某型機載導航計算機系統(tǒng)檢測平臺的硬件設計

馬二濤,余 濤,向 新

(1.空軍工程大學 工程學院,西安 710038;2.解放軍94371部隊,鄭州 450008;3.空軍駐西安軍代表室,西安 710077)

1 引 言

航空導航計算機系統(tǒng)用于導航和戰(zhàn)術任務的計算,以形成控制信號,保證自動、半自動或人工操縱飛行,完成導航信號的綜合、計算、檢測和控制,是航行駕駛綜合系統(tǒng)的神經中樞和紐帶。它與慣導系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、極限信號系統(tǒng)、近導系統(tǒng)、火控系統(tǒng)、衛(wèi)星導航系統(tǒng)、無線電高度表都有密切的信號交聯(lián)關系。導航計算機系統(tǒng)任一軟件或硬件發(fā)生故障,都可能切斷火控、飛行控制等外部機載系統(tǒng)所需的信息來源,影響作戰(zhàn)訓練任務的完成,甚至威脅飛行安全和飛行員生命[1]。

導航計算機系統(tǒng)信號格式繁多,既有模擬信號又有數(shù)字信號[2-3],具體包括模擬角度信號、模擬直流信號、20位同步串行碼信號、32位異步雙極性碼、一次性指令信號,與外部系統(tǒng)信號交聯(lián)關系復雜,其故障不易判斷。文獻[4-6]針對計算機系統(tǒng)不同檢測功能進行過探究,但不能對全部功能進行系統(tǒng)檢測和故障定位。

為此,本文研制了一種自動化、模塊化、智能化高的導航計算機系統(tǒng)檢測平臺,可以對導航計算機、控制臺和代碼轉換裝置3種機載設備進行故障定位和功能檢測。

2 硬件設計

根據(jù)檢測平臺要實現(xiàn)的功能,以工控機為硬件設計平臺,確定硬件電路的組成。檢測平臺硬件設計方案框圖如圖1所示。

圖1 檢測平臺系統(tǒng)硬件功能框圖Fig.1 Equipment functional modules

3 FPGA/CPLD功能模塊設計

3.1 計算機檢測模塊

3.1.1 模擬信號發(fā)送電路

模擬信號發(fā)射電路如圖2所示。由工控計算機產生14位二進制數(shù)據(jù)碼,數(shù)據(jù)產生器的發(fā)送電路分兩路向外傳輸,由于數(shù)字/角度轉換器輸入不帶鎖存,如何才能保證14位數(shù)據(jù)同時輸入到旋轉變壓器,D/S轉換器是非常關鍵的,在此電路的設計中選用3個74LS373地址鎖存器來實現(xiàn)此功能。在14位二進制碼中,1、2位控制象限選擇開關,給正、余弦乘法器的輸出模擬信號賦予適當?shù)臉O性,由數(shù)字/角度轉換器輸出一組頻率與參考電壓頻率相同、幅度受輸入角度數(shù)碼調制的交流正弦和余弦電壓模擬信號,在地址碼的控制選通下,把兩路模擬信號分配給8組不同的數(shù)據(jù)通道。

14位二進制數(shù)據(jù)碼在送到數(shù)字/角度轉換器的同時,也把信號傳送給D/A信號匹配電路,再由數(shù)模轉換芯片AD7541ANK把數(shù)字信號轉換成模擬信號,其中數(shù)模轉換器的5 V參考電壓是U0,輸出信號是UX。模擬信號UX在分配器的作用下分4路,并且每一路信號都與直流信號U0結成信號對。

圖2 模擬信號發(fā)射電路Fig.2 Simulated signals transmitter circuit

3.1.2 模擬信號接收電路

摸擬信號接收電路如圖3所示。數(shù)據(jù)信號在工控機軟件的控制下,由數(shù)據(jù)產生器生成導航計算機接收格式的20位串行歸零碼信號,導航計算機接收到碼字信號后,把接收來的20位串行碼字沿兩路轉換成模擬信號。

一方面,把數(shù)字信號轉換成8對模擬角度信號,由八選一數(shù)據(jù)選擇開關選通一對正余弦信號。角度/數(shù)字轉換器輸入模擬信號引腳為S1、S2、S3、S4,接旋轉變壓器的四輸出。使能信號控制端“EN”:當工控機需要讀取轉換器的數(shù)據(jù)時,可以通過讀取控制字將“EN”端設置為低電平。禁止信號輸入端“INH”,若“INH”為高電平,角度數(shù)據(jù)量就可打入鎖存器,通過轉換器的輸出引腳輸出至工控機ISA總線;數(shù)據(jù)輸出端1～14為二進制數(shù)據(jù)輸出端,1為最高位(MSB),14為最低有效位(LSB)。

另一方面,由導航計算機輸出的模擬信號又分成4組,經過模數(shù)轉換芯片AD1674JNZ轉換后,把模擬-4～+4 V之間的直流信號轉換成數(shù)字信號。

轉換后的數(shù)字信號經過ISA接口,由數(shù)據(jù)讀取電路把16位串行數(shù)字信號轉換成并行信號,最后變成八進制碼在綜合顯示器上進行顯示。這時,可以把顯示的數(shù)字信號與之前輸入的信息進行比對,以判斷導航計算機是否正確轉換。

