某型機(jī)載近距導(dǎo)航設(shè)備檢測儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬二濤,李建海,劉保華,王 平

(空軍工程大學(xué)工程學(xué)院,西安710038)

1 引 言

航空無線電近距導(dǎo)航系統(tǒng)用于飛機(jī)的導(dǎo)航、著陸,以及飛機(jī)間導(dǎo)航,地面信標(biāo)臺顯示空中情況,是航行駕駛綜合體的無線電設(shè)備之一,其性能好壞將直接影響戰(zhàn)機(jī)飛行安全和戰(zhàn)術(shù)性能的發(fā)揮[1],但近距導(dǎo)航系統(tǒng)信號交聯(lián)關(guān)系復(fù)雜,其故障不易判斷。文獻(xiàn)[2]介紹的機(jī)載近距導(dǎo)航信標(biāo)模仿儀在功能上模擬地面信標(biāo)臺,只能檢查機(jī)載信標(biāo)接收機(jī)的好壞;另外,俄制近距導(dǎo)航檢測設(shè)備存在數(shù)量少、效率低、可維護(hù)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(dǎo)航精度檢測儀,可以對近距導(dǎo)航設(shè)備組件進(jìn)行檢測,又可以與其它檢測設(shè)備交聯(lián)對航行駕駛綜合系統(tǒng)進(jìn)行故障分析檢查。

2 原理簡介

檢測儀用于近距導(dǎo)航設(shè)備定期檢修工作以及各項(xiàng)參數(shù)、性能測試,校準(zhǔn)和顯示近距導(dǎo)航設(shè)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(shí)電路實(shí)現(xiàn)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(shí)電路,最后計(jì)數(shù)脈沖變成相應(yīng)的交流信號送到方位、距離指示器,從而達(dá)到測量的目的。其電路原理如圖1所示。

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

3 硬件設(shè)計(jì)

以PC104嵌入式計(jì)算機(jī)為平臺,采用自頂而下的模塊化結(jié)構(gòu),按檢測儀的功能分為電源模塊、CPU模塊、時(shí)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(yàn)?zāi)K,通過PC104數(shù)據(jù)和地址總線連接各功能模塊完成檢測任務(wù)。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(chǎn)生0°～360°范圍內(nèi)的方位模擬信號以及方位脈沖信號。由于方位信號是一個(gè)雙鐘形信號,其中間零值代表真正的方位,因此產(chǎn)生方位信號應(yīng)在方位真值點(diǎn)之間開始。不同的信標(biāo)類型,其雙鐘形方位信號寬度不同,所以要根據(jù)信標(biāo)類型來決定方位信號起點(diǎn)相對于方位真值點(diǎn)的提前量,為此,采用了一種特殊的計(jì)算方法。功能框圖如圖3所示。

圖3 模擬方位角產(chǎn)生原理Fig.3 Simulated orientation circuit principium

時(shí)鐘模塊產(chǎn)生的方位慢脈沖送到模7200可逆計(jì)數(shù)器,在外部控制信號的作用下對該慢脈沖進(jìn)行加、減計(jì)數(shù),以及停止、清零操作;同時(shí),模7200減法計(jì)數(shù)器在北脈沖的觸發(fā)下將6253值預(yù)置到計(jì)數(shù)器中,同時(shí)啟動對12 kHz脈沖信號進(jìn)行減計(jì)數(shù)。這兩個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值在逐位比較器中進(jìn)行比較,當(dāng)兩者相等時(shí),產(chǎn)生一個(gè)相等脈沖。相等脈沖送到模8192計(jì)數(shù)器,進(jìn)行加計(jì)數(shù),根據(jù)其計(jì)數(shù)值的不同,由譯碼器產(chǎn)生各種方位信號。

譯碼器產(chǎn)生的方位角起始脈沖及基準(zhǔn)脈沖送到雙時(shí)鐘控制狀態(tài)機(jī),在其控制下,模255可逆計(jì)數(shù)器對兩種頻率的脈沖分階段進(jìn)行加/減計(jì)數(shù),在DA電路輸出端得到雙鐘形方位角信號。DA電路采用AD558數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片,輸出電壓范圍0～10 V,通過面板上的電位器進(jìn)行幅度調(diào)節(jié)后送到其它電路中。

