無線電經(jīng)緯儀訓(xùn)練模擬器主控電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孟明星，鄭喜鳳，陳 宇

無線電經(jīng)緯儀訓(xùn)練模擬器主控電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孟明星1,2，鄭喜鳳1，陳 宇1

(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院 研究生院, 北京 100039)

利用真實(shí)無線電經(jīng)緯儀對(duì)氣象操作員進(jìn)行訓(xùn)練存在著成本高、效率低等諸多問題，研制相關(guān)訓(xùn)練模擬器是一種理想的解決方案。針對(duì)真實(shí)無線電經(jīng)緯儀的系統(tǒng)組成特點(diǎn)和操作過程，提出了訓(xùn)練模擬器的仿真原理和主控電路的結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析了主控電路中各個(gè)功能模塊的實(shí)現(xiàn)方法并給出了軟件控制流程。調(diào)試結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

訓(xùn)練模擬器；無線電經(jīng)緯儀；主控電路

無線電經(jīng)緯儀是一種全自動(dòng)高空氣象探測儀，它和氣象探測氣球配合，通過對(duì)氣象探測氣球的跟蹤，能夠探測一定高度和水平距離空間內(nèi)的氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象信息[1]。氣象探測氣球上綁定有特定型號(hào)的探空儀，探空儀中裝有溫度、濕度、壓力等傳感器，它在探測過程中以一定的時(shí)間間隔將原始?xì)庀笮畔鹘o地面探空接收天線[2]。探空接收天線將接收到的原始?xì)庀笮畔⑺腿胩娇招盘?hào)接收機(jī)，進(jìn)行放大、濾波、解碼等處理，轉(zhuǎn)換成有效的氣象信息。最后探空信號(hào)接收機(jī)將處理后的氣象信息送入上位機(jī)軟件，由上位機(jī)軟件輸出直觀的高空氣象信息以供使用。無線電經(jīng)緯儀和普遍使用的氣象雷達(dá)探測系統(tǒng)相比，集成度更高，操作界面更直觀，更適合于機(jī)動(dòng)探測。

無線電經(jīng)緯儀的操作流程復(fù)雜并且對(duì)操作員的操作順序有嚴(yán)格的要求，因此需要對(duì)操作員進(jìn)行大量嚴(yán)格的訓(xùn)練。但利用真實(shí)系統(tǒng)對(duì)操作員進(jìn)行培訓(xùn)，存在著很多局限性：探空儀成本高，利用真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練開銷巨大；受外界環(huán)境因素影響大，難以對(duì)訓(xùn)練成績進(jìn)行客觀的評(píng)價(jià)；一旦操作失誤，整個(gè)操作過程可能無法繼續(xù)進(jìn)行，訓(xùn)練效率低。因此，研制一套操作現(xiàn)象、操作流程、數(shù)據(jù)參數(shù)界面與真實(shí)無線電經(jīng)緯儀完全一致的訓(xùn)練模擬系統(tǒng)，是非常必要的。

1 無線電經(jīng)緯儀

1.1 系統(tǒng)組成

無線電經(jīng)緯儀系統(tǒng)主要由三部分組成：數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，探空信號(hào)接收機(jī)和探空接收天線，如圖1所示。

圖1 無線電經(jīng)緯儀系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Composition block diagram of radio theodolite

其中，數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)中的上位機(jī)軟件用于探測前探空儀信息的錄入，探測過程中氣象信息的顯示和相應(yīng)氣象圖表的繪制，以及探測結(jié)束后氣象報(bào)告的生成。