圖3 模擬信號接收電路Fig.3 Simulated signals receiver circuit

3.2 控制臺檢測模塊

檢測平臺同步碼產生電路產生兩路讀/寫有效信號和同步脈沖,控制寄存器接收控制臺傳輸?shù)綑z測平臺的20位歸零碼,由20位碼接收電路對歸零碼進行采樣,采樣后轉換成單極性20位同步碼,地址產生電路生成0000、0001、0010、00114種地址碼,4種地址碼與信息碼字地址進行比較,從而識別出CΠ 0～CΠ 34種碼字中的一種,然后由譯碼處理模塊對其中一種碼字進行譯碼。串行碼譯碼電路的功能是將輸入緩沖區(qū)的20位串行碼(CΠ 0～CΠ 3)取出,并按20位碼的編碼格式翻譯成yΠ 0～yΠ 3格式的碼字后送入顯示緩沖區(qū),再由信息處理單元對碼字進行信息加載,加載后生成的20位串行碼送到發(fā)送電路,發(fā)送電路把20位串行碼轉換成20位歸零碼,最后發(fā)送yΠ 0～yΠ 34種碼字的一種到控制臺?？刂婆_檢測電路如圖4所示。

圖4 控制臺檢測電路Fig.4 Console test circuit

3.3 代碼轉換裝置檢測模塊

3.3.1 20位同步碼轉換成32位雙極性碼電路

20位碼加載模塊以并行碼方式把寄存器中的數(shù)據(jù)信息送到發(fā)送電路,與此同時,檢測平臺同步脈沖產生電路產生發(fā)送碼選通脈沖信號“CBK”、“CN”和“80CN”同步脈沖,在3種脈沖的觸發(fā)下,20位同步碼發(fā)送電路以兩個通道向代碼轉換裝置循環(huán)發(fā)送20位歸零碼,代碼轉換裝置接收碼字后,轉換成32位雙極性碼,32位碼接收電路把32位雙極性碼轉換成32位單極性碼,同步時鐘提取電路輸出選通脈沖,對同步信號(碼字起始信號)進行提取。輸出的32位碼字經過碼字采樣電路進行精確采樣,采樣后與地址接收電路寄存器中的地址進行比對,經比對一致后,數(shù)據(jù)信息放入鎖存器。同時,經過組合地址選擇開關選擇接通某一個碼字,再經過信息提取電路,提取有效的16位數(shù)據(jù)信息,然后由工控機通過ISA總線讀取16位數(shù)據(jù)信息。最后,在工控機綜合顯示面板上以6位八進制的形式顯示數(shù)據(jù)信息。其電路如圖5所示。

圖5 20位同步碼轉換32位雙極性碼電路Fig.5 Circuit for coverting 20-bit synchronization code to 32-bit double pole code

3.3.2 20位串行碼發(fā)送電路

20位串行碼發(fā)射電路在檢測模塊中多次用到,圖6是數(shù)字電路芯片中20位碼發(fā)射電路圖。

圖6 20位串行碼發(fā)射電路Fig.6 20-bit serial code transmitter circuit

由“COUNT16”地址碼產生電路產生第20位到17位的4位組合地址碼,A20、A18、A17、A16組成控制電路,由“DATA-ENCODE1”數(shù)據(jù)加載模塊產生的16位數(shù)據(jù)和4位地址碼共同組合成20位并行碼D[19…0]?？刂齐娐房刂艱[19…0]20位并行碼送到發(fā)射電路。由幾個邏輯門電路組成選通電路,由選通電路控制發(fā)射電路的“LOAD”端口,對20位并行碼在發(fā)射電路中進行數(shù)據(jù)加載,在發(fā)射電路中,20位串行碼轉換成并行碼。當發(fā)射條件滿足時,在發(fā)送選通脈沖“CbK1”和同步脈沖“CLK-20”產生的CLK 時鐘觸發(fā)下,發(fā)射20位串行碼,20位串行碼再與CLK進行異或,最終在ser-out1輸出端口產生符合機載設備碼字要求的20位歸零串行碼。圖7是發(fā)射電路的仿真圖,其中,Start1是使能信號,cbk1為發(fā)送選通信號,clk-20為同步時鐘,ser-out1為輸出信號。

圖7 20位串行碼發(fā)射電路仿真圖Fig.7 Simulation result of 20-bit serial code transmitter circuit

4 結束語

檢測平臺檢測功能更加全面,不但可以對單個機載設備檢測,而且可實現(xiàn)對組合系統(tǒng)的聯(lián)測。該檢測平臺的設計打破了對國外技術的依賴,檢測平臺硬件數(shù)字電路設計采用5個可編程邏輯器件,提高了處理效率和抗干擾能力。由于器件的可編程特性,可以在不改變外接口的情況下,修改內部邏輯編程,電路功能的修改、系統(tǒng)維護、升級十分方便,減小了設計風險,節(jié)約了研發(fā)資金。但是該平臺還存在較多可以改進的地方,如采用PC104作為開發(fā)平臺,設計一款外場便攜小型導航計算機系統(tǒng)綜合檢測平臺,如果小型化研制成功,可以在各作戰(zhàn)部隊進行推廣,對于提高飛機維護質量和維修效率有著重要的現(xiàn)實意義。

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