基于ARM 的選擇呼叫測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)*

■ 鮑志浩 陳文遠(yuǎn) 馮鑫 謝馨 朱樹仁/中國民航大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院

0 引言

選擇呼叫系統(tǒng)是機(jī)載無線電通信系統(tǒng)的重要組成部分，能夠在甚高頻通信系統(tǒng)（VHF）和高頻通信系統(tǒng)（HF）之外提供地面塔臺對飛機(jī)的呼叫提示。在對飛機(jī)進(jìn)行航線或者定期檢查時(shí)，需要對選擇呼叫系統(tǒng)進(jìn)行操作測試，以驗(yàn)證選擇呼叫系統(tǒng)的性能指標(biāo)滿足適航要求。目前，市場主流測試設(shè)備大多需要進(jìn)口且成本較高，難以滿足我校機(jī)務(wù)專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐課程需求。因此，設(shè)計(jì)并開發(fā)了以ARM 單片機(jī)為控制核心的選擇呼叫系統(tǒng)測試系統(tǒng)，能夠完成飛機(jī)維護(hù)手冊（AMM）規(guī)定的測試程序?qū)x擇呼叫系統(tǒng)的操作測試。

1 選擇呼叫系統(tǒng)

每架飛機(jī)都固定有一個(gè)由四個(gè)英文字母組成的選擇呼叫編碼（或飛機(jī)代碼）。當(dāng)?shù)孛嫠_想與某飛機(jī)進(jìn)行通信聯(lián)系時(shí)，即通過HF 或VHF 通信系統(tǒng)發(fā)出該飛機(jī)的選擇呼叫編碼。機(jī)載選擇呼叫器通過HF 或VHF 接收機(jī)接收到本機(jī)選擇呼叫編碼時(shí)，選擇呼叫控制面板指示燈亮并伴有相應(yīng)的諧音，告訴飛行員地面在呼叫本飛機(jī)，飛行員再按照所指示的通信系統(tǒng)（HF 或VHF）聯(lián)絡(luò)通話。這樣，飛行員平時(shí)可不用總戴著耳機(jī)準(zhǔn)備接聽，從而免除了機(jī)組對地面呼叫的長期守候。選擇呼叫系統(tǒng)包含的組件有選擇呼叫譯碼器、選擇呼叫控制面板、選擇呼叫系統(tǒng)聲音告警繼電器和選擇呼叫程序銷釘，其組成如圖1 所示。

每架飛機(jī)的編碼都由兩個(gè)連續(xù)的音頻音調(diào)脈沖組成，而每個(gè)脈沖又同時(shí)有兩個(gè)音調(diào)，編碼的音調(diào)由各種音調(diào)組合而成，單個(gè)音調(diào)脈沖寬度為1s，兩個(gè)音調(diào)間隔0.2s，編碼脈沖格式如圖2 所示。

飛機(jī)的選擇呼叫編碼由四位英文字母組成，格式為AB-CD，可以選用字母A 到字母S 之間除了I、N、O之外的所有英文字母，并且每個(gè)字母只能出現(xiàn)一次。從圖2 中可以看出，每個(gè)脈沖由兩個(gè)音調(diào)相加組成，所以AB-CD、BA-CD、AB-DC 和BA-DC是等效的。由此可以計(jì)算出一共有16×15×14×13/4=10920 個(gè)選擇呼叫編碼。所有的編碼字母分別對應(yīng)不同的調(diào)諧頻率，詳見表1。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選擇呼叫系統(tǒng)地面臺向外發(fā)射的無線電信號由載波信號和基帶信號調(diào)制組合而成。基帶信號即選擇呼叫系統(tǒng)產(chǎn)生的音頻音調(diào)脈沖，頻率范圍為312.6 ～1479.1Hz。為了獲得較高的輻射效率，天線的尺寸一般應(yīng)大于發(fā)射信號波長的四分之一。而基帶信號包含較低頻率分量的波長較長，致使天線過長而難以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)過低頻率的信號容易在遠(yuǎn)距離傳輸中造成較大損耗。因此，通常是基帶信號通過調(diào)制將其搬移至頻率較高的載波信號上，載波信號根據(jù)需要可以選擇工作在118 ～136.975MHz的VHF 頻段或者工作在2 ～29.999MHz的HF 頻段。

圖1 選擇呼叫系統(tǒng)組成

圖2 選擇呼叫編碼格式

表1 選擇呼叫編碼頻率

基于ARM 的選擇呼叫測試系統(tǒng)的信號模擬地面臺的發(fā)射信號，由載波信號和基帶信號組成。系統(tǒng)硬件框圖如圖3 所示，主要由顯示器、微處理器、信號發(fā)生電路和電源組成。