探空信號(hào)接收機(jī)除了內(nèi)建的信號(hào)處理電路外，主要有6大功能模塊組成。其中，顯示模塊由兩組5位LED數(shù)碼管組成，分別顯示當(dāng)前探空接收天線的方位角和俯仰角；信號(hào)發(fā)聲儀(語音模塊)在探測過程中播放探空信號(hào)電碼聲音，使操作員能識(shí)別所用探空儀類型(不同的探空儀發(fā)出的探空信號(hào)被接收后發(fā)出的電碼聲音是不同的)；微安表用來指示當(dāng)前探空信號(hào)的強(qiáng)度，當(dāng)天線偏離探空氣球較多時(shí)，微安表示數(shù)急劇下降，操作員根據(jù)微安表示數(shù)控制天線方向以跟蹤氣球；指示燈組用來指示無線電經(jīng)緯儀各個(gè)模塊的工作狀態(tài)；開關(guān)組用來開/關(guān)無線電經(jīng)緯儀的各個(gè)模塊以及控制探測過程；天線控制模塊用來改變探空天線的方位。

探空接收天線在天線控制按鈕的控制下跟蹤氣球，并將探空儀發(fā)回的氣象信息送入探空信號(hào)接收機(jī)中。

1.2 探測過程

在探測前，操作員需將所用探空儀參數(shù)以及地面的氣溫、氣壓、濕度等氣象信息錄入上位機(jī)軟件，并完成探空信號(hào)接收機(jī)的開機(jī)操作。然后，將探空儀固定在氫氣球上并進(jìn)行探空天線初始狀態(tài)的調(diào)整。探空天線初始狀態(tài)調(diào)整正確后，將探空儀升空，開始探測過程。探空儀以一定的時(shí)間間隔發(fā)送當(dāng)前所在高度的氣象信息至探空接收天線。

探測過程中，操作員根據(jù)微安表示數(shù)來判斷天線和氣球的偏離程度，以調(diào)整天線方向跟蹤氣球。若由于一些突發(fā)原因，操作員未跟上氣球，計(jì)算機(jī)上位機(jī)軟件將停止顯示氣象信息，相應(yīng)氣象圖表的繪制也將中斷，操作員應(yīng)在最短的時(shí)間內(nèi)重新跟上氣球，否則可能失去目標(biāo)。對(duì)操作員的訓(xùn)練就是不僅要使其完全掌握操作流程，還要能夠?qū)ν话l(fā)狀況進(jìn)行及時(shí)正確的處理[2]。最后，當(dāng)氣球超過探空儀的極限探測高度后，操作員應(yīng)結(jié)束探測，并輸出氣象探測結(jié)果。

2 訓(xùn)練模擬器設(shè)計(jì)原理

訓(xùn)練模擬器的外形必須和真實(shí)系統(tǒng)完全相同，并且模擬真實(shí)系統(tǒng)的全部操作現(xiàn)象和操作流程。其中，放球操作、探空天線的初始化和探測中控制由上位機(jī)軟件和主控電路聯(lián)合模擬完成。因此，訓(xùn)練模擬器和真實(shí)系統(tǒng)相比，少了探空接收天線的部分，如圖2所示。

圖2 訓(xùn)練模擬器組成框圖Fig.2 Composition block diagram of training simulator

在訓(xùn)練模擬器中，氣象探測信息由預(yù)置在上位機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)庫提供，送入探空信號(hào)接收機(jī)中按規(guī)定算法進(jìn)行處理，然后送回計(jì)算機(jī)。因此，訓(xùn)練模擬器不需要重現(xiàn)探空信號(hào)接收機(jī)中的信號(hào)處理電路。同時(shí)，訓(xùn)練模擬器的硬件系統(tǒng)還監(jiān)控操作員的操作流程，若操作員出現(xiàn)操作錯(cuò)誤，主控電路會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤信息并送入上位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件會(huì)給出錯(cuò)誤提示并定量評(píng)價(jià)訓(xùn)練結(jié)果。

3 主控電路設(shè)計(jì)

訓(xùn)練模擬器主控電路主要模擬探空信號(hào)接收機(jī)的功能?？紤]到對(duì)計(jì)算性能和控制性能的要求，采用DSP+CPLD的結(jié)構(gòu)。其中， DSP作為核心控制器，主要完成氣象信息的計(jì)算和對(duì)外圍電路的控制，CPLD完成開關(guān)組信號(hào)的提取。主控電路的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 主控電路結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of main control circuit

