基于ARM的某機(jī)載電臺檢測控制器的設(shè)計(jì)

王柱山，趙文俊，蔣江濤

（1.空軍第一航空學(xué)院 航空電子工程系，河南 信陽 464000；2.中國飛行試驗(yàn)研究院 陜西 西安 710089）

機(jī)載電臺擔(dān)負(fù)著空空和地空之間通信，為保證電臺性能，需要對其進(jìn)行定檢[1-2]?；趩纹瑱C(jī)的檢測儀存在測量速度慢、可擴(kuò)展性差的問題；而基于PXI儀器或VXI儀器的檢測儀存在著功耗大、體積大、價格高等缺點(diǎn)。為解決上述問題，利用基于ARM處理器來實(shí)現(xiàn)電臺檢測控制器成為重要的發(fā)展方向，ARM是一種高性能、低功耗的RISC結(jié)構(gòu)處理器，由于其出色的性能被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、無線通訊、成像和安全、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等方面[3]，采用基于ARM的電臺檢測控制器具有可移植性強(qiáng)、可擴(kuò)展性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 硬件設(shè)計(jì)

良好的硬件設(shè)計(jì)是是解決基于單片機(jī)、PXI、VXI等系統(tǒng)的電臺檢測儀問題的關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)硬件結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)，硬件主要分為兩大部分：主控制器電路和調(diào)理電路。為設(shè)計(jì)一個具有高性能、低功耗、可擴(kuò)展性好和低成本檢測儀，主控制器的選擇至關(guān)重要，為滿足檢測儀的可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)主控制器必須具備網(wǎng)絡(luò)功能、USB存儲、串行通信、SPI通信、I2C通信、模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能模塊，為滿足人機(jī)交互設(shè)計(jì)的要求，還必須具備必要的頻率預(yù)置電路、顯示電路等。具備這么多功能的控制器以及滿足高性能、低功耗等性能的控制器只有ARM處理器才能完成。根據(jù)某電臺的電氣特性，主控器和電臺之間的通信還必須進(jìn)行必要的電平轉(zhuǎn)換，另外電臺輸出的響應(yīng)信號不能直接送到主控制器，還必須進(jìn)行必要的分壓網(wǎng)絡(luò)、阻抗匹配等電路設(shè)計(jì)，這就需要調(diào)理電路。主控制器電路和調(diào)理電路相配合來完成電臺的檢測工作，根據(jù)電臺測試需求設(shè)計(jì)的硬件整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 主控制器

主控制是電臺檢測控制器的核心，擔(dān)負(fù)著信息采集、存儲、網(wǎng)絡(luò)功能以及和電臺通信等重要任務(wù)，主控制的好壞也直接決定了系統(tǒng)性能，經(jīng)對比選擇飛利浦公司的LPC2388作為該電臺的主控制器，該器件是基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的處理器，具有太網(wǎng)控制器、USB控制器、I2C、串行接口等豐富的外設(shè)，可以滿足該檢測儀的需求。

圖1 某電臺檢測儀總體設(shè)計(jì)原理框圖

1.2 存儲電路

為滿足可擴(kuò)展性、測試結(jié)果可存儲的要求，檢測控制器要把每次對某型電臺測量的結(jié)果保存下來，這就需要有主控制器和無線電綜合測試儀之間能進(jìn)行通信，某無線電綜合測試儀對外通信有串口通信方式，在測量時可以把通信控制接口連接到無線電綜合的串口線上，這樣就可以把測試結(jié)果讀到控制系統(tǒng)內(nèi)部，想把該信息存儲下來，存儲器就必須滿足可擦寫，為節(jié)省控制器的寶貴的通用I/O口，選擇具有I2C通信存儲功能CAT24WC64作為E2PROM，該器件負(fù)責(zé)保存電臺性能測試結(jié)果，最多保存50次電臺測試結(jié)果，超過50次，系統(tǒng)自動把原來存儲的測試結(jié)果擦除掉然后再存儲。當(dāng)需要查看系統(tǒng)電臺測試結(jié)果時通過3種方法來實(shí)現(xiàn)：1）把USB存儲設(shè)備插入USB存儲接口電路，系統(tǒng)會自動識別該設(shè)備，然后選擇存儲測試結(jié)果按鍵就可以把保存測試結(jié)果保存到USB存儲設(shè)備；2）通過網(wǎng)絡(luò)接口和計(jì)算機(jī)相連接，然后用遠(yuǎn)程控制的方式來讀取測試結(jié)果；3）利用串行通信方式把信息讀到計(jì)算機(jī)中。