另外,北脈沖除了觸發(fā)模7200減法計(jì)數(shù)器,還觸發(fā)模8000加法計(jì)數(shù)器進(jìn)行加計(jì)數(shù),直到模8192計(jì)數(shù)器的譯碼器送給它一個(gè)停止信號,它才停止計(jì)數(shù),同時(shí)將計(jì)數(shù)值送到外部顯示單元,其計(jì)數(shù)值代表從北脈沖開始到方位脈沖產(chǎn)生的時(shí)間間隔。

3.2 距離模塊

距離模塊的基本原理也是將數(shù)碼變換成時(shí)間間隔。距離模塊主要用來對機(jī)載設(shè)備送來的距離詢問脈沖進(jìn)行可變延時(shí)以模擬不同的距離,同時(shí)產(chǎn)生相互坐標(biāo)詢問回答脈沖、零距離檢驗(yàn)脈沖。選用14.989 58 MHz晶振源,其節(jié)拍周期相當(dāng)于10 m的模擬距離。距離模擬通過形成T4延時(shí)來實(shí)現(xiàn),如圖4所示。

延時(shí)從詢問脈沖計(jì)到應(yīng)答脈沖,由 T1、T2、T3延時(shí)相加而成。其中 T1+T3是固定延時(shí),在全向狀態(tài)下,T1+T3=τ1μ s,在定向狀態(tài)下,T1+T3=τ2μ s。模擬距離值由可逆計(jì)數(shù)器給定,以并行二-十進(jìn)制碼形式寫入距離計(jì)數(shù)器。隨著詢問脈沖到達(dá),定位測量置打開,自激振蕩器脈沖送到T1延時(shí)計(jì)數(shù)器輸入端開始計(jì)數(shù),在T1結(jié)束時(shí),產(chǎn)生一個(gè)加載脈沖,將慢計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值預(yù)置到快計(jì)數(shù)器中,并啟動減計(jì)數(shù),經(jīng)過一定延遲時(shí)間 τ3,節(jié)拍脈沖序列送到距離計(jì)數(shù)器上以形成T2延時(shí),而T2是模擬距離產(chǎn)生的延時(shí),當(dāng)快計(jì)數(shù)器減到零時(shí),產(chǎn)生溢出脈沖,觸發(fā)T3延時(shí),T3延時(shí)結(jié)束時(shí)產(chǎn)生距離為 τ的回答脈沖。

圖4 距離模擬工作時(shí)序圖Fig.4 Simulated distance work time

3.3 噪聲模塊[3-4]

實(shí)際機(jī)載設(shè)備與地面設(shè)備通信中存在各種衰落、干擾和噪聲。噪聲模塊產(chǎn)生一定密度的隨機(jī)噪聲,疊加到各種信號上,以檢測設(shè)備的抗干擾性能;同時(shí)形成一定概率的選通脈沖對距離回答脈沖進(jìn)行控制,以檢測設(shè)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(chǎn)生及控制原理框圖Fig.5 Noise generation and control

隨機(jī)信號發(fā)生器中,選取r=7、反饋系數(shù)為235的序列,對應(yīng)的特征多項(xiàng)式為

根據(jù)偽隨機(jī)序列產(chǎn)生的原理,采用行為描述方式用VHDL語言對該邏輯進(jìn)行硬件描述,由Quartus II進(jìn)行時(shí)序仿真,結(jié)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(jī)序列發(fā)生器使用FPGA器件,與由多個(gè)分立元件和集成塊構(gòu)成的信號發(fā)生器相比,克服了易受溫度變化和電磁干擾影響的缺點(diǎn),且有可控性強(qiáng)、調(diào)試方便、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)?？梢愿鶕?jù)需求隨時(shí)調(diào)整序列長度以及時(shí)鐘脈沖周期,從而達(dá)到與真實(shí)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(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)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(jìn)行疊加,以檢測抗噪性能。