3.1 主控芯片的選擇

DSP選用TI公司的定點(diǎn)DSP芯片TMS320LF2407A 。LF2407A的指令執(zhí)行速度為40MIPS[3]，能夠滿足模擬器實(shí)時(shí)處理氣象數(shù)據(jù)的要求。同時(shí)，LF2407A外設(shè)資源豐富，兩個(gè)事件管理器(EV)每個(gè)包含2個(gè)16位通用定時(shí)器、3個(gè)比較單元、3個(gè)定時(shí)捕獲單元，此外還具有串行外設(shè)接口(SPI)、串行通信接口(SCI)、CAN2.0B模塊、41個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用I/O接口、五個(gè)外部中斷等[3]。這些片上資源能夠幫助模擬器快速、方便地完成對(duì)各個(gè)功能模塊的控制任務(wù)。

CPLD采用Altera公司MAX II系列芯片中的EPM240T100C5。該芯片具有功耗低、延時(shí)小等特點(diǎn)[4]。在訓(xùn)練模擬器主控電路中，CPLD主要完成I/O擴(kuò)展的功能，該芯片足以滿足要求。

3.2 顯示模塊的實(shí)現(xiàn)

顯示模塊用來控制兩組5位LED數(shù)碼管的顯示，為減小電路規(guī)模，每組5位數(shù)碼管可由一個(gè)四位一體數(shù)碼管和一個(gè)一位數(shù)碼管代替。DSP的SPI模塊將顯示數(shù)據(jù)(包括四位一體數(shù)碼管的選通信號(hào))串行輸出至74HC595芯片組，由74HC595芯片組并行輸出后送入數(shù)碼管顯示，如圖4所示：

圖4 顯示模塊實(shí)現(xiàn)框圖Fig.4 Block diagram of display module

74HC595芯片是一種8位串行輸入/輸出或者并行輸出的移位寄存器，其串行移位和并行輸出需要不同的時(shí)鐘信號(hào)。在74HC595芯片組中，前一個(gè)74HC595芯片的串行輸出接下一個(gè)的串行輸入，各個(gè)芯片共用串行移位時(shí)鐘、并行輸出時(shí)鐘及并行輸出使能信號(hào)。SPI模塊的SPISIMO引腳串行輸出顯示數(shù)據(jù)，SPICLK引腳提供74HC595芯片組的串行移位時(shí)鐘。另外，DSP的兩個(gè)I/O引腳輸出LACK和OE信號(hào)，分別作為74HC595芯片組的并行輸出時(shí)鐘和并行輸出使能信號(hào)。在一組完整的顯示數(shù)據(jù)串行移入74HC595芯片組后，LACK引腳輸出一個(gè)高電平脈沖，顯示數(shù)據(jù)并行輸出并送至數(shù)碼管顯示。整個(gè)顯示模塊的控制可在定時(shí)器周期中斷服務(wù)程序中完成[5]，以保證數(shù)碼管組不間斷的顯示天線方位。

3.3 微安表模塊的實(shí)現(xiàn)

微安表模塊根據(jù)當(dāng)前探空信號(hào)強(qiáng)度輸出相應(yīng)的電流至微安表。其中探空信號(hào)強(qiáng)度由DSP根據(jù)從上位機(jī)軟件接收到的氣象數(shù)據(jù)真值和顯示模塊指示的當(dāng)前探空天線方位，按照規(guī)定的算法計(jì)算得到，它與電流值成正比。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，DSP比較單元輸出寬度與探空信號(hào)強(qiáng)度成線性關(guān)系的PWM脈沖，送至電平轉(zhuǎn)換電路。電平轉(zhuǎn)換電路輸出幅值與PWM脈沖寬度成線性關(guān)系的直流電壓信號(hào)，通過負(fù)載后便可輸出適當(dāng)?shù)碾娏髦廖脖?。微安表模塊的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 微安表模塊實(shí)現(xiàn)框圖Fig.5 Block diagram of micro-ammeter module

