大呢？

2.2 进一步分析定位

通过分析模拟飞控的测试端口电路，发现厂家设计员为了防止高频干扰和电压的抖动，在模拟飞控的测试端口电路设计了RC滤波电路和电压比较器电路，使得通道建立的时间里包含了电压比较器的电容充放电时间和RC滤波的时间，存在一定的延时，且延时时间大于MDC的最少跳变的时间8MS，因此，就出现了模拟飞控数据无法采集的现象。由于，模拟飞控测试端口的技术指标与之前签署的协调纪要不一致，因此建议厂家优化模拟飞控测试端口设计。

3 结语

通过与新的飞控计算机地面联试，隔离盒与MDC/103板卡的配合使用能够很好的完成模拟飞控计算机所发出的数据，在后续的试飞任务中也顺利保障了试飞数据的采集。该测试方案的成功应用，节省了用于研制专门的模拟飞控采集器及相关配套设备的经费，创造了较为可观的经济效益，同时对于其它类似的选通形式的模拟量的测量具有一定的工程参考意义。

参考文献

[1] ACRA公司.MDC/103板卡使用手册[Z].2006.

[2] AD公司.ISO7220英文说明书[Z].

[3] AD公司.AD8253英文说明书[Z].

[4] AD公司.AD215英文说明书[Z].

[2] AD公司.OP284英文说明书[Z].

[5] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社，2006.endprint

1.3.1 电路设计

由于PAM信号输入输出都是差动±10 V信号，因此整个模拟通路的增益为1，所以信号通路中的各级电路的增益也都是1。在输入缓冲电路设计时，主要考虑信号输入范围，信号建立时间、增益误差和工作的温度范围，综合以上因素，笔者选用AD公司的仪表放大器AD8250，其作用是将模拟飞控计算机输出的两路差分PAM信号转换为单端信号。为了防止高频信号干扰，可在信号的输入端搭建一个低通RC滤波网络，其信号带宽FilterFreq为：

FilterFreq=1/[2πR×（2C1+C2）]

在隔离电路的设计上，通过对比AD215、AD204、ISO124和ISO120的具体参数，最终选定电路设计采用AD215，虽然AD215的增益误差较大，但是可通过后级的增益调整电路进行修正。根据AD215的数据手册，可以得出AD215的增益为1 时的电路图如图2所示。

由于AD215的输出有一定的偏置电压，所以需要对其调零。笔者通过R3、R4、R5构成调零电路。同时，为了保证调零电路的电源精度，调零电路的电源由基准电压电路提供。

增益调理电路是由OP284组成的典型反向放大器;输出驱动电路则是利用OP284搭成的典型单端转差分电路。这里不再赘言。整个隔离器的整个设计原理如图3所示。

地址线的信号隔离，笔者通过三个ISO7220BD来实现。ISO7220BD是一个双通道隔离器。由于采用数字隔离的方式， ISO7220BD输出的信号，通过接入三极管，然后再接入飞控计算机测试端口，由飞控计算机的内部电路将接地/开路上拉为12 V/0V。

1.3.2 信号建立时间

由于MDC/103板卡的最小采样时间为50 us，因此该型隔离器的信号建立时间应小于50 us，信号从输入到输出，一共经过了5级调理电路，其器件分别是AD8250、AD215和3个OP284。其中AD8250的信号建立时间为615ns，AD215的信号建立时间为9 us，OP284的信号建立时间为4 us。

因此，隔离器模拟通路的信号建立时间T：

T=615ns+9us+4us+4us+4us=21.615us，满足信号最短建立时间50 us的需要。

1.3.3 模拟电路的精度

由于模拟通路设有增益调整电路，产品调试时可将增益误差δ控制在需要的范围之内。电路的误差主要是由于增益温度漂移和器件输入失调电压产生。

由于增益调整电路及输出驱动电路的增益电阻选用的都是高稳定性电阻，温度系数很小，因此，增益温度附加的误差几乎可以忽略不计。只计算输入失调电压以及失调电压温度漂移引起的误差。

例如：AD8250的精度指标如下：

失调电压：0.39 mV;

失调电压飘移：1.7 uV/℃;

全温区增益误差δ1：0.067%。

由于模拟飞控的使用环境为-40 ℃～80 ℃;因此，在20 ℃±60 ℃范围内的失调电压V=±0.39 mV×1.7 uV/℃×60 ℃=±0.492 mV。

而由失调电压带来的误差δ5则为：δ5±0.492mV/20V×100%=0.00246%;

同样的道理，AD215和OP284的失调电压带来的误差δ6和δ7的值分别为0.008%和0.00148%，而整个电路的精度总误差为：

δs=±δ（δ12+δ22+δ32+δ42+δ52+δ62+δ72）1/2

=0.133%，满足设计要求。

2 联试故障现象与分析

2.1 初步分析

按照上述的方案，笔者完成了隔离器的设计，并将数据采集系统与模拟飞控计算机进行地面联试，却发现数据无变化。通过分析联试的数据，数据显示的结果只是对最初上电状态进行相应的采集，而对后面的数据变化，MDC/103板卡仿佛没有采集。降低MDC/103通道的采样率，现象依旧。将按照技术协议设计的模拟飞控采集仿真器与KAM500采集系统相连接，数据能够正常采集，证实采集系统没有问题，初步判断故障的原因在模拟飞控的测试接口。

通过利用示波器测量模拟飞控测试端口的通道建立时间，发现从地址线信号输入到模拟量信号输出的时间大约为18 ms，而MDC/103板卡单个通道的采样时间（即地址线状态跳变最长时间）t最大为8 ms，因此当MDC/103的地址线发生跳变时，模拟飞控测试端口还处在判读地址线，等待输出数据值状态，而当下一个地址线状态输入的时候，由于地址线状态发生变化，所以模拟飞控测试端口重新进行判断，因此测试端口一直处于判断地址线的状态，从而无法向外输出MDC/103所选择的模拟量参数。显然，地面联试出错的原因是可以初步定位为是由于测试端口通道建立时间偏大所造成的。那么，是什么原因造成通道的建立时间偏大呢？

2.2 进一步分析定位

通过分析模拟飞控的测试端口电路，发现厂家设计员为了防止高频干扰和电压的抖动，在模拟飞控的测试端口电路设计了RC滤波电路和电压比较器电路，使得通道建立的时间里包含了电压比较器的电容充放电时间和RC滤波的时间，存在一定的延时，且延时时间大于MDC的最少跳变的时间8MS，因此，就出现了模拟飞控数据无法采集的现象。由于，模拟飞控测试端口的技术指标与之前签署的协调纪要不一致，因此建议厂家优化模拟飞控测试端口设计。

3 结语

通过与新的飞控计算机地面联试，隔离盒与MDC/103板卡的配合使用能够很好的完成模拟飞控计算机所发出的数据，在后续的试飞任务中也顺利保障了试飞数据的采集。该测试方案的成功应用，节省了用于研制专门的模拟飞控采集器及相关配套设备的经费，创造了较为可观的经济效益，同时对于其它类似的选通形式的模拟量的测量具有一定的工程参考意义。

参考文献

[1] ACRA公司.MDC/103板卡使用手册[Z].2006.

[2] AD公司.ISO7220英文说明书[Z].

[3] AD公司.AD8253英文说明书[Z].

[4] AD公司.AD215英文说明书[Z].

[2] AD公司.OP284英文说明书[Z].

[5] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社，2006.endprint