某型機(jī)載高度表指示器數(shù)字化顯示電路設(shè)計(jì)

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(海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)航空電子系，山東 青島 266041)

0 引言

高度表是軍機(jī)上重要的機(jī)載電子設(shè)備，它用來(lái)測(cè)量高度數(shù)據(jù)并通過(guò)顯示器將高度顯示出來(lái)供飛行員或空勤人員查看。高度是飛行中關(guān)注的重要飛行參數(shù)，高度表的測(cè)高的精確性與顯示實(shí)時(shí)性直接影響著飛行安全，這是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。目前某些型號(hào)高度表指示器采用的磁電指針式指示器，這種磁電指針式顯示器存在著讀取精度不高、抗震性差、非線性程度不好、數(shù)據(jù)不易存儲(chǔ)等缺點(diǎn)。如果對(duì)高度表的模擬高度電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化顯示，將有利于提高讀數(shù)精度，同時(shí)還能將高度數(shù)據(jù)分配給其他系統(tǒng)使用，提高機(jī)載電子設(shè)備綜合性能。本文采用以單片機(jī)系統(tǒng)為主體的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)接口電路功能擴(kuò)展，設(shè)計(jì)了一種高度表數(shù)字化顯示電路，完成對(duì)模擬高度電壓信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換、非線性修正及數(shù)碼顯示。

1 模擬高度電壓信號(hào)分析

一般高度表采用頻率法測(cè)距，高度表發(fā)射電路產(chǎn)生的調(diào)頻信號(hào)，一路直接輸?shù)浇邮针娐?，另一路向地面發(fā)射，從地面反射回來(lái)后到達(dá)接收電路。由于調(diào)頻信號(hào)的頻率總是不斷變化的，所以直接信號(hào)和接收信號(hào)之間產(chǎn)生了頻差。差頻信號(hào)代表電波往返時(shí)間長(zhǎng)短，從而反映了飛行高低。高度表計(jì)算電路把差頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成大小與飛行高度成正比的直流電壓信號(hào)，然后把直流電壓加至有關(guān)電路，變成與高度成正比的直流電流，最后流經(jīng)高度指示電路將高度指示出來(lái)。

如圖1所示，高度直流電壓與差頻脈沖是一對(duì)非線性變化關(guān)系，磁電指針式高度表要將該非線性電壓信號(hào)顯示出來(lái)，需在指示表盤(pán)上采用非均勻的指示刻度，一般在低高度范圍標(biāo)注的刻度密，而在高高度范圍標(biāo)注的刻度稀，以此來(lái)修正該非線性變化的信號(hào)。本設(shè)計(jì)電路在對(duì)該高度信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化顯示時(shí)，也需對(duì)該信號(hào)進(jìn)行非線性修正處理。因?yàn)樵撉€上每個(gè)點(diǎn)電壓所對(duì)應(yīng)的高度值是一定的，所以可以在允許誤差范圍內(nèi)對(duì)它進(jìn)行采樣，然后根據(jù)電壓和高度數(shù)據(jù)編寫(xiě)查表程序，過(guò)查表查得每個(gè)輸入電壓所代表的高度數(shù)據(jù)，這樣就可以修正非線性變化的電壓。

圖1 高度直流電壓信號(hào)與差頻關(guān)系曲線

2 總體方案設(shè)計(jì)

由于輸入高度表指示器的電壓為非線性變化的模擬電壓，如果要將該電壓進(jìn)行數(shù)字化顯示，需要經(jīng)過(guò)高度電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換、非線性修正、數(shù)字化顯示等步驟。非線性修正及數(shù)字化轉(zhuǎn)換，可采用邏輯電路器件，也可以使用單片機(jī)系統(tǒng)或數(shù)字電路[1-3]。由于邏輯電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜、使用靈活性差、轉(zhuǎn)換精度不好，而單片機(jī)電路設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單、靈活性強(qiáng)、轉(zhuǎn)換精度高、芯片價(jià)格低[4-5]，所以選用以單片機(jī)系統(tǒng)為主體的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)接口電路與軟件編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬高度電壓信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換、非線性修正、LED數(shù)碼顯示等綜合功能。

