軍用無人機(jī)載應(yīng)答機(jī)外場檢查儀的設(shè)計

四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司　羅　劍

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軍用無人機(jī)載應(yīng)答機(jī)外場檢查儀的設(shè)計

四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司羅劍

【摘要】無人機(jī)即無人飛行載具，指的是不需要駕駛員的飛機(jī)。20世紀(jì)90年代，海灣戰(zhàn)爭以后，無人機(jī)開始飛速發(fā)展和廣泛運用。傳統(tǒng)機(jī)載設(shè)備的地面保障設(shè)備一般體積重量較大。但無人機(jī)地面站一般只配一臺車輛，承載能力有限，對其上配裝的電子設(shè)備的體積重量要求更高。本文介紹一種便攜式的外場檢查儀，用于無人機(jī)載應(yīng)答機(jī)的地面保障，其具有體積小、安裝快、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點，能夠很好的滿足軍用設(shè)備保障需求。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī)；外場檢查儀

1　引言

隨著我國電子科技的進(jìn)步，我軍武器裝備也進(jìn)入了電子信息化道路，而現(xiàn)代武器裝備功能復(fù)雜、型號繁多，因此我軍對軍事設(shè)備的使用和維護(hù)提出了三級維護(hù)體制：

前沿級：故障定位到現(xiàn)場可更換單元。

中間級：故障定位到模塊化電路板。

基地級：故障定位至失效的元器件。

其中前沿級測試維修主要職責(zé)是將裝備故障隔離到現(xiàn)場可更換單元（LRU），使裝備迅速恢復(fù)或部分恢復(fù)作戰(zhàn)能力，對測試系統(tǒng)的全局測試能力、體積、重量等方面要求較高，開展現(xiàn)場級自動檢測設(shè)備的研究有著重要的現(xiàn)實意義，本文介紹的就是一種用于無人機(jī)載應(yīng)答機(jī)的前沿級保障設(shè)備。

2　總體設(shè)計及技術(shù)特點

2.1設(shè)備組成

本文介紹的外場檢查儀采用手持式設(shè)計，將電源、收發(fā)組件、處理板、顯示屏、按鍵以及通用航空連接器或射頻連接器集中在一個很小腔體之中，其外觀以及組成框圖如圖1所示。

如圖1所示，整個設(shè)備包括收發(fā)組件、信號處理板、OLED顯示器、鍵盤、電源模塊以及接口電路。工作時，通過電源模塊將外部供電轉(zhuǎn)換為內(nèi)部所需的兩組電壓，然后由鍵盤輸入按鍵操作。

圖1　外場檢查儀外觀以及原理框圖

2.2技術(shù)特點

本機(jī)采用高度集成的模塊化設(shè)計，腔體內(nèi)使用超微型連接器將收發(fā)模塊、電源模塊以及信號處理模塊相互連接，提高了設(shè)備可靠性和設(shè)備尺寸，降低了設(shè)備成本，且易于安裝和維護(hù)。另外本機(jī)使用點陣式OLED顯示器，可工作在－40℃～＋55℃范圍內(nèi)，并設(shè)計了方便快捷的菜單界面及結(jié)果顯示界面，使得工作時更加高效，加上快拆式天線設(shè)計，使得設(shè)備拆裝更加快捷，環(huán)境適應(yīng)性也更強(qiáng)，更好的滿足現(xiàn)代軍用保障設(shè)備對高效快捷、現(xiàn)場處理的要求。

3　檢查儀工作原理

檢查儀利用二次雷達(dá)原理，采用詢問－應(yīng)答方式來完成對應(yīng)答機(jī)的應(yīng)答和ATC功能檢測能力。當(dāng)需對應(yīng)答機(jī)進(jìn)行功能檢測時，檢查儀發(fā)射一串射頻詢問脈沖，對被檢查的應(yīng)答機(jī)進(jìn)行詢問，應(yīng)答機(jī)收到詢問信號并正確解碼后回答相應(yīng)的射頻脈沖組，檢查儀通過判斷是否有正確的應(yīng)答信號，完成對應(yīng)答機(jī)的檢測；

