飞机模拟量采集系统误差分析

呼明亮++邓道杰++李兴智++梁哲

摘要：该文分析了飞机模拟量采集系统的硬件电路特点，按照误差的特点和性质将其区分为系统误差、随机误差和偶然误差，并分析了误差产生的原因。针对系统误差，消除了通道切换误差，并修正了地线误差；针对随机误差和偶然误差，介绍了3[σ]准则和Dixon准则，剔除了偶然误差可疑点，采用均值理论消除了随机误差的影响。实验证明，该文提出的误差抑制方法能有效提高飞机模拟量采集系统精度，对提升飞机机电系统控制性能具备重要的现实意义。

关键词：模拟量采集；误差分析；Dixon准则；均值理论

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：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

“科学始于测量”，测量技术是影响现代飞机机电系统控制性能的关键因素。但由于测量方法和测量电路的不完善，周围电磁环境的影响，以及人们认知能力的限制，测量值和真实值之间总是存在偏差，在数值上表现为误差。误差存在的普遍性和必然性，证明不可能完全消除误差。因此，研究飞机模拟量采集系统误差产生的原因和传递过程，达到认识误差并进而减小或消除误差，对提升飞机机电系统控制性能具备重要的现实意义。

本文针对飞机模拟量采集系统的硬件电路特点，按照误差的特点和性质将其区分为系统误差、随机误差和偶然误差，分析了误差产生的原因，对采集结果进行了数据处理，并对硬件电路提出了改进方法，最终实现了模拟量采集系统的高精度采集。

1 系统设计

图1所示为模拟量采集系统硬件原理图，每路机载模拟量输入信号，经输入开关矩阵切换至信号调理电路前端，经调理电路、放大电路送至A/D转换器前端，FPGA通过实时读取A/D转换器结果获取采集结果，并将数据放至缓冲区，DSP通过内部数据总线访问数据缓冲区，并进行数据处理，将结果上传至上位机。系统以负责主控任务的微控制器DSP为核心，主要功能包括接收上位机指令，完成系统工作参数配置，获取FPGA数据缓冲区采集结果，实现复杂算法处理，将结果上传至上位机。可编程逻辑控制模块FPGA，主要实现输入开关矩阵的切换、A/D转换模块的控制和采集数据的简单处理，实现高容量的数据吞吐和原始数据处理。FPGA+DSP的硬件并行架构体系，实现了模拟量采集系统强大的数据采集与解算能力，成为误差分析的硬件基础。

2 误差分析

2.1 系统误差及其抑制方法

2.1.1 产生原因

系统误差指在同一条件下，多次测量同一量值时，误差的大小和符号或者保持不变，或者按一定的规律变化。系统误差是由确定的原因引起的，可校正和消除。

根据数据测量结果分析，模拟量采集系统存在的两个方面的系统误差：1）通道切换对采集结果存在一定的影响；2）测量值相对标准值偏高。

2.1.2 抑制方法

1）通道切换误差抑制

模拟开关因其体积小、控制简单、开关速度快被广泛应用于多通道模拟量采集系统。与机械开关类似，多路开关在通道切换时也会存在抖动过程，会出现瞬变现象。若此时采集多路开关的输出信号，带来较大的系统误差，为了减小该类误差，系统采用软件延时的方式的实现消抖动。开关切换至通道后，延时5个充放电时间常数τ=RC后进行采集，此时电路可完成99.33%充放电。针对小信号电压值的采集，先采集小信号电压范围内的标准电压，可缩短相邻通道因电压差引起的电荷释放时间，从而降低系统误差。

2）采集值偏高修正

针对测量值相对标准值偏高，经分析该现象为地线上的线压降和偏置电压共同作用所致。图2所示为模拟量采集系统的电流流向图。

3 结束语

本文介绍了飞机模拟量采集系统误差分析的方法，并搭建了一套基于FPGA+DSP的多通道硬件采集电路，该电路具备强大数据采集及解算能力。通过消除通道切换误差和修正地线误差，减小了系统误差带来的影响；使用Dixon准则对采集数据可疑点进行了剔除，消除了偶然误差影响，利用均值理论消除了随机误差影响。误差抑制后的数据采集结果如表2所示，可知，本文提出的误差抑制方法能有效提高模拟量采集系统精度，尤其是小信号范围内的采集，具备较强的现实意义，可广泛应用于航空、航天和工业等各个领域。

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