模擬電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換使用8位ADC0809型集成芯片，可滿足高度表顯示量程和精度誤差的要求。非線性修正選用在單片機(jī)內(nèi)部嵌入查表程序的修正方案。數(shù)字化顯示部分選用LED數(shù)碼顯示，因?yàn)長(zhǎng)ED數(shù)碼顯示接口電路簡(jiǎn)單、與單片機(jī)的兼容性好、讀取方便、顯示位數(shù)可控。查表程序查得的各位高度顯示數(shù)據(jù)加到與單片機(jī)相連的LED段譯碼器和位譯碼器上，把顯示高度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成段選碼和位選碼，然后輸出到LED數(shù)碼顯示器上顯示出來(lái)。

采用上述設(shè)計(jì)方案優(yōu)點(diǎn)為：電路整體性好、兼容性高、適用范圍廣、可擴(kuò)展功能性強(qiáng)、電路設(shè)計(jì)費(fèi)用低。無(wú)論什么樣的模擬高度信號(hào)，都能用本電路對(duì)其數(shù)字化顯示，而且顯示精度可控，高度數(shù)據(jù)易存儲(chǔ)，可以為其它作戰(zhàn)處理平臺(tái)提供數(shù)字化的高度參數(shù)。

總體電路設(shè)計(jì)原理框圖如圖2所示，主要功能模塊有：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換部分、非線性修正部分、數(shù)碼顯示部分。

圖2 設(shè)計(jì)電路原理框圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 高度電壓非線性修正

非線性修正有很多方法，如數(shù)學(xué)函數(shù)量化、小間隔線性處理、標(biāo)準(zhǔn)線型匹配、查表程序法等。前4種方法計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，修正數(shù)據(jù)使用范圍窄，數(shù)學(xué)處理較為困難，與選用的單片機(jī)系統(tǒng)的兼容性不好。為了提高非線性修正精度和電路兼容性，本文選用查表程序法非線性修正方案，對(duì)輸入不同的模擬高度電壓信號(hào)，使用不同的量化方案和查表程序。即首先對(duì)模擬電壓進(jìn)行采樣，采樣后的模擬電壓會(huì)得到一個(gè)高度數(shù)據(jù)，然后根據(jù)該采樣數(shù)據(jù)編寫(xiě)查表程序表格存入單片機(jī)內(nèi)。這樣通過(guò)查表查得每個(gè)模擬電壓對(duì)應(yīng)的顯示高度數(shù)據(jù)，從而達(dá)到了非線性修正的目的。

表1為高度表量程為設(shè)置為1 200米，顯示精度為設(shè)置4.7米時(shí)的非線性修正查表表格。表格存儲(chǔ)的是查表地址所對(duì)應(yīng)的高度數(shù)據(jù)，每個(gè)高度數(shù)據(jù)由千位、百位、十位、個(gè)位、小數(shù)位五位組成，要顯示一個(gè)高度數(shù)據(jù)需要進(jìn)行5次循環(huán)查表，然后將查得的每位數(shù)據(jù)送去進(jìn)行LED數(shù)碼顯示。要顯示的每個(gè)數(shù)據(jù)由位選碼和段選碼組成，比如千位要顯示數(shù)字‘1’，則1對(duì)應(yīng)的中P1.0～P1.3(圖3)低四位腳輸出的位選碼BCD碼是01H，1對(duì)應(yīng)的P1.4～P1.7(圖3)高四位輸出的位選碼是08H，即在P0.0～P0.7(圖3)腳置數(shù)81H，則在千位顯示出1來(lái)。

表1 非線性修正查表表格

圖3 總體電路及接口設(shè)計(jì)

3.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換芯片選用常用8位ADC0809芯片，可以對(duì)模擬高度電壓進(jìn)行256份的采樣量化，對(duì)某型高度表低范圍，可以達(dá)到0.47米(120/256=0.47)的顯示精度，高范圍可以達(dá)到4.7米(1 200/256=4.7)的顯示精度。A/D轉(zhuǎn)換模塊主要組成部件有：ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器、74LS74觸發(fā)器、74LS373地址鎖存器、74LS02或非門(mén)。74LS373地址鎖存器用來(lái)鎖存ADC0809的模擬轉(zhuǎn)換通道。74LS74 D觸發(fā)器用于把單片機(jī)ALE端輸出的頻率為1 MHz的時(shí)鐘信號(hào)二分頻，給ADC0809芯片提供頻率為500 kHz的時(shí)鐘信號(hào)。74LS02用在完成對(duì)ADC0809的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換控制、數(shù)據(jù)輸出允許控制。