微處理選用ARM 作為系統(tǒng)的控制核心。ARM 處理器是英國Acorn 有限公司設(shè)計(jì)的低功耗成本的第一款RISC微處理器，廣泛應(yīng)用于便攜式通信產(chǎn)品、手持運(yùn)算、多媒體和嵌入式解決方案等領(lǐng)域。

信號發(fā)生電路主要包括兩個(gè)DAC、加法器、乘法器、信號發(fā)生器和可變增益放大器。DA 轉(zhuǎn)換器的作用是產(chǎn)生組成選擇呼叫編碼信號的脈沖信號，即基帶信號。如某飛機(jī)選擇呼叫編碼為ADFH，ARM 控制器首先控制兩個(gè)DAC 產(chǎn)生A（312.6Hz）和D（426.6Hz）兩個(gè)脈沖信號并進(jìn)行相加，持續(xù)時(shí)長1s，之后等待0.2s后產(chǎn)生時(shí)長為1s的F（524.8Hz）加H（645.7Hz）信號。同時(shí)，信號發(fā)生器生成指定頻率的載波信號。基帶信號和載波信號通過乘法器進(jìn)行幅度調(diào)制，可變增益放大器將信號放大至所需功率，最后通過天線或者同軸電纜發(fā)送至外界。

顯示器采用TFT 觸摸顯示屏，能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行操作設(shè)置，設(shè)置選擇呼叫編碼；顯示工作頻率、選擇呼叫編碼、發(fā)射功率等工作參數(shù)。電源模塊將鋰電池的輸出電壓轉(zhuǎn)換成適合各個(gè)功能模塊工作的電壓。

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)完成后，為驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性和信號的準(zhǔn)確性，采用如下測試方案。

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

表2 選擇呼叫系統(tǒng)測試程序

1）對我校飛機(jī)無線電實(shí)習(xí)室的機(jī)載通信系統(tǒng)教學(xué)平臺進(jìn)行選擇呼叫系統(tǒng)操作測試，驗(yàn)證是否能夠完成規(guī)定測試項(xiàng)目。

2）使用示波器或頻譜分析儀查看系統(tǒng)輸出信號，驗(yàn)證系統(tǒng)輸出信號指標(biāo)。

3.1 測試步驟1

我校飛機(jī)無線電實(shí)習(xí)室現(xiàn)有12臺機(jī)載通信系統(tǒng)教學(xué)平臺，仿照波音737NG 飛機(jī)駕駛艙P(yáng)8 面板設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)載VHF、HF、選擇呼叫系統(tǒng)操作與測試，日常主要用于機(jī)務(wù)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)。

AMM 手冊23-28-00 章節(jié)給出了737NG 選擇呼叫系統(tǒng)操作測試的詳細(xì)步驟，表2 為操作測試的實(shí)施程序。

試驗(yàn)證明，選擇呼叫測試儀能夠?qū)C(jī)載通信系統(tǒng)教學(xué)平臺進(jìn)行全部步驟的測試，證明了選擇呼叫測試儀的有效性。

3.2 測試步驟2

圖6 GK-RP編碼信號

圖4 顯示了載波信號在不同測試條件下的輸出信號波形。

將示波器觀察到的信號參數(shù)與測試條件進(jìn)行對比，結(jié)果見表3。從表中可以看出，頻率差值與幅度差值均小于2%，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，證明了設(shè)備載波信號輸出的準(zhǔn)確性。

將基帶信號與載波信號進(jìn)行調(diào)制，基帶信號即選擇呼叫編碼為GK-RP，首先觀察包絡(luò)信號，完整的包絡(luò)信號包含GK 與RP 兩組信號，其中RP 包絡(luò)信號如圖5 所示。

完整的GK-RP 信號如圖6 所示，其中GK 與RP 的脈沖寬度分別為1.02s 和1.03s，GK 和RP 脈沖間隔為0.192s，滿足圖2 所示選擇呼叫信號編碼格式，驗(yàn)證了選擇呼叫測試儀輸出信號的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

本文是在我校機(jī)載無線電實(shí)習(xí)室現(xiàn)有環(huán)境下，采用ARM 單片機(jī)設(shè)計(jì)并開發(fā)的機(jī)載選擇呼叫測試系統(tǒng)。經(jīng)過驗(yàn)證測試證明，該系統(tǒng)可用于相關(guān)課程的日常教學(xué)，積累了機(jī)載無線電測試系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，為下一步開發(fā)其他機(jī)載無線電測試系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)，后期計(jì)劃對測試系統(tǒng)進(jìn)行升級，在機(jī)務(wù)一線進(jìn)行試用并嘗試申請適航認(rèn)證，使其能夠真正服務(wù)于民航維修工作。