无线电高度模拟信号转换器的设计

摘要：设计了一种无线电高度模拟信号转换器，该转换器采用了采集直流电压模拟信号的差分比例运算电路、基于FPGA控制的AD采样电路、单片机处理采样数据和控制发送ARINC429数据的转换电路、冒泡排序和平滑数据的软件设计方法，并对设计中的关键技术点进行了分析，实现了将飞机无线电高度表输出的无线电高度模拟直流电压转换为空中防撞系统需要的低速ARINC429无线电高度数据，具有转换精度高、性能稳定可靠的特点，增强了空中防撞系统加装飞机的适应性。

关键词：无线电高度；防撞；系统转换；电路

1引言

空中防撞系统的根本目的是保障航线上的飞机安全，有效的完成航线上的飞机在飞行过程中的相互避让。飞机的无线电高度表为空中防撞系统提供无线电高度数据，作为空中防撞系统在低空区域的重要参考。目前，大多数现役飞机的无线电高度表输出的无线电高度数据为直流电压，而空中防撞系统使用的无线电高度为低速ARINC429格式。基于上述背景，本文提出了一种无线电高度模拟信号转换器的设计，将飞机无线电高度表输出的模拟信号转换为低速ARINC429格式的数字信号，满足空中防撞系统的需求。

2模拟信号采集电路设计

由于无线电高度表输出的直流电压较高，一般为20伏以上，而AD采样芯片的采样电压一般为5伏左右，因此需要模拟信号采集电路将无线电高度表输出的直流电压降到AD采样芯片的采样电压范围内。本次设计的模拟信号采集电路采用了性能稳定、高信噪比的差分比例运算电路，如图1所示。该采集电路输出电压计算公式为，为了提高差分运放的输入阻抗，R1、R2、R3、R4选择百千欧级阻值。为了方便采购和计算，选择R1和R2阻值相等，R3和R4阻值相等，输出电压计算公式变为。R1、R2、R3、R4采用0.001%精度的线绕电阻，使得差分运放输出的采集电压误差很小几乎为零，极大地减小了模拟直流电压转换误为数字信号的误差。

3AD采样电路设计

一般10位A/D芯片以下误差较大，11位以上对减小误差并无太大贡献，但对A/D转换器的要求却提得过高。在这里，选用了12位的MAX191。为了对MAX191时序的精确控制，同时考虑到ARINC429发送电路时钟的需要，采用了市场价格低廉的FPGA控制MAX191采样。为了实现FPGA与MAX191的并行通信，将MAX191的第22脚PAR设置为1，选用并行输出模式。无线电高度表输出的模拟电压一般为单极性，将MAX191的第8脚BIP接地选择单极性模拟输入模式，同时将第23脚CLK/SCLK接120pF到地选择内部时钟，在第5脚VREF和第7脚AGND之间并联一个4.7uF和一个0.1uF电容，获得4.096V的内部电压基准。当FPGA接收完采样数据后发送数据准备好标志和采样数据发送给单片机。

4单片机数据处理

单片机选用了C8051F020，指令运行速度是一般80C51系列单片机的10倍以上，满足对模拟数据处理和后续控制ARINC429发送电路的速度需求。C8051F020拥有8个8位的I／O端口，既满足接收FPGA传输过来的模拟数据接口，又满足控制ARINC429发送电路的接口。单片机接收到数据准备好标志后立即接收采样数据。为了提高采样模拟电压的精度，将连续采样的10个模拟电压进行冒泡排序，去掉最大值和最小值后求平均值完成平滑数据处理。将处理后的采样数据转换成输入的模拟电压，再按照无线电高度表资料上的模拟电压与无线电高度对应关系计算出无线电高度。

5发送ARINC429电路设计

发送ARINC429电路选用了ARINC429发送器DEI1016和电平转换芯片BD429。DEI1016发送器包括一个发送缓存器和一个控制逻辑，发送缓存器是一个8×32bit的FIFO，而控制逻辑则允许C8051F020给DEI1016发送器写数据块，并通过C8051F020使能DEI1016发送器来使该数据块自动发送出去。单片机在使能DEI1016发送数据前需要通过D0～D15配置DEI1016控制字。单片机设置DEI1016的第10脚D12为0配置发送数据为奇校验，第7脚D13为1配置发送数据为低速，第9脚D15为0配置发送数据为32位字长格式。DEI1016的1MHz时钟由AD采样电路的FPGA分频模块产生。DEI1016发送的ARINC429数据在TTL电平格式下经过BD429电平转换器发送出去。BD429的第5脚和第12脚与地之间接68pF的电容，保证BD429正常工作。

6结束语

经过精心设计的无线电高度模拟信号转换器选用高精度电阻配置性能稳定的差分放大电路，高转换速度和分辨率的MAX191采样芯片，采用冒泡排序和平滑处理数据的软件设计方法，实现了将无线电高度表输出的无线电高度模拟直流电压高精度地转换为16位宽的无线电高度TTL电平数据总线信号。同时，设计的无线电高度模拟信号转换器采用可靠性高的ARINC429总线收发器芯片DEI1016和满足ARINC429规范的、双极数据输入线驱动器BD429芯片，将无线电高度TTL电平数据总线信号转换为低速的ARINC429总线信号，满足空中防撞系统对无线电高度数据的需求。

参考文献

[1]刘小康,彭东林,张兴红.12位A/D转换器MAX191及其应用[J].电子设计应用,2012(11):90-91.

[2]范秀峰,周宇辰.ARINC429总线收发器芯片DEI1016的原理及应用[J].国外电子元器件,2004(5):33-36．

作者：段建军 单位：四川九洲空管科技有限责任公司