3.1測試前準(zhǔn)備

軍用無人機(jī)所攜帶的電子設(shè)備，要求一旦發(fā)生緊急情況能夠銷毀自身重要數(shù)據(jù)及功能程序，以防止被敵方俘獲并提取我方設(shè)備信息，所以要求無人機(jī)載設(shè)備的軟件需運行在易失性存儲器中，無人機(jī)起飛前，地面保障設(shè)備首先將機(jī)載設(shè)備運行所需的軟件及其他數(shù)據(jù)（如密碼）等加載到機(jī)載設(shè)備中，然后對其進(jìn)行狀態(tài)檢查，確認(rèn)一切正常后方可隨無人機(jī)起飛，所以在進(jìn)行目標(biāo)設(shè)備功能檢查之前，應(yīng)對其進(jìn)行軟件及密碼注入，并對相關(guān)工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完畢后方可進(jìn)行檢查。

使用CAN總線接口與目標(biāo)設(shè)備相連，通過按鍵操作選擇所需注入的軟件及密碼數(shù)據(jù)并發(fā)送到目標(biāo)設(shè)備，發(fā)送過程也是對設(shè)備接口功能的一次檢查，數(shù)據(jù)加載完畢后，需要對設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，仍是通過CAN總線接口發(fā)送設(shè)置命令到目標(biāo)設(shè)備，完成設(shè)置。

3.2ATC功能檢查

對目標(biāo)進(jìn)行功能檢查時，應(yīng)首先確保檢查儀自身供電正常，自檢正常才能對目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行檢查。

ATC應(yīng)答檢查：操作人員使用按鍵選擇ATC詢問發(fā)射，對目標(biāo)的ATC應(yīng)答功能進(jìn)行檢查，若目標(biāo)設(shè)備正常，則檢查儀將收到正確的ATC應(yīng)答信號，選擇發(fā)送A模式和C模式詢問信號，切換檢查應(yīng)答機(jī)的A模式及C模式應(yīng)答功能，通過其應(yīng)答概率來判斷ATC應(yīng)答功能是否正常。若目標(biāo)設(shè)備無法對ATC詢問信號做出應(yīng)答，則通過更換目標(biāo)處理板或收發(fā)模塊來定位故障到模塊。

編號應(yīng)答檢查：操作人員使用按鍵選擇編號識別詢問發(fā)射，對目標(biāo)的編號應(yīng)答功能進(jìn)行檢查，若目標(biāo)設(shè)備正常，則檢查儀將收到正確的編號應(yīng)答信號，通過選擇不同的編號來分別檢查各編號應(yīng)答功能。并通過應(yīng)答概率來判斷編號應(yīng)答功能是否正常，若目標(biāo)設(shè)備無法對編號詢問信號做出應(yīng)答，則通過更換目標(biāo)處理板或收發(fā)模塊來定位故障到模塊。

4　主要電路設(shè)計

4.1信號處理板

信號處理板是整個設(shè)備的核心部件，對硬件進(jìn)行多功能集成，使控制、編碼、解碼、本地碼、密碼、時鐘、自檢接口、A/D采樣、數(shù)字接收技術(shù)、時間密碼參數(shù)接收、對應(yīng)答機(jī)參數(shù)加載等功能綜合設(shè)計為一個主板，使達(dá)到高集成和小型化設(shè)計的目的，大大降低體積、功耗、成本，提高可靠性。

如圖2所示，其中ATC視頻信號為民用航管信號，中頻信號為某軍用識別信號，收發(fā)組件將信號送至信號處理板后，先經(jīng)過AD采樣電路采樣后，送至FPGA做數(shù)字下變頻處理，解調(diào)出基帶信號后在經(jīng)過解擴(kuò)解碼等處理然后將結(jié)果送至DSP，DSP在做進(jìn)一步處理得出相關(guān)結(jié)果送顯示器顯示，以便判斷被檢測的設(shè)備是否工作正常。

圖2　信號處理板電路框圖

信號處理板設(shè)計時，由于AD采樣對時鐘要求嚴(yán)格，其電路也需重點考慮，供電需要與其他部分隔離開，單獨使用一個TI公司推出的TPS70302PWP來為AD采樣芯片供電，其他電路供電使用模塊KWM05S5T-25AM來供電。另外考慮到手持設(shè)備對功率的嚴(yán)格要求，選擇LINEAR公司的一款雙14位80Msps低功耗A/D轉(zhuǎn)換器LTC2299，能在保證性能的基礎(chǔ)上盡量降低整板功耗。其他部分也全部以貼片器件完成設(shè)計，連接器選用貴航集團(tuán)推出的超微型矩形連接器，進(jìn)一步減小設(shè)備尺寸。

4.2收發(fā)組件

收發(fā)組件主要功能包括：產(chǎn)生ATC所需的射頻和本振信號；將調(diào)制后的射頻信號輸出至天線端口；將天線接收的射頻信號經(jīng)下變頻后傳輸給處理板上。其原理框圖如圖3所示。

