基于單片機的航管應(yīng)答機高度模擬器設(shè)計

蔣國峰, 丁 潔

（1.空軍第一航空學(xué)院 航空電子工程系，河南 信陽 464000；2.商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南 商丘 476000）

航管應(yīng)答機是二次雷達系統(tǒng)中的機載設(shè)備，無需人工參與，即能自動應(yīng)答地面雷達對飛機的代碼和高度詢問。航管應(yīng)答機需要應(yīng)答的代碼信息可通過航管應(yīng)答機的控制盒根據(jù)飛機的編號進行人工設(shè)置，高度信息則是由飛機上的大氣機通過探測飛機的飛行高度進行實時提供。當在地面對航管應(yīng)答機進行測試時，所需的高度信息一般通過專用的氣壓源為航管應(yīng)答機測試提供模擬高度，專用氣壓源價格高，便攜性差，操作使用不便。通過分析解讀專用氣壓源與航管應(yīng)答機之間的接口特性和信號定義。如果利用單片機為核心，通過擴展相關(guān)接口，模擬氣壓源高度輸出接口信號特性，并增加相應(yīng)的顯示和控制電路，即可完全替換專用氣壓源在航管應(yīng)答機地面測試中的應(yīng)用[1]。

1 高度接口信號分析

1.1 編碼特性

航管應(yīng)答機高度接口信號單位為英尺，范圍在-1 200 ～ 126 700，步進值為100英尺，接口信號的編碼采用格雷碼循環(huán)編碼。格雷碼是一種數(shù)字排序系統(tǒng)，其中的所有相鄰整數(shù)在它們的數(shù)字表示中只有一個數(shù)字不同，它在任意兩個相鄰的數(shù)之間轉(zhuǎn)換時，只有一個數(shù)位發(fā)生變化，大大減少了由一個狀態(tài)到下一個狀態(tài)時邏輯的混淆，其編碼數(shù)據(jù)與十進制數(shù)據(jù)之間的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。在選用格雷碼編碼時既可以選用表1中的對應(yīng)關(guān)系，也可以選用部分格雷碼重新定義與十進制的對應(yīng)關(guān)系[2]。

表1 十進制、二進制與格雷碼對應(yīng)關(guān)系表Tab.1 Relation between the gray code and the decimal system and the binary system code

高度接口信號的編碼采用11位格雷碼循環(huán)編碼，形成三位編碼數(shù)，自左至右其權(quán)值分別為8000、500和100，其中左邊一位編碼數(shù)是四位格雷碼（16個數(shù)），用D2 D4 A1 A2表示 ，對應(yīng)于表1中的0～15。右邊一位是三位格雷碼（5個數(shù)循環(huán)），用 C1 C2 C4表示，選用表1中的格雷碼0001、0011、0010、0110、0100，采用的是循環(huán)編碼的形式，對應(yīng)于十進制數(shù)的0、1、2、3、4或4、3、2、1、0，在第一個周期內(nèi)對應(yīng)于0、1、2、3、4，在下一個周期內(nèi)對應(yīng)于4、3、2、1、0，緊接著后面的周期內(nèi)又重新對應(yīng)于0、1、2、3、4，以后逐次循環(huán)。中間一位是四位格雷碼（16個數(shù)循環(huán)編碼），用A4 B1 B2 B4表示，對應(yīng)于表1中的0～15或15～0，循環(huán)形式如右邊一位格雷碼。為了方便編碼，在對高度數(shù)據(jù)進行編碼時首先加上1200，這樣，高度數(shù)據(jù)的最小值-1 200就變成了000,然后對000進行格雷碼編碼為001,既代表了-1 200英尺的模擬高度。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸格式

高度接口信號有效數(shù)據(jù)碼為11位，加上同步信號和校驗字共需傳輸4個字節(jié)32位數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)發(fā)送順序如表2所示，其中同步信號占一個字節(jié)，首先傳輸；數(shù)據(jù)字節(jié)占2個字節(jié)緊接著同步字節(jié)傳輸，11位有效數(shù)據(jù)傳送順序如表所示，未占用數(shù)據(jù)位填充0；校驗字節(jié)占1個字節(jié)，最后傳輸，其各位數(shù)據(jù)值為前3個字節(jié)對應(yīng)位異或所得的結(jié)果。

