用于监控飞机寿命的传感器融合系统的设计方案

有源传感器系统正在成为飞机设计中越来越重要的元素。整理载荷，应变，温度和压力数据可以更详细地记录飞机中不同部件的状态，并提供问题的早期指示。本文着眼于利用ADI公司，飞思卡尔半导体公司，德州仪器公司，TE Connectivity公司和欧姆龙公司的传感器和转换技术，在飞机上使用不同传感器技术的方式。

传感器融合是一个日益重要的元素，即系统设计。将多个传感器与微控制器或微处理器集成以处理传感器接口处系统控制的更多方面，可提高可靠性和准确性，同时降低功耗。所有这些都是航空电子传感器系统设计的积极举措。这已经发生在用于惯性导航的MEMS加速度计和压力传感器的传感器融合中，并且还可以用于整合来自机身周围的更多数据。这为维护和控制提供了更多数据，降低了运行飞机的总成本，并允许在降级之前更换组件。

传感器融合系统可以使用ADI公司的AD7476/AD7477/AD7478等器件构建加上微控制器。这些是12位，10位和8位，高速，低功耗，逐次逼近型ADC，采用六引脚SOT23封装，重量和尺寸极小。这些器件采用2.35 V至5.25 V单电源供电，吞吐速率高达1 MSPS。每个器件都包含一个低噪声，宽带宽采样保持放大器，可以处理超过6 MHz的输入频率，使其适用于温度和应变等传感器。

转换过程和数据采集使用串行时钟，允许设备与微处理器或DSP连接。输入信号在时钟的下降沿采样，此时启动转换。这些器件没有相关的流水线延迟。

AD7476/AD7477/AD7478（图1）采用先进的设计技术，在高吞吐速率下实现极低的功耗，有助于减少航空电子设计的重量。器件的基准电压源来自VDD，它允许ADC具有最宽的动态输入范围，因此器件的模拟输入范围为0 V至VDD。

图1：块AD7476/AD7477/AD7478系列数据转换器的示意图。

转换速率由串行时钟决定，允许通过串行时钟速度增加来降低转换时间。这允许在不转换和减少功率和重量的同时降低平均功耗。这些器件还具有关断模式，可在较低的吞吐率下最大限度地提高功效。在关断模式下，电流消耗最大为1μA。

器件采用标准逐次逼近型ADC，通过输入和一次性转换控制精确控制采样时刻。 ADC不需要外部基准电压源，也不存在片内基准电压源，因为它来自电源，因此可提供最宽的动态输入范围。

AD7476/AD7477/AD7478器件还具有电源 - 向下选项可在转换之间节省电量。断电功能在标准串行接口上实现，有助于降低系统的重量ADC可用于连接温度传感器，如LT73，可放置在机身周围，以确定影响各个系统的温度曲线。类似地，诸如125UT的应变仪可以放置在机身的关键点上。通过传感器融合，数据采集系统可以生成机身上的应变曲线，并监控数据何时落在轮廓之外。这提供了有关飞机健康状况的宝贵信息。

图2：125UT应变计可用作传感器融合监测系统的一部分。

将这些数据与数据结合起来来自诸如D7E的振动传感器提供了关于飞机健康状况的更多信息，并允许传感器融合算法将所有数据组合以进行更准确的监测和预测。它们由微控制器或数字信号处理器实现，可直接连接到ADC。诸如线性二次估计（LQE）之类的算法（也称为卡尔曼滤波器（见下文））可用于跟踪随时间的测量并提供有关设备状况的有用反馈。

控制器也可用于监控传感器本身的状况，避免错误读数。基于时间的算法（如卡尔曼滤波）还允许系统识别故障传感器而不是被监控的系统组件。

微处理器接口

AD7476/AD7477/AD7478上的串行接口允许器件直接连接然后，TMS320C5x上的串行接口使用连续的串行时钟和帧同步信号来同步数据传输操作与外围设备等一系列不同的微处理器，然后可以控制与飞机网络的接口并实现传感器融合算法。作为AD7476/AD7477/AD7478。该输入允许在不需要任何胶合逻辑的情况下轻松连接TMS320C5x/C54x与AD7476/AD7477/AD7478。此外，TMS320C5x/C54x的串行端口设置为在突发模式下工作，具有内部CLKX（Tx串行时钟）和FSX（Tx帧同步）。

串行端口控制寄存器（SPC）必须具备以下功能设置：FO = 0，FSM = 1，MCM = 1，TXM = 1.格式位FO可设置为1，将字长设置为8位，以便在ADC上实现掉电模式。对于信号处理应用，TMS320C5x/C54x的帧同步信号必须提供等距采样。

ADSP-21xx系列DSP直接连接到AD7476/AD7477/AD7478，无需任何胶合逻辑。实现在掉电模式下，SLEN设置为0111以发出8位SCLK突发。 ADSP-21xx将SPORT的TFS和RFS连接在一起，TFS设置为输出，RFS设置为输入。 DSP以交替帧模式工作，并且SPORT控制寄存器如上所述进行设置。

