有源傳感器系統正在成為飛機設計中越來越重要的元素。整理載荷，應變，溫度和壓力數據可以更詳細地記錄飛機中不同部件的狀態，并提供問題的早期指示。本文著眼于利用ADI公司，飛思卡爾半導體公司，德州儀器公司，TE Connectivity公司和歐姆龍公司的傳感器和轉換技術，在飛機上使用不同傳感器技術的方式。

傳感器融合是一個日益重要的元素，即系統設計。將多個傳感器與微控制器或微處理器集成以處理傳感器接口處系統控制的更多方面，可提高可靠性和準確性，同時降低功耗。所有這些都是航空電子傳感器系統設計的積極舉措。這已經發生在用于慣性導航的MEMS加速度計和壓力傳感器的傳感器融合中，并且還可以用于整合來自機身周圍的更多數據。這為維護和控制提供了更多數據，降低了運行飛機的總成本，并允許在降級之前更換組件。

傳感器融合系統可以使用ADI公司的AD7476/AD7477/AD7478等器件構建加上微控制器。這些是12位，10位和8位，高速，低功耗，逐次逼近型ADC，采用六引腳SOT23封裝，重量和尺寸極小。這些器件采用2.35 V至5.25 V單電源供電，吞吐速率高達1 MSPS。每個器件都包含一個低噪聲，寬帶寬采樣保持放大器，可以處理超過6 MHz的輸入頻率，使其適用于溫度和應變等傳感器。

轉換過程和數據采集使用串行時鐘，允許設備與微處理器或DSP連接。輸入信號在時鐘的下降沿采樣，此時啟動轉換。這些器件沒有相關的流水線延遲。

AD7476/AD7477/AD7478（圖1）采用先進的設計技術，在高吞吐速率下實現極低的功耗，有助于減少航空電子設計的重量。器件的基準電壓源來自VDD，它允許ADC具有最寬的動態輸入范圍，因此器件的模擬輸入范圍為0 V至VDD。

圖1：塊AD7476/AD7477/AD7478系列數據轉換器的示意圖。

轉換速率由串行時鐘決定，允許通過串行時鐘速度增加來降低轉換時間。這允許在不轉換和減少功率和重量的同時降低平均功耗。這些器件還具有關斷模式，可在較低的吞吐率下最大限度地提高功效。在關斷模式下，電流消耗最大為1μA。

器件采用標準逐次逼近型ADC，通過輸入和一次性轉換控制精確控制采樣時刻。 ADC不需要外部基準電壓源，也不存在片內基準電壓源，因為它來自電源，因此可提供最寬的動態輸入范圍。

AD7476/AD7477/AD7478器件還具有電源 - 向下選項可在轉換之間節省電量。斷電功能在標準串行接口上實現，有助于降低系統的重量ADC可用于連接溫度傳感器，如LT73，可放置在機身周圍，以確定影響各個系統的溫度曲線。類似地，諸如125UT的應變儀可以放置在機身的關鍵點上。通過傳感器融合，數據采集系統可以生成機身上的應變曲線，并監控數據何時落在輪廓之外。這提供了有關飛機健康狀況的寶貴信息。

圖2：125UT應變計可用作傳感器融合監測系統的一部分。

將這些數據與數據結合起來來自諸如D7E的振動傳感器提供了關于飛機健康狀況的更多信息，并允許傳感器融合算法將所有數據組合以進行更準確的監測和預測。它們由微控制器或數字信號處理器實現，可直接連接到ADC。諸如線性二次估計（LQE）之類的算法（也稱為卡爾曼濾波器（見下文））可用于跟蹤隨時間的測量并提供有關設備狀況的有用反饋。

控制器也可用于監控傳感器本身的狀況，避免錯誤讀數。基于時間的算法（如卡爾曼濾波）還允許系統識別故障傳感器而不是被監控的系統組件。

微處理器接口

AD7476/AD7477/AD7478上的串行接口允許器件直接連接然后，TMS320C5x上的串行接口使用連續的串行時鐘和幀同步信號來同步數據傳輸操作與外圍設備等一系列不同的微處理器，然后可以控制與飛機網絡的接口并實現傳感器融合算法。作為AD7476/AD7477/AD7478。該輸入允許在不需要任何膠合邏輯的情況下輕松連接TMS320C5x/C54x與AD7476/AD7477/AD7478。此外，TMS320C5x/C54x的串行端口設置為在突發模式下工作，具有內部CLKX（Tx串行時鐘）和FSX（Tx幀同步）。

串行端口控制寄存器（SPC）必須具備以下功能設置：FO = 0，FSM = 1，MCM = 1，TXM = 1.格式位FO可設置為1，將字長設置為8位，以便在ADC上實現掉電模式。對于信號處理應用，TMS320C5x/C54x的幀同步信號必須提供等距采樣。

ADSP-21xx系列DSP直接連接到AD7476/AD7477/AD7478，無需任何膠合邏輯。實現在掉電模式下，SLEN設置為0111以發出8位SCLK突發。 ADSP-21xx將SPORT的TFS和RFS連接在一起，TFS設置為輸出，RFS設置為輸入。 DSP以交替幀模式工作，并且SPORT控制寄存器如上所述進行設置。