1.3 接口類型

不同型號的應(yīng)答機高度信號通信接口類型略有不同，常用的包括RS－422和ARINC429兩種類型，RS－422和ARINC429均是工業(yè)和航空領(lǐng)域常用的通信接口，也都有較多的專用芯片供選用。

1）RS-422接口

RS—422接口是一種應(yīng)用非常廣泛的通信接口，他采用單獨的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間的信號交換均可選用軟件握手或硬件連接的方式。RS—422信號采用了差分形式的傳輸形式，具有較強的抗干擾能力。RS—422接口最大傳輸距離可達4 000英尺，最大傳輸速率為10 Mb/s。

2）ARINC429信號

ARINC429數(shù)據(jù)總線是美國航空無線電公司（ARINC）制定的一種民用飛機機載總線規(guī)范，它是一種面向接口型的單向廣播式串行數(shù)據(jù)傳輸總線，在一條總線上定義有一個發(fā)送器和一個或多個接收器，以差動輸出的對稱方式工作，采用雙絞屏蔽線異步傳輸數(shù)據(jù)。ARINC429總線結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、傳輸可靠，抗干擾能力強。

2 硬件電路設(shè)計

高度模擬器硬件電路組成框圖如圖1所示，以單片機89C52最小應(yīng)用系統(tǒng)為數(shù)據(jù)的采集和處理核心，并擴展了422接口轉(zhuǎn)換、429接口轉(zhuǎn)換、高度碼采集、顯示、復(fù)位和譯碼等部分電路。其中422接口轉(zhuǎn)換電路與單片機的RXD、TXD接口分別選用單片機的P3.0、3.1，D0～D7選用P0口，顯示電路中的DDAT、DCLK和DEN分別選用P2.0、P2.1和P2.2[3]。

表2 高度接口信號數(shù)據(jù)傳輸格式表Tab.2 Data-transfer format of altitude signal

圖1 硬件電路組成框圖Fig. 1 Block diagram of hardware

2.1 顯示電路

由于要顯示的高度數(shù)據(jù)范圍在-1 200～126 700英尺之間，由于步進值為100，最后兩位始終為00，因而顯示位數(shù)可以設(shè)置為8位，其中最左邊為符號位，最右邊為單位符號“F”。由于顯示內(nèi)容簡單，因而顯示電路采用數(shù)碼管的形式進行顯示。數(shù)碼管驅(qū)動芯片MAX7219 是美國MAXIM 公司生產(chǎn)的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動器。該芯片可直接驅(qū)動最多8位7段數(shù)字LED 顯示器，它與單片機的接口非常簡單，僅用3個引腳與單片機相應(yīng)端連接即可實現(xiàn)對數(shù)碼管的驅(qū)動，其電路原理圖如圖2所示。其中“DIN”為串行數(shù)據(jù)輸入端口，在時鐘“CLK”上升沿將數(shù)據(jù)載入內(nèi)部16位寄存器；“LOAD”裝載數(shù)據(jù)有效位，連續(xù)數(shù)據(jù)的后16位在“LOAD”上升沿時被鎖定。DIG0～DIG7用于選擇數(shù)碼管中的顯示位數(shù)，SEGA～G、SEG DP用于確定顯示的數(shù)值和小數(shù)點[4]。

2.2 ARINC429接口電路

圖2 顯示電路原理圖Fig. 2 Display circuit diagram

實現(xiàn)ARINC429接口信號可采用分立元器件搭建，也可選用專用接口芯片如HS—3282/3182、DEIl016/BD429、HI-6010/HI8586/8588等，還可以選用FPGA進行開發(fā)設(shè)計。目前選用專用接口芯片構(gòu)建ARINC429接口電路是性價比較高的實現(xiàn)方式。由于HI-6010是專用于8位數(shù)據(jù)總線的ARINC429接口芯片，與8位單片機AT89C52的硬件接口簡單，因而本系統(tǒng)中選用該芯片，其硬件電路原理圖如圖3所示。其中HI-6010是實現(xiàn)ARINC429協(xié)議的主體。HI-8586和HI-8588分別用于ARINC429發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)時信號的電氣特性調(diào)理與適配[5]。

圖3 ARINC429接口電路原理圖Fig. 3 The principle circuit diagram of ARINC429

3 軟件流程設(shè)計

為了方便的程序的編寫與調(diào)試，軟件語言采用C語言，程序采用模塊化結(jié)構(gòu)。根據(jù)軟件的功能將整個程序分為顯示子程序、高度數(shù)據(jù)采集子程序、高度碼處理、發(fā)送子程序等部分。其主程序流程如圖4所示，高度碼處理子程序如圖5所示[6]。

