某型機載近距導航設備檢測儀的設計與實現

馬二濤,李建海,劉保華,王 平

(空軍工程大學工程學院,西安710038)

1 引 言

航空無線電近距導航系統用于飛機的導航、著陸,以及飛機間導航,地面信標臺顯示空中情況,是航行駕駛綜合體的無線電設備之一,其性能好壞將直接影響戰機飛行安全和戰術性能的發揮[1],但近距導航系統信號交聯關系復雜,其故障不易判斷。文獻[2]介紹的機載近距導航信標模仿儀在功能上模擬地面信標臺,只能檢查機載信標接收機的好壞;另外,俄制近距導航檢測設備存在數量少、效率低、可維護性差、維修和升級困難等問題。為此,新研制了一種模塊化、自動化、智能化高的導航精度檢測儀,可以對近距導航設備組件進行檢測,又可以與其它檢測設備交聯對航行駕駛綜合系統進行故障分析檢查。

2 原理簡介

檢測儀用于近距導航設備定期檢修工作以及各項參數、性能測試,校準和顯示近距導航設備所測得的方位角和距離值。模擬方位角信號和距離信號都是通過延時電路實現的,分別由“北”信號脈沖和接收距離詢問信號的譯碼脈沖啟動延時電路,最后計數脈沖變成相應的交流信號送到方位、距離指示器,從而達到測量的目的。其電路原理如圖1所示。

圖1 近距導航檢測儀電路原理圖Fig.1 Short-rang-navigation check-up equipment circuit principium

3 硬件設計

以PC104嵌入式計算機為平臺,采用自頂而下的模塊化結構,按檢測儀的功能分為電源模塊、CPU模塊、時鐘模塊、方位模塊、距離模塊、噪聲模塊、串碼接收譯碼顯示模塊和檢驗模塊,通過PC104數據和地址總線連接各功能模塊完成檢測任務。其功能框圖如圖2所示。

圖2 檢測儀功能模塊Fig.2 The equipment function modules

3.1 方位模塊

方位模塊用于產生0°～360°范圍內的方位模擬信號以及方位脈沖信號。由于方位信號是一個雙鐘形信號,其中間零值代表真正的方位,因此產生方位信號應在方位真值點之間開始。不同的信標類型,其雙鐘形方位信號寬度不同,所以要根據信標類型來決定方位信號起點相對于方位真值點的提前量,為此,采用了一種特殊的計算方法。功能框圖如圖3所示。

圖3 模擬方位角產生原理Fig.3 Simulated orientation circuit principium

時鐘模塊產生的方位慢脈沖送到模7200可逆計數器,在外部控制信號的作用下對該慢脈沖進行加、減計數,以及停止、清零操作;同時,模7200減法計數器在北脈沖的觸發下將6253值預置到計數器中,同時啟動對12 kHz脈沖信號進行減計數。這兩個計數器的計數值在逐位比較器中進行比較,當兩者相等時,產生一個相等脈沖。相等脈沖送到模8192計數器,進行加計數,根據其計數值的不同,由譯碼器產生各種方位信號。

譯碼器產生的方位角起始脈沖及基準脈沖送到雙時鐘控制狀態機,在其控制下,模255可逆計數器對兩種頻率的脈沖分階段進行加/減計數,在DA電路輸出端得到雙鐘形方位角信號。DA電路采用AD558數模轉換芯片,輸出電壓范圍0～10 V,通過面板上的電位器進行幅度調節后送到其它電路中。

另外,北脈沖除了觸發模7200減法計數器,還觸發模8000加法計數器進行加計數,直到模8192計數器的譯碼器送給它一個停止信號,它才停止計數,同時將計數值送到外部顯示單元,其計數值代表從北脈沖開始到方位脈沖產生的時間間隔。

3.2 距離模塊

距離模塊的基本原理也是將數碼變換成時間間隔。距離模塊主要用來對機載設備送來的距離詢問脈沖進行可變延時以模擬不同的距離,同時產生相互坐標詢問回答脈沖、零距離檢驗脈沖。選用14.989 58 MHz晶振源,其節拍周期相當于10 m的模擬距離。距離模擬通過形成T4延時來實現,如圖4所示。

延時從詢問脈沖計到應答脈沖,由 T1、T2、T3延時相加而成。其中 T1+T3是固定延時,在全向狀態下,T1+T3=τ1μ s,在定向狀態下,T1+T3=τ2μ s。模擬距離值由可逆計數器給定,以并行二-十進制碼形式寫入距離計數器。隨著詢問脈沖到達,定位測量置打開,自激振蕩器脈沖送到T1延時計數器輸入端開始計數,在T1結束時,產生一個加載脈沖,將慢計數器的計數值預置到快計數器中,并啟動減計數,經過一定延遲時間 τ3,節拍脈沖序列送到距離計數器上以形成T2延時,而T2是模擬距離產生的延時,當快計數器減到零時,產生溢出脈沖,觸發T3延時,T3延時結束時產生距離為 τ的回答脈沖。

圖4 距離模擬工作時序圖Fig.4 Simulated distance work time

3.3 噪聲模塊[3-4]

實際機載設備與地面設備通信中存在各種衰落、干擾和噪聲。噪聲模塊產生一定密度的隨機噪聲,疊加到各種信號上,以檢測設備的抗干擾性能;同時形成一定概率的選通脈沖對距離回答脈沖進行控制,以檢測設備測距通道的跟蹤記憶性能。其原理如圖5所示。