TFS上生成的帧同步信号与所有信号处理应用程序相关，并且与等距采样相关。但是，在此示例中，定时器中断控制ADC的采样率，并且在某些条件下，可能无法实现等距采样。

定时器寄存器加载一个值，该值以所需的采样间隔提供中断。接收到中断时，将使用TFS/DT（ADC控制字）传输值。 TFS控制RFS，从而控制数据的读取。串行时钟的频率在SCLKDIV寄存器中设置。当给出用TFS发送的指令时，例如TX0 = AX0，检查SCLK的状态。在传输开始之前，DSP等待SCLK变为高，低和高。如果选择定时器和SCLK值使得发送指令发生在SCLK的上升沿或接近SCLK的上升沿，则可以发送数据，或者它可以等到下一个时钟沿。

ADSP-2111有一个主器件时钟频率为16 MHz。如果SCLKDIV寄存器加载值3，则获得2 MHz的SCLK，并且每个SCLK周期经过8个主时钟周期。如果定时器寄存器加载了值803，则在中断之间以及随后在发送指令之间发生100.5 SCLK。这种情况导致非等距采样，因为发送指令发生在SCLK边沿。如果中断之间的SCLK数是N的整数整数，则DSP实现等距采样。

ADC还可以连接到飞思卡尔半导体DSP56xxx系列DSP的同步串行接口（SSI）。 SSI以同步模式（CRB中的SYN位= 1）运行，内部生成的字帧同步用于Tx和Rx（CRB中的位FSL1 = 0和FSL0 = 0）。通过在CRA中设置WL1 = 1和WL0 = 0，将字长设置为16.

要在数据转换器上实现掉电模式，可以通过设置WL1 = 0位来将字长改为8位。 CRA中WL0 = 0。类似地，对于信号处理应用，来自DSP56xxx的帧同步信号必须提供等距采样。

然后，控制器可用于实现融合算法和网络接口。这可以在飞机内使用诸如ARINC之类的协议或用于维护的外部接口。 ARINC429收发器接口与配套的ARINC总线接口电路配合使用，可提供数据格式化和处理器接口功能。所有逻辑输入均为TTL和CMOS兼容，需要三个电源：V = + 15 V±10％， - V = -15 V±10％，V1 = 5 V±5％。 VREF用于编程差分输出电压摆幅，使VOUT（DIFF）=±2 VREF。通常，VREF = V1 = 5 V±5％，但VREF可以使用单独的电源，电源不应超过6 V.

所有这些因素都集中在MEMS惯性测量单元（IMU）中-degree-of-freedom（DoF）。这实现了嵌入式传感器融合算法，可在平台稳定，导航和仪器仪表中提供极其精确的定向感应。 ADIS16480（图2）在单个封装中集成了三轴陀螺仪，三轴加速度计，三轴磁力计，压力传感器和ADI公司的ADSP-BF512 Blackfin处理器。

图3：ADIS16480传感器融合系统集成了三轴陀螺仪，三轴加速度计，三轴磁力计，压力传感器和Blackfin数字信号处理器。

ADIS16480采用扩展卡尔曼滤波器（EKF）随着时间的推移融合传感器输入，以提供极其精确的定位，同时减少设计时间和成本。这在需要实时定位的系统中特别有用，但运动是恒定的，复杂的和动态的，例如军用和商用飞机导航。

卡尔曼滤波器卡尔曼滤波是一种估算给定状态的数学算法通过随时间进行多次测量，并将这些与预测状态估计器合并，来实现嘈杂，可变的过程。该滤波器智能地结合了MEMS IMU的运动传感器输入，即使在以恒定，不可预测的运动为特征的复杂运行条件下，也能提供极其精确的定位数据。通过将滤波器嵌入Blackfin处理器的内核，ADI还为设计人员节省了与其他MEMS IMU所需的密集代码开发，测试和外部处理相关的时间和成本。

图4：ADIS16480传感器融合系统的框图。

在确定精确位置或方向时，航空电子系统不仅依赖于单个传感器的精度，还依赖于精确，动态地组合多个输入的复杂性。扩展卡尔曼滤波器有助于系统根据情境感知识别哪些传感器“信任”。这使得系统级设计人员可以在各种苛刻的环境条件下通过自动调整滤波器或通过其可编程接口调整滤波器来实现定位精度。

330 MHz带宽支持紧密对齐（0.05度）和相位匹配的轴，具有0.01％的业界领先的非线性。每个MEMS IMU都经过独特的工厂校准，大大减少了与开发和集成相关的时间和风险，并且对热漂移提供了极低的灵敏度。

结论

使用小型，低功耗的多个传感器数据转换装置可以为航空电子设备提供数据融合系统的基础。这可用于使用可跟踪性能随时间推移的现代算法来监控设备甚至机身的状态。使用此数据预测维护计划有助于降低降级风险并提高性能，从而降低总体成本。现代的低功率，小型数据转换器和传感器可以提供这种能力，而不会显着增加飞机的重量。采用MEMS技术进行压力传感也有助于提高可靠性。