其中，探空信號(hào)強(qiáng)度和PWM脈沖寬度的線性關(guān)系是通過對(duì)PWM脈沖寬度、輸出電流值的采樣，由最小二乘法擬合得出。電平轉(zhuǎn)換電路主要有三部分組成：積分電路、包絡(luò)檢波器和電壓跟隨器[6]，其輸出不是純粹的直流分量，而是帶有一定的紋波。負(fù)載除了阻值適當(dāng)?shù)碾娮柰?，還包括一個(gè)整流二極管，以減少紋波。

3.4 語音模塊的實(shí)現(xiàn)

模擬器的語音電路采用語音錄放芯片加上功放芯片的實(shí)現(xiàn)方案。其中語音錄放芯片采用ISD1760，其獨(dú)立按鍵工作模式即可滿足要求。ISD1760的兩個(gè)喇叭輸出信號(hào)SP+、SP-經(jīng)過放大、濾波電路后送入功放芯片。功放芯片采用TI公司的TPA1517，它能持續(xù)提供平均5～6W輸出功率。TPA1517輸出的音頻信號(hào)直接送至喇叭輸出。在實(shí)際使用時(shí)，先利用麥克電路將需要播放的探空儀電碼聲音錄入ISD1760，然后由DSP輸出播放控制信號(hào)。

3.5 開關(guān)組模塊的實(shí)現(xiàn)

在模擬器中，開關(guān)組采用機(jī)械開關(guān)連接信號(hào)線的方案實(shí)現(xiàn)。由于開關(guān)數(shù)量眾多，采用一片CPLD對(duì)DSP進(jìn)行IO擴(kuò)展，由CPLD完成對(duì)開關(guān)組狀態(tài)的提取，然后送入DSP中。開關(guān)組信號(hào)線由5V電源上拉，經(jīng)8總線雙向三態(tài)緩沖器74LVC4245芯片后，接至CPLD引腳。CPLD和DSP主要通過兩組I/O引腳相連，以引腳的高低電平狀態(tài)來分別傳遞提取碼和開關(guān)狀態(tài)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 開關(guān)組模塊實(shí)現(xiàn)框圖Fig.6 Block diagram of switching group module

在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，CPLD主控邏輯不斷檢測開關(guān)組信號(hào)狀態(tài)。若檢測到有開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，CPLD首先執(zhí)行延時(shí)消抖操作，然后重新檢測開關(guān)組狀態(tài)。確認(rèn)開關(guān)組狀態(tài)發(fā)生變化后，CPLD向DSP的XINT1引腳輸出10個(gè)CLKOUT周期的低電平，以觸發(fā)DSP的外部引腳中斷[7]。

由于開關(guān)數(shù)量眾多而DSP的I/O引腳有限，CPLD不能一次性地將全部開關(guān)狀態(tài)都送入DSP中，因此，開關(guān)狀態(tài)的傳送采用分組傳遞的方式實(shí)現(xiàn)。在DSP的外部引腳中斷服務(wù)程序中，DSP向CPLD傳送提取碼，CPLD根據(jù)提取碼傳送相應(yīng)組別的開關(guān)狀態(tài)至DSP，直至所有開關(guān)狀態(tài)傳送完畢。在中斷服務(wù)程序中，DSP除了完成開關(guān)狀態(tài)的提取，還需判斷是哪些開關(guān)的狀態(tài)發(fā)生了變化并執(zhí)行相應(yīng)處理。

3.6 其他功能模塊的實(shí)現(xiàn)