3.4 時(shí)鐘模塊

檢測精度主要決定于計(jì)數(shù)振蕩器的頻率和頻率穩(wěn)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(wěn)定度達(dá)到10-9。由于晶振源輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波,峰-峰值為1.6 V,因此需要增加外圍電路將其轉(zhuǎn)化為TTL波形,為此我們設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)換電路。晶振信號到放大器放大后再和參考源經(jīng)比較器輸出。放大器選用壓擺率為300 V/μ s的高速電壓負(fù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換信號的頻率穩(wěn)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(wěn)壓管、電容、電阻、三極管、電壓比較器組成的保護(hù)電路。外部輸入的27 V直流電壓防欠壓、防過壓、防過流保護(hù)進(jìn)行DC-DC轉(zhuǎn)換為檢測儀工作所需的各種電壓。

時(shí)鐘模塊是檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊,產(chǎn)生各種脈沖信號是其它功能模塊工作的基準(zhǔn),主要產(chǎn)生的信號有 35/36 基 準(zhǔn)脈沖 、北脈沖 、0.25°/0.5°/1°/2°脈沖、方位/距離慢計(jì)數(shù)脈沖,以及100 Hz/700 Hz/12 kHz/60 kHz等其它一些時(shí)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(jī)載設(shè)備送來的4類串碼數(shù)據(jù),另一種是由外部測試孔引入的串碼數(shù)據(jù),用于測試。這兩種碼源可以通過軟件面板進(jìn)行選擇,被選中的串碼數(shù)據(jù)經(jīng)過單極化處理后由節(jié)拍形成器形成移位節(jié)拍,輔助串并轉(zhuǎn)換單元對串碼進(jìn)行移位形成32位并碼,根據(jù)選擇的不同信息字地址進(jìn)行輸出顯示。

檢驗(yàn)?zāi)K用于對檢測儀產(chǎn)生的主要信號以及外部機(jī)載近距導(dǎo)航設(shè)備送來的信號進(jìn)行檢驗(yàn),用指示燈狀態(tài)來表明檢驗(yàn)結(jié)果。

4 軟件設(shè)計(jì)

利用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?借助Visual C++6.0可視化開發(fā)工具,采用多線程技術(shù),保證了軟件實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)性;并用WinDriver開發(fā)了在Windows XP下運(yùn)行的硬件底層接口驅(qū)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(tǒng)程序,控制靈活,效率高,可靠性強(qiáng)。

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(jī)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(tài);操作線程完成對硬件的各種訪問控制。

4.3 底層驅(qū)動

Windows XP操作系統(tǒng)是基于NT5內(nèi)核的,對硬件訪問進(jìn)行了保護(hù),因此,采用WinDriver開發(fā)硬件驅(qū)動,實(shí)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)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(nèi)的變化,經(jīng)過10次測量求其誤差平均。測試結(jié)果見表1。

表1 誤差分析Table 2 Error analysis

6 結(jié)束語

檢測儀與原俄制設(shè)備相比,實(shí)現(xiàn)模塊化、智能化升級,能快速準(zhǔn)確地故障定位,提高了檢測精度,解決了一個(gè)排故難題。其中數(shù)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(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕等特點(diǎn),有較強(qiáng)抗沖擊、抗振動能力。實(shí)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(jī)以及任務(wù)的完成,具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

[1]李建海,畢篤彥,陳高平.綜合無線電導(dǎo)航系統(tǒng)(上冊)[M].西安:空軍工程大學(xué),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(jī)載近距導(dǎo)航信標(biāo)模仿儀的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報(bào),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)

[3]Hans-Jurgen Zepernick,Adolf Filgen.偽隨機(jī)信號處理[M].甘良才,等,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2007.Hans-Jurgen Zepernick,Adolf Filgen.Pseudo Signal Processing[M].Translated by GAN Liang-cai,et al.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2007.(in Chinese)

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

[5]明日科技,宋坤,劉銳寧,等.VisualC++開發(fā)技術(shù)大全[M].北京:人民郵電出版社,2007.MINGRI Ke-ji,SONG Kun,LIU Rui-ning,et al.Visual C++Development Technology Complete Dictionary[M].Beijing:People′s Post&Telecommunication Press,2007.(in Chinese)