在主程序流程圖中，首先對單片機[7-8]系統(tǒng)及其外圍接口電路進行初始化，顯示并發(fā)送默認高度數(shù)據(jù)，然后循環(huán)判斷高度數(shù)據(jù)輸入數(shù)值是否變化，如果變化，則調(diào)用高度數(shù)據(jù)采集子程序，對輸入的高度數(shù)據(jù)進行采集并顯示，如果輸入高度數(shù)據(jù)超出高度數(shù)值范圍，則通過顯示子程序處于閃爍狀態(tài)，提醒操作者輸入高度數(shù)據(jù)越界。否則調(diào)用高度碼處理子程序，對高度數(shù)據(jù)進行格雷碼轉(zhuǎn)換，并在同步字節(jié)數(shù)據(jù)的配合下，計算出校驗字節(jié)，最終形成32位的高度碼數(shù)據(jù)。

圖4 主程序流程圖Fig. 4 Flow chart of main program

圖5 高度碼處理子程序流程圖Fig. 5 Subroutine of altitude code processing

在高度碼處理子程序中，主要包括高度3位編碼數(shù)G1G2G3的求解及其高度格雷碼的轉(zhuǎn)換、校驗字節(jié)的計算等過程。默認高度數(shù)據(jù)是實際高度數(shù)據(jù)的1/100，首先對將輸入的數(shù)據(jù)高度加上12，由于G1、G2、G3的權(quán)值分別是8000、500和100，因而將其除以100后分別為800、50、1，對其各位編碼數(shù)的求解既是將高度數(shù)據(jù)除以各自的權(quán)值再取整即可得到。對編碼數(shù)G1格雷碼的轉(zhuǎn)換由于最大值是15，不存在循環(huán)編碼的問題，因而可直接按照表1中各類數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系順序查表即可。對于編碼數(shù)G2和G3，由于8 G10，15 G20，4 G30，G2采用逆序查表編碼還是順序查表編碼取決于G1的奇偶性，G3采用逆序查表編碼還是順序查表編碼取決于G2的奇偶性。

4 結(jié) 論

采用單片機為核心，通過擴展RS-422接口和ARINC429接口轉(zhuǎn)換電路及必要的顯示和控制電路構(gòu)建的航管應(yīng)答機高度模擬器，在功能上可完全替換原專用氣壓源，大大降低了航管應(yīng)答機檢測儀器費用，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定可靠、操作簡便、性價比高等特點，已廣泛的應(yīng)用于航管應(yīng)答機在地面的各級檢測和維修，取得了良好的軍事和經(jīng)濟效益。

[1]陳長春.航管應(yīng)答機原理與維護[M].北京:空軍裝備部,1998.

[2]高偉. 某型空管應(yīng)答機高度源模擬器電路設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2008(21): 57-58.

GAO-Wei.Circuit of design of simulated altitude source for certain air-control transponder[J].Modern Electronics Technique,2008(21):57-58.

[3]孫傳友. 測控系統(tǒng)原理與設(shè)計[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2002.

[4]王喜軍.顯示驅(qū)動芯片MAX7219在單片機中的應(yīng)用[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用, 2009(10): 121-122.

WANG Xi-jun.The MAX7219 display driver chip for MCU[J].Techniques of Automation&Applications, 2009(10): 121-122.

[5]修吉宏.8位單片機實現(xiàn)ARINC429總線通訊的兩種方法[J].光學(xué)精密工程, 2004(8):72-78.

XIU Ji-hong.Two methods of ARINC429 communicatcation between 8-bit singlechips[J].Optics and Precision Engineering,2004(8):72-78.

[6]阮德生.自動測試技術(shù)與計算機儀器系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:航空航天大學(xué)出版社, 1999.

[7]楊建成.基于單片機的數(shù)字電壓表設(shè)計與仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012(21):170-172.

YANG Jian-cheng.Design and simulation of SCM-based digital voltmeter[J].Modern Electronics Technique, 2012(21):170-172.

[8]楊牧，劉路路，張明，等.基于單片機的超聲波檢測系統(tǒng)研究[J].電子科技，2013(5):9-12.

YANG Mu，LIU Lulu，ZHANG Ming，et al.Research on ultrasonic concrete nondestructive testing[J]. Electronic Science and Technology, 2013(5):9-12.