3.3 數(shù)字化顯示設(shè)計(jì)

考慮到LED數(shù)碼管具有功耗小、耐沖擊、壽命高等優(yōu)點(diǎn)[6]，數(shù)字化顯示模塊采樣LED數(shù)碼顯示方式。主要組成部件有：7段LED數(shù)碼顯示器、MC14558段譯碼器、74LS138譯碼器、ULN2003A段(位)驅(qū)動(dòng)器，如圖5所示。LED數(shù)碼顯示采用5位共陰極動(dòng)態(tài)掃描顯示方式，在某時(shí)刻輸入某一位的段選碼和位選碼，然后每位依次循環(huán)顯示下去。MC14558BCD段譯碼器用于LED數(shù)碼顯示的段譯碼，74LS138譯碼器用于LED數(shù)碼顯示的位譯碼。UIN2003A段(位)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)常規(guī)的LED數(shù)碼顯示器，把段(位)譯碼器輸出信號(hào)的電流，變成LED數(shù)碼顯示所允許的電流。

圖4 ADC0809、74LS373、74LS02、74LS74芯片

圖5 MC14558、74LS138、UIN2003A芯片

3.4 單片機(jī)與附屬電路設(shè)計(jì)

3.4.1 主處理芯片

單片機(jī)系統(tǒng)主處理芯片選用MCS-51系列8 751單片機(jī)，8 751單片機(jī)內(nèi)部帶有4 KB存儲(chǔ)空間，可通過(guò)接口功能電路控制其他部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入模擬高度電壓的A/D轉(zhuǎn)換、非線性修正、LED數(shù)碼顯示等綜合功能。單片機(jī)各管腳在本電路所實(shí)現(xiàn)的功能如下。

VCC腳接外部+5 V電源，VSS腳接地；RESET腳接外部復(fù)位電路，當(dāng)按下復(fù)位開(kāi)關(guān)單片機(jī)處于起始狀態(tài)準(zhǔn)備工作；XTAL1，XTAL2外部時(shí)鐘信號(hào)輸入端，為單片機(jī)提供6 MHz的時(shí)鐘信號(hào)；ALE腳接地址鎖存器使能端，控制地址鎖存器，同時(shí)ALE輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)二分頻后還給A/D轉(zhuǎn)換器提供時(shí)鐘信號(hào)；P0.0～P0.7腳為地址數(shù)據(jù)線復(fù)用引腳，當(dāng)?shù)刂锋i器鎖存地址線時(shí)，輸出地址選通數(shù)據(jù)，選擇A/D轉(zhuǎn)換器的模擬轉(zhuǎn)換通道IN0-IN7的哪一路。A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，由P0.0～P0.7作為數(shù)據(jù)線輸入單片機(jī)內(nèi)；P2.7、P3.6、P3.7腳輸出的信號(hào)經(jīng)或非門(mén)芯片后，共同完成對(duì)ADC0809的啟動(dòng)控制、數(shù)據(jù)輸出允許控制；P1.0～P1.3腳用于輸出LED數(shù)碼顯示的段選信號(hào)，控制LED數(shù)碼的顯示的字符形，P1.4～P1.6腳用于輸出LED數(shù)碼顯示的位選信號(hào)，經(jīng)過(guò)3～8譯碼后控制LED數(shù)碼管的哪位點(diǎn)亮，P1.7腳輸出高電平到S1腳，啟動(dòng)譯碼工作狀態(tài)；腳接高電平，允許執(zhí)行個(gè)功能時(shí)訪問(wèn)片內(nèi)的程序；P3.1輸出高電平到LED數(shù)碼管的第四位小數(shù)位dp腳，點(diǎn)亮該小數(shù)點(diǎn)。

圖6 8 751單片機(jī)芯片

3.4.2 附屬電路設(shè)計(jì)

附屬電路主要有復(fù)位電路、振蕩電路、電源電路組成，圖7～9所示。復(fù)位電路用于電路啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的初始化。振蕩電路采用石英晶體振蕩電路，為單片機(jī)提供的時(shí)鐘頻率為6 MHZ的時(shí)鐘信號(hào)。電源電路提供+5 V直流電源供電，具有穩(wěn)壓、平滑濾波，擬制高、低頻干擾等功能。