1.3 USB存儲接口電路

USB接口電路是完成和USB存儲設(shè)備通信的窗口，LPC2388內(nèi)部具有兼容USB2.0協(xié)議的控制器，這種控制器為USB接口設(shè)計(jì)提供方便。為滿足系統(tǒng)可靠性，在D+和D-線上分別串接上一只33 Ω的電阻，在D+上還要增加一只1.5 kΩ上拉電阻，為表明USB存儲設(shè)備連接上，在U1_UPLED引腳上增加一個指示燈，當(dāng)USB存儲設(shè)備連接，指示燈亮。

1.4 網(wǎng)絡(luò)接口電路

為滿足遠(yuǎn)程控制需要，檢測控制器就應(yīng)該具備網(wǎng)絡(luò)控制接口。LPC2388具有10/100 Mb/s以太網(wǎng)通信速率，為保證可靠傳輸，通過內(nèi)部集成了16 KB字節(jié)的以太網(wǎng)控制器專用SDRAM、以太網(wǎng)控制器和ARM7內(nèi)核之間使用高速AHB總線通信，并且使用了專用DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸來實(shí)現(xiàn)。處理器內(nèi)部使用的以太網(wǎng)控制器使用RMII接口，通過與外圍電路PHY芯片DM9161A進(jìn)行通信就可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。

1.5 頻率形成電路

電臺檢測儀要想充分地檢測電臺性能，應(yīng)檢測多個頻率點(diǎn)處電臺性能，這樣就要求檢測儀能夠輸出頻率可變的控制碼，頻率控制碼的形成就需要頻率形成電路。頻率形成電路就是通過脈沖整形、計(jì)數(shù)，最后進(jìn)過緩沖送到主控制器。脈沖形成電路利用自復(fù)位開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，整形電路利用MAX708計(jì)數(shù)和緩沖電路分別利用54HC190和54LVC245來實(shí)現(xiàn)，為節(jié)省處理器寶貴的I/O口資源，采用模擬總線的方式來實(shí)現(xiàn)，通過鎖存、譯碼電路來控制頻率碼的形成。

1.6 顯示、鍵盤電路

顯示電路是人機(jī)交互的窗口，直接顯示了當(dāng)前檢測儀所處的狀態(tài)和電臺檢測結(jié)果。當(dāng)檢測的電臺不能滿足性能要求時，直接顯示錯誤結(jié)果；鍵盤電路完成檢測儀部分功能的輸入。為保證檢測儀顯示結(jié)果的可靠性，檢測儀顯示電路采用抗干擾性強(qiáng)的LED數(shù)碼管顯示，LED數(shù)碼管的驅(qū)動器選用ZLG7290，ZLG7290利用三線串行碼與ARM處理器進(jìn)行信息交互，其動態(tài)顯示功能降低了系統(tǒng)功耗。ZLG7290除了用來驅(qū)動顯示數(shù)碼管外，電臺檢測的部分輸入也通過其鍵盤接口來實(shí)現(xiàn)，其電路圖如圖2所示。

1.7 其他電路

一個系統(tǒng)能可靠工作，必須有一系列諸如晶體振蕩、看門狗、電源等電路保證，提供系統(tǒng)工作所必需的時鐘、監(jiān)視電路，晶體振蕩電路提供必須的時鐘信號，看門狗電路在程序運(yùn)行出現(xiàn)異常時，把微控制器提供復(fù)位信號，增加了系統(tǒng)的魯棒性；電源電路為整個系統(tǒng)電源，采用轉(zhuǎn)換效率高的DC/DC開關(guān)電源，按功能為系統(tǒng)設(shè)計(jì)供電，即為控制電路電源和調(diào)理電路獨(dú)立供電；增加了系統(tǒng)的抗干擾性。