圖5 噪聲產生及控制原理框圖Fig.5 Noise generation and control

隨機信號發生器中,選取r=7、反饋系數為235的序列,對應的特征多項式為

根據偽隨機序列產生的原理,采用行為描述方式用VHDL語言對該邏輯進行硬件描述,由Quartus II進行時序仿真,結果如圖6所示。

圖6 偽噪聲序列仿真圖Fig.6 Pseudo noise sequence simulation

偽隨機序列發生器使用FPGA器件,與由多個分立元件和集成塊構成的信號發生器相比,克服了易受溫度變化和電磁干擾影響的缺點,且有可控性強、調試方便、性能穩定的特點?？梢愿鶕枨箅S時調整序列長度以及時鐘脈沖周期,從而達到與真實噪聲相似的干擾效果。

通過選用不同寬度、不同頻率的選通脈沖對噪聲序列進行控制,實現不同的噪聲密度與選通概率,將這些序列與方位信號、距離回答信號等脈沖信號進行疊加,以檢測抗噪性能。

3.4 時鐘模塊

檢測精度主要決定于計數振蕩器的頻率和頻率穩定度。因此,選用了型號為OX3627B的恒溫晶體振蕩器。其工作電壓為12 V,最大功耗為3.6 W,在25℃條件下恒定功耗不超過1.2 W,其頻率穩定度達到10-9。由于晶振源輸出標準正弦波,峰-峰值為1.6 V,因此需要增加外圍電路將其轉化為TTL波形,為此我們設計了轉換電路。晶振信號到放大器放大后再和參考源經比較器輸出。放大器選用壓擺率為300 V/μ s的高速電壓負反饋集成放大器OPA355,比較器選用傳輸延遲為4.5 ns的TLV3501,保證轉換波形的帶寬,參考電源選用LM4140r的1.25 V參考電壓源,以確保轉換信號的頻率穩定性。

3.5 其它模塊

電源模塊采用溫漂非常小的軍品高精度穩壓管、電容、電阻、三極管、電壓比較器組成的保護電路。外部輸入的27 V直流電壓防欠壓、防過壓、防過流保護進行DC-DC轉換為檢測儀工作所需的各種電壓。

時鐘模塊是檢測系統的基礎模塊,產生各種脈沖信號是其它功能模塊工作的基準,主要產生的信號有 35/36 基 準脈沖 、北脈沖 、0.25°/0.5°/1°/2°脈沖、方位/距離慢計數脈沖,以及100 Hz/700 Hz/12 kHz/60 kHz等其它一些時鐘信號。

送到串碼接收譯碼顯示模塊的串碼有兩種,一種是機載設備送來的4類串碼數據,另一種是由外部測試孔引入的串碼數據,用于測試。這兩種碼源可以通過軟件面板進行選擇,被選中的串碼數據經過單極化處理后由節拍形成器形成移位節拍,輔助串并轉換單元對串碼進行移位形成32位并碼,根據選擇的不同信息字地址進行輸出顯示。

檢驗模塊用于對檢測儀產生的主要信號以及外部機載近距導航設備送來的信號進行檢驗,用指示燈狀態來表明檢驗結果。

4 軟件設計

利用面向對象的編程方法,借助Visual C++6.0可視化開發工具,采用多線程技術,保證了軟件實現的實時性;并用WinDriver開發了在Windows XP下運行的硬件底層接口驅動程序,其流程如圖7所示。

圖7 軟件流程圖Fig.7 Flow chart of software processing

4.1 基于MFC類[5]

使用MFC類編寫檢測系統程序,控制靈活,效率高,可靠性強。

4.2 多線程

采用主界面、查詢、操作3種線程:主界面線程提供友好的人機交互界面,在主界面下集中顯示各種檢測信息;查詢線程查詢各硬件寄存器的狀態;操作線程完成對硬件的各種訪問控制。

4.3 底層驅動

Windows XP操作系統是基于NT5內核的,對硬件訪問進行了保護,因此,采用WinDriver開發硬件驅動,實現與Windows底層的通信和硬件的交互,其端口讀寫地址范圍為0x280～0x28f,并采用ISA接口8位操作。

5 實驗對比

將距離或方位清零,在不同的檔位測量距離、方位在60 s內的變化,經過10次測量求其誤差平均。測試結果見表1。

表1 誤差分析Table 2 Error analysis

6 結束語

檢測儀與原俄制設備相比,實現模塊化、智能化升級,能快速準確地故障定位,提高了檢測精度,解決了一個排故難題。其中數字電路部分全部集成在FPGA芯片中,器件多選用貼片式,具有結構緊湊、體積小、重量輕等特點,有較強抗沖擊、抗振動能力。實際使用證明,儀器的使用性、可靠性、維修性都顯著提高,本檢測儀的研制對維修保障飛機以及任務的完成,具有重要現實意義。

[1]李建海,畢篤彥,陳高平.綜合無線電導航系統(上冊)[M].西安:空軍工程大學,2002.LI Jian-hai,BI Du-yan,CHEN Gao-ping.Synthesis aviation radio navigation system[M].Xi′an:Air Force Engineering University,2002.(in Chinese)

[2]范謀堂,程文聰.機載近距導航信標模仿儀的硬件設計與實現[J].空軍雷達學院學報,2005,19(1):51-53.FAN Mou-tang,CHENG Wen-cong.The design and realization of Airborne Short-Rang-Navigation beacon emulator hardware[J].Journal of Air Force Radar Academy,2005,19(1):51-53.(in Chinese)

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[4]辛春艷.VHDL硬件描述語言[M].北京:國防工業出版社,2005.XIN Chun-yan.Very High Speed Integrate Circuit Hardware Description Language[M].Beijing:National Defense Industry Press,2005.(in Chinese)

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