圖7 復(fù)位電路圖 圖8 外部振蕩電路

圖9 +5 V直流電源設(shè)計(jì)電路

3.4.3 電路組成與工作原理

總體設(shè)計(jì)電路如圖3所示。按下復(fù)位鍵K1后，RESET腳置高電平，完成電路狀態(tài)初始化。ADC0809的模擬電壓輸入端IN0腳輸入高度表的模擬高度電壓信號(hào)，8 751單片機(jī)ALE腳輸出使能信號(hào)啟動(dòng)74LS373鎖存器，P0.0～P0.2腳輸出地址選通信號(hào)到74LS373鎖存器D0～D2，74LS373鎖存器Q0～Q2腳輸出選通信號(hào)到ADC0809的ADDA-ADDC腳，選通轉(zhuǎn)換通道IN0端口。8 751單片機(jī)P3.6、P2.7、P3.7腳輸出信號(hào)經(jīng)或非門(mén)后，輸出一個(gè)正脈沖到ADC0809的START、ALE腳，A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)。EOC腳輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)脈沖，OE腳輸出允許輸出信號(hào)，這時(shí)就會(huì)在2-1-2-8腳輸出8位轉(zhuǎn)換完的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由8 751單片機(jī)IN0-IN7腳存儲(chǔ)到寄存器內(nèi)作為查表程序偏移量，此時(shí)A/D模塊轉(zhuǎn)換完成。

A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到單片機(jī)內(nèi)，作為查表程序的查表地址偏移量數(shù)據(jù)。高度數(shù)據(jù)的千位、百位、十位、個(gè)位、小數(shù)位表格預(yù)先存儲(chǔ)到相應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，根據(jù)不同位表格的地址加地址偏移量查表，查得顯示位的顯示數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)循環(huán)5次循環(huán)查表，查得要顯示的每位總共5個(gè)顯示數(shù)據(jù)，完成非線性修正。

查表得到每位的高度顯示數(shù)據(jù)后，LED顯示程序啟動(dòng)。查表得到高度顯示數(shù)據(jù)的段選BCD碼和位選信號(hào)，輸出到LED數(shù)碼管的千位、百位、十位、個(gè)位、小數(shù)位循環(huán)顯示出來(lái)。假設(shè)要顯示的高度數(shù)據(jù)為1 190.6，則查表程序查得高度數(shù)據(jù)的第一位為‘81H’，單片機(jī)輸出段選BCD碼和位選信號(hào)，即P1.7～P0.0置數(shù)81H，段選BCD碼0001由P1.3～P1.0腳輸入到MC14558的A、B、C、D腳進(jìn)行段譯碼，BCD碼經(jīng)過(guò)段譯碼為0000110(06H)經(jīng)段驅(qū)動(dòng)后加到位選段，0000110代表第一位LED的b、c段的陽(yáng)極段輸入高電平；同時(shí)P1.4～P1.6腳輸出信號(hào)000到74LS138的A0～A2腳，P1.7輸出高電平1到S1腳，使譯碼器工作。譯碼后腳輸出信號(hào)01111經(jīng)過(guò)位驅(qū)動(dòng)后，加到位選段，此時(shí)LED數(shù)碼管第一位的共陰極端D0腳置低電平，b、c段被點(diǎn)亮，LED數(shù)碼管第一位顯示出數(shù)字‘1’。這樣經(jīng)過(guò)5次同樣的流程，數(shù)字1、1、9、0、6，分別在LED數(shù)碼管的千位、百位、十位、個(gè)位、小數(shù)位循環(huán)顯示出來(lái)。

4 軟件程序設(shè)計(jì)

4.1 A/D轉(zhuǎn)換程序

MAIN：

MOV R0， data ；置數(shù)據(jù)首地址

MOV DPTR， 7FF8H；P2.7=0,且指向通道0

MOV R7， 02H ；置通道數(shù)

LOOP:

MOVX @DPTR，A ;啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換

MOV R6， 0AH ；軟件延遲

DLAY:

NOP ；等待

DLNZ R6，DLAY

MOVX A，@DPTR；讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果

MOV @R0，A ；存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

INC R0 ；修改數(shù)據(jù)指針

MOV DPTR， 7FF9H；P2.7=0,且指向通道1

DJNZ R7，LOOP ;2個(gè)通道查完了嗎

4.2 LED顯示程序

DISPLAY：

MOV A，R5 ；取千位碼

MOV P1，A ；顯示千位數(shù)

MOV A，R4 ；取百位碼

MOV P1，A ；顯示百位數(shù)

MOV A，R3 ；取十位碼

MOV P1，A ；顯示十位數(shù)

MOV A，R2 ；取個(gè)位碼

MOV P1，A ；顯示個(gè)位數(shù)

MOV A，R1 ；取小數(shù)位碼

MOV P1，A ；顯示小數(shù)位數(shù)

AJMP： DISPLAY ；循環(huán)顯示

4.3 非線性修正查表程序

ORG 0500H

START：

MOV A， data；偏移量送A

MOV DPTR，DTATAB0;千位數(shù)據(jù)表格地址送DPTR

MOV A , @A+DPTR ；查表

MOV R5，A ；千位數(shù)據(jù)存入R5

MOV A， data ；偏移量送A

MOV DPTR，DTATAB; ；百位數(shù)據(jù)表格地址送DPTR

MOV A , @A+DPTR ；查表

MOV R4，A ；百位數(shù)據(jù)存入R4

MOV A， data ；偏移量送A

MOV DPTR，DTATAB; ；十位數(shù)據(jù)表格地址送DPTR

MOV A , @A+DPTR ；查表

MOV R3，A ；十位數(shù)據(jù)存入R3

MOV A， data ；偏移量送A

MOV DPTR，DTATAB; 個(gè)位數(shù)據(jù)表格地址送DPTR

MOV A , @A+DPTR；查表

MOV R2，A ；個(gè)位數(shù)據(jù)存入R2

MOV A， data ；偏移量送A

MOV DPTR，DTATAB ；小數(shù)位數(shù)據(jù)表格地址送DPTR

MOV A , @A+DPTR；查表

MOV R1，A ；小數(shù)位數(shù)據(jù)存入R1

RET；返回主程

5 測(cè)試結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)數(shù)字化高度表指示器的性能，將其與磁電指針式高度表指示器在低高度(0～120米)和高高度(120米～1 200米)，對(duì)比分析顯示精度、測(cè)距誤差、響應(yīng)時(shí)間3個(gè)指標(biāo)。將高度表高度計(jì)算電路輸出的高度數(shù)據(jù)電流信號(hào)并行分為兩路，一路加到磁電式指示器輸入端，另一路加到數(shù)字化指示器輸入端。分別記錄低高度和高高度各50組高度數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)值統(tǒng)計(jì)分析。忽略指針式指示器人為讀數(shù)誤差，將顯示精度、測(cè)距誤差、響應(yīng)時(shí)間平均值計(jì)入表3和表4。

表3 低高度與磁電指針指示器性能對(duì)比

表4 高高度與磁電指針指示器性能比

可見(jiàn)，低高度數(shù)字化指示器顯示精度為0.47米，磁電式指示器顯示精度為2.5米。數(shù)字化指示器顯示誤差為高度的±0.68%，磁電式指示器顯示誤差為高度的±1.23%。在高度表變化時(shí)數(shù)字化指示器響應(yīng)時(shí)間為0.06秒，磁電式指示器響應(yīng)時(shí)間為0.82秒；高高度數(shù)字化指示器顯示精度為4.7米，磁電式指示器顯示精度為30米。數(shù)字化指示器顯示誤差為高度的±1.33%，磁電式指示器顯示誤差為高度的±3.95%。數(shù)字指示器響應(yīng)時(shí)間為0.06秒，磁電式指示器響應(yīng)時(shí)間為0.82秒。由此可見(jiàn)，本設(shè)計(jì)數(shù)字化顯示器在性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)磁電指針式高度顯示器。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)電路綜合了模擬電路分析、數(shù)字電路轉(zhuǎn)化、單片機(jī)系統(tǒng)和接口電路設(shè)計(jì)以及應(yīng)用編程的運(yùn)用，電路整體性好、兼容性高、適用范圍廣、可擴(kuò)展功能性強(qiáng)、電路設(shè)計(jì)費(fèi)用低，

在模擬電路的數(shù)字化處理方面具有一定的典型性和創(chuàng)新性。

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