圖3　收發(fā)組件原理框圖

收發(fā)組件發(fā)射部分由信號源SWM501K與20MHz晶振產(chǎn)收發(fā)組件所需的本振（LO）與射頻（RF）信號。射頻信號通過天線二選一開關(guān)由天線發(fā)射出去。本振信號由二分一功分器分成二路信號，一路輸出至本振檢測端口；另一路信號通過信號放大/衰減到接收部分。

經(jīng)過放大后的本振信號通過LO濾波器后與天線接收下來的信號通過下變頻處理后，再通過中頻60MHz濾波器輸出XX中頻信號到處理模塊作數(shù)字處理，ATC接收信號通過檢波器檢波后輸出ATC視頻框架信號到處理模塊作數(shù)字處理。

5　結(jié)構(gòu)設(shè)計

為滿足外場使用時對振動、三防以及電磁兼容等方面的要求以及無人機(jī)保障設(shè)備對體積的嚴(yán)格要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計非常關(guān)鍵，本機(jī)的機(jī)殼采用一體鋁合金銑出，并在電源部位銑出條狀凹槽加強(qiáng)散熱，既保證了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又具有良好的電磁屏蔽性。機(jī)殼背面采用鋁合金蓋板，使用沉頭螺釘進(jìn)行緊固。結(jié)構(gòu)圖如圖4所示所示。

圖4　外場檢查儀結(jié)構(gòu)圖

圖5　FPGA程序整體框圖

圖5　FPGA程序整體框圖

6　程序設(shè)計

信號處理板程序分為FPGA程序和DSP程序，其

中FPGA程序運行在XILINX公司推出的高性能系列FPGA型號為XC4VLX60，DSP使用TI公司推出的32位低功耗數(shù)字信號處理器TMS320F2812。

6.1FPGA程序

信號處理板FPGA程序需要完成的功能包括：數(shù)字下變頻、FIR抽取及濾波、基帶解擴(kuò)、幅度及相位輸出。

在設(shè)計FPGA程序的時候，首先使用Matlab計算FIR高通濾波器系數(shù)，之后再使用ISE的Core Generator工具生成IP Core，同樣的方法再完成其他IP Core設(shè)置，比如數(shù)控震蕩發(fā)生器NCO、FIR低通濾波器、FIFO等。再編寫Verilog程序?qū)⒏鱾€IP Core聯(lián)系在一起，配合控制語句實現(xiàn)程序功能。

FPGA程序由地址譯碼、時鐘管理、復(fù)位管理、頻率控制、時間模塊、中斷管理等功能模塊組成，運行時在上電后首先完成復(fù)位及自檢，然后由數(shù)據(jù)地址總線等待DSP的調(diào)度，同時隨時接收AD采樣數(shù)據(jù)輸入，當(dāng)有AD采樣數(shù)據(jù)輸入是，自動完成信號的解調(diào)及解碼處理，若符合預(yù)設(shè)條件則送至DSP做進(jìn)一步處理。DSP隨時通過數(shù)據(jù)地址總線對FPGA的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，以完成檢測功能。FPGA程序整體框圖如圖5所示。

6.2DSP程序

信號處理板DSP程序（如圖6所示）需要完成初始化、自檢控制、電量監(jiān)測、按鍵操作控制、檢測結(jié)果處理、結(jié)果信息顯示、密碼處理、接口數(shù)據(jù)解析等功能。

DSP與FPGA協(xié)同工作，具體方式如下：

DSP與FPGA通過數(shù)據(jù)及地址總線互連。設(shè)備工作過程中，DSP通過數(shù)據(jù)地址總線訪問FPGA內(nèi)部的各個存儲單元，根據(jù)需要讀出狀態(tài)信息，或?qū)懭肟刂茢?shù)據(jù)。FPGA在DSP的控制下完成各種功能，比如編碼、譯碼等；DSP則實時的響應(yīng)、處理FPGA產(chǎn)生的各個中斷（比如串口中斷、按鍵中斷等），從而控制整個模塊正常工作。

7　結(jié)論

本文介紹了一種用于無人機(jī)載應(yīng)答機(jī)的前沿級保障設(shè)備，該設(shè)備具有體積小巧、安裝便捷、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)和檢測效率高的特點，經(jīng)過在多次設(shè)備維護(hù)任務(wù)中使用，效果良好，能夠滿足軍對現(xiàn)代軍事設(shè)備的使用和維護(hù)要求。

參考文獻(xiàn)

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