TFS上生成的幀同步信號與所有信號處理應用程序相關，并且與等距采樣相關。但是，在此示例中，定時器中斷控制ADC的采樣率，并且在某些條件下，可能無法實現等距采樣。

定時器寄存器加載一個值，該值以所需的采樣間隔提供中斷。接收到中斷時，將使用TFS/DT（ADC控制字）傳輸值。 TFS控制RFS，從而控制數據的讀取。串行時鐘的頻率在SCLKDIV寄存器中設置。當給出用TFS發送的指令時，例如TX0 = AX0，檢查SCLK的狀態。在傳輸開始之前，DSP等待SCLK變為高，低和高。如果選擇定時器和SCLK值使得發送指令發生在SCLK的上升沿或接近SCLK的上升沿，則可以發送數據，或者它可以等到下一個時鐘沿。

ADSP-2111有一個主器件時鐘頻率為16 MHz。如果SCLKDIV寄存器加載值3，則獲得2 MHz的SCLK，并且每個SCLK周期經過8個主時鐘周期。如果定時器寄存器加載了值803，則在中斷之間以及隨后在發送指令之間發生100.5 SCLK。這種情況導致非等距采樣，因為發送指令發生在SCLK邊沿。如果中斷之間的SCLK數是N的整數整數，則DSP實現等距采樣。

ADC還可以連接到飛思卡爾半導體DSP56xxx系列DSP的同步串行接口（SSI）。 SSI以同步模式（CRB中的SYN位= 1）運行，內部生成的字幀同步用于Tx和Rx（CRB中的位FSL1 = 0和FSL0 = 0）。通過在CRA中設置WL1 = 1和WL0 = 0，將字長設置為16.

要在數據轉換器上實現掉電模式，可以通過設置WL1 = 0位來將字長改為8位。 CRA中WL0 = 0。類似地，對于信號處理應用，來自DSP56xxx的幀同步信號必須提供等距采樣。

然后，控制器可用于實現融合算法和網絡接口。這可以在飛機內使用諸如ARINC之類的協議或用于維護的外部接口。 ARINC429收發器接口與配套的ARINC總線接口電路配合使用，可提供數據格式化和處理器接口功能。所有邏輯輸入均為TTL和CMOS兼容，需要三個電源：V = + 15 V±10％， - V = -15 V±10％，V1 = 5 V±5％。 VREF用于編程差分輸出電壓擺幅，使VOUT（DIFF）=±2 VREF。通常，VREF = V1 = 5 V±5％，但VREF可以使用單獨的電源，電源不應超過6 V.

所有這些因素都集中在MEMS慣性測量單元（IMU）中-degree-of-freedom（DoF）。這實現了嵌入式傳感器融合算法，可在平臺穩定，導航和儀器儀表中提供極其精確的定向感應。 ADIS16480（圖2）在單個封裝中集成了三軸陀螺儀，三軸加速度計，三軸磁力計，壓力傳感器和ADI公司的ADSP-BF512 Blackfin處理器。

圖3：ADIS16480傳感器融合系統集成了三軸陀螺儀，三軸加速度計，三軸磁力計，壓力傳感器和Blackfin數字信號處理器。

ADIS16480采用擴展卡爾曼濾波器（EKF）隨著時間的推移融合傳感器輸入，以提供極其精確的定位，同時減少設計時間和成本。這在需要實時定位的系統中特別有用，但運動是恒定的，復雜的和動態的，例如軍用和商用飛機導航。

卡爾曼濾波器卡爾曼濾波是一種估算給定狀態的數學算法通過隨時間進行多次測量，并將這些與預測狀態估計器合并，來實現嘈雜，可變的過程。該濾波器智能地結合了MEMS IMU的運動傳感器輸入，即使在以恒定，不可預測的運動為特征的復雜運行條件下，也能提供極其精確的定位數據。通過將濾波器嵌入Blackfin處理器的內核，ADI還為設計人員節省了與其他MEMS IMU所需的密集代碼開發，測試和外部處理相關的時間和成本。

圖4：ADIS16480傳感器融合系統的框圖。

在確定精確位置或方向時，航空電子系統不僅依賴于單個傳感器的精度，還依賴于精確，動態地組合多個輸入的復雜性。擴展卡爾曼濾波器有助于系統根據情境感知識別哪些傳感器“信任”。這使得系統級設計人員可以在各種苛刻的環境條件下通過自動調整濾波器或通過其可編程接口調整濾波器來實現定位精度。

330 MHz帶寬支持緊密對齊（0.05度）和相位匹配的軸，具有0.01％的業界領先的非線性。每個MEMS IMU都經過獨特的工廠校準，大大減少了與開發和集成相關的時間和風險，并且對熱漂移提供了極低的靈敏度。

結論

使用小型，低功耗的多個傳感器數據轉換裝置可以為航空電子設備提供數據融合系統的基礎。這可用于使用可跟蹤性能隨時間推移的現代算法來監控設備甚至機身的狀態。使用此數據預測維護計劃有助于降低降級風險并提高性能，從而降低總體成本。現代的低功率，小型數據轉換器和傳感器可以提供這種能力，而不會顯著增加飛機的重量。采用MEMS技術進行壓力傳感也有助于提高可靠性。