模擬器指示燈組由DSP的I/O引腳直接控制。對(duì)于顯示狀態(tài)獨(dú)立的單個(gè)LED燈，控制信號(hào)經(jīng)74LVC4245芯片后直接送至LED燈；對(duì)于顯示狀態(tài)一致的一組LED燈，控制信號(hào)經(jīng)74LVC4245芯片后送至一個(gè)三極管開關(guān)電路，由三極管開關(guān)電路驅(qū)動(dòng)并聯(lián)LED燈組(大電流負(fù)載)。

天線控制模塊用來調(diào)節(jié)探空天線的方位，有“上”、“下”、“左”、“右”4個(gè)按鈕。這4個(gè)按鈕的外部電路和開關(guān)組相同，但由于其功能的特殊性，將其信號(hào)線直接接至DSP的I/O引腳。在主程序中，DSP循環(huán)檢測并記錄這四個(gè)按鈕的狀態(tài)。在定時(shí)器周期中斷服務(wù)程序中，根據(jù)各個(gè)按鈕的當(dāng)前狀態(tài)，程序按照規(guī)定的角速度調(diào)整當(dāng)前探空天線的方位值并送顯示[8]。

最后，在模擬器中，計(jì)算機(jī)和DSP采用RS-232標(biāo)準(zhǔn)的通用異步串口(UART)進(jìn)行通信。DSP的SCI模塊通過一片MAX232芯片與計(jì)算機(jī)串口相連。SCI模塊采用全雙工通信，波特率為9600Baud。

4 軟件控制流程

在CCS3.3平臺(tái)下，利用C語言進(jìn)行控制程序的開發(fā)，其軟件控制流程如圖7所示。

圖7 軟件控制流程Fig.7 Process of software control

DSP上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化和外設(shè)模塊的初始化，然后第一次讀取開關(guān)組各個(gè)開關(guān)的狀態(tài)，以獲得開關(guān)狀態(tài)的初始值。在打開中斷和定時(shí)器后，DSP循環(huán)執(zhí)行以下操作：讀取并記錄天線控制按鈕的狀態(tài)；接收計(jì)算機(jī)傳來的控制信息和氣象數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)處理后，得到狀態(tài)指示燈的亮暗信息、探空信號(hào)強(qiáng)度并送顯示，將氣象數(shù)據(jù)處理結(jié)果和操作員的一些操作錯(cuò)誤信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)。在外部引腳中斷中，DSP讀取開關(guān)組狀態(tài)并進(jìn)行處理，得到相關(guān)指示燈的亮暗信息和操作錯(cuò)誤信息；串口中斷完成串行數(shù)據(jù)的收發(fā)；在定時(shí)器周期中斷中，DSP根據(jù)規(guī)定的角速度調(diào)節(jié)天線方位并送顯示模塊顯示，同時(shí)完成軟件計(jì)時(shí)、語音控制和看門狗等操作。

5 結(jié)束語

按照上述方案設(shè)計(jì)的系統(tǒng)樣機(jī)，通過對(duì)主控電路各個(gè)功能模塊的分步調(diào)試以及和上位機(jī)軟件的聯(lián)合調(diào)試，其預(yù)期功能全部得到實(shí)現(xiàn)，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。目前，無線電經(jīng)緯儀訓(xùn)練模擬器已投入實(shí)際使用，并取得了良好的訓(xùn)練效果。

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Design and implementation of control circuit in radio theodolite training simulator

MENG Ming-xing1,2, ZHENG Xi-feng1, CHEN Yu1
(1.Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, Jilin, China;2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

An efficient and economical way to train operators of radio theodolite is to take advantage of relative simulators.A design of radio theodolite simulator was provided.At first the construction and the operation process of radio theodolite were introduced.Then the design principle of the simulator and the construction of its control circuit were given.At last each module of the control circuit was described in detail and the software control procedure was also given.The test results show that the design scheme is viable.

training simulator；radio theodolite；control circuit

P204; PM93

A

1673-923X (2012)03-0198-05

2011-11-01

孟明星(1987—)，男，河南孟州人，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式技術(shù)應(yīng)用等；E-mail：mengmingxing@sina.cn

[本文編校：邱德勇]