1.8 調(diào)理電路

檢測控制器的工作狀態(tài)和工作時序由主控制器來完成，然而這只是檢測控制器檢能正常工作的一個方面，另外一個重要方面就是調(diào)理電路，其主要由繼電器陣列、分壓網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、電平轉(zhuǎn)換等部分組成[4]?？刂破鬏敵龅男盘栆话悴荒苤苯蛹拥诫娕_內(nèi)部，這主要有兩方面原因：1）檢測控制器輸出的串口數(shù)據(jù)為單端輸出，而該電臺所需要的信號為差分信號；2）控制器輸出的信號電平和格式完全正確，為保證系統(tǒng)的抗干擾性，在控制器的輸出端和電臺輸入端一般要加一個緩沖器，增加系統(tǒng)模塊之間的隔離度。檢測控制器面板的所有控制信息經(jīng)過處理器處理后通過串口發(fā)送給電臺，而電臺所需要的為差分信號，利用DS16F95來實(shí)現(xiàn)信號電平方式的轉(zhuǎn)換。檢測控制器除了測試收發(fā)機(jī)性能外還可以測試控制盒的性能，另外也可以利用控制來控制收發(fā)機(jī)，從而模擬機(jī)上控制盒控制收發(fā)機(jī)，在控制盒控制和檢測控制器本身信號不能同時發(fā)送到電臺，這就需要繼電器陣列來完成檢測儀和控制盒之間的轉(zhuǎn)換。另外，為監(jiān)控電臺工作電壓，檢測儀要分時顯示出工作電壓，而工作電臺27 V以及內(nèi)部收發(fā)控制電壓等也要顯示，這些電壓需要分壓網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過分壓后送到數(shù)控模擬開關(guān)，控制器輪流監(jiān)視各路電壓。

圖2 顯示、鍵盤電路原理圖

2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

電臺檢測控制器屬于典型的嵌入式控制系統(tǒng)，其性能設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)是否能夠可靠工作[5]。嵌入式軟件設(shè)計(jì)和普通的PC機(jī)軟件差別較大，由于檢測儀控制關(guān)系復(fù)雜，再加上網(wǎng)絡(luò)接口、USB存儲驅(qū)動、中斷時間控制、定時器設(shè)計(jì)、串行通信等因素，對軟件架構(gòu)的要求較高，必須考慮軟件和硬件檢測協(xié)調(diào)，另外軟件還必須滿足可測性、可移植性、健壯性等設(shè)計(jì)，要綜合考慮多種因素[5]。該電臺檢測控制器的軟件流程如圖3所示。系統(tǒng)上電后經(jīng)過初始化配置，然后選擇測量控制方式，若是遠(yuǎn)程控制則啟動網(wǎng)絡(luò)連接，用計(jì)算機(jī)來控制檢測控制器進(jìn)行工作，進(jìn)入收發(fā)機(jī)性能測試，測試的結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)存儲到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)中；若是手動測試，則判斷測量方式是測控、外控還是測控，如果是內(nèi)控，則由檢測控制器控制收發(fā)機(jī)，在無線電綜合測試儀的配合下測量收發(fā)機(jī)主要性能，通過讀取無線電綜合測試儀的測試結(jié)果可以把結(jié)果保存下來，在保存結(jié)果時，如果USB存儲設(shè)備存在，則把結(jié)果存在其中，反之，則存于內(nèi)部的可擦寫的E2PROM中；若是測控，則檢測控制器測量控制盒狀態(tài)，并把結(jié)果保存起來；如果是外控，則在控制盒的控制下測量收發(fā)機(jī)性能，檢測控制器通過讀無線電綜合測試儀結(jié)果同樣把測試結(jié)果保存下來。

圖3 檢測儀軟件架構(gòu)流程圖

3 結(jié)束語

基于ARM實(shí)現(xiàn)的電臺檢測控制器硬件設(shè)計(jì)靈活，軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)良好，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件平臺的無縫結(jié)合，具有高性能、低功耗、可移植性好、可擴(kuò)展性好，實(shí)現(xiàn)了對電臺的檢測與控制。通過網(wǎng)絡(luò)接口，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，并可以實(shí)時讀取測量結(jié)果；通過增加USB存儲接口，在手動測試的情況下還可以把測量數(shù)據(jù)直接保存下來，極大地提高了測試結(jié)果的處理速度，具有廣闊的經(jīng)濟(jì)效益和軍事效益。

[1]王柱山，陶祁.基于FPGA的航空電臺綜合檢測儀的設(shè)計(jì)[G]//2008年中國高校通信類院系學(xué)術(shù)研討會論文集:下冊.北京：國防工業(yè)出版社，2009：101-105.

[2]蔣國峰，王柱山.利用單片機(jī)為核心構(gòu)建某機(jī)載電臺檢測控制器[J].電子測量技術(shù)，2008，31（5）：155-157.

[3]周立功.ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[4]孫傳有，孫曉斌，漢澤西，等.測控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[5]Sloss A N，Symes D,Wright C.ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)——軟件設(shè)計(jì)與優(yōu)化[M].沈建華，譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.