一種相機總線數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)改進(jìn)研究

趙育良，王淑娟，王穎穎

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，青島 266041）

1 引 言

近年來，為滿足海軍航空裝備戰(zhàn)略發(fā)展的需要，新型偵察裝備的性能和自動化程度得到跨越式發(fā)展，偵察系統(tǒng)需要實時獲取飛行高度、速度、地理坐標(biāo)、姿態(tài)等信號，以滿足偵察設(shè)備自動調(diào)焦系統(tǒng)、像移補償系統(tǒng)及數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)等子系統(tǒng)的需要，航空相機與其他機載設(shè)備的交聯(lián)程度大大加深。 為了滿足航空偵察裝備內(nèi)場檢測的要求，需在內(nèi)場工作房中即可提供所需的總線數(shù)據(jù)，解決無法在地面檢測總線數(shù)據(jù)端口及上述子系統(tǒng)狀態(tài)的問題。 前期已研制了以51 單片機為核心，輔以HS3282 和HS3182 等接口芯片以及M－240128T 液晶顯示的總線數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖能基本滿足某偵察設(shè)備地面檢測的需要，但接口電路復(fù)雜、可靠性較差、體積大，且使用模式固化，一定程度上制約了仿真系統(tǒng)效益的發(fā)揮。 基于此，本文以PC104 嵌入式系統(tǒng)為核心，利用ZHHK429－PC104－Plus 板卡和自研的ARINC407 接口卡，結(jié)合25.4cm（10 in）工業(yè)級觸控彩色顯示屏對原系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，使其具備結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、便攜及使用模式靈活等特點。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計［2 －5］

該相機主要裝備在某運輸機平臺，是由前續(xù)型改進(jìn)實現(xiàn)的。 相機改進(jìn)后，實現(xiàn)了相機的全數(shù)字控制，并與飛機大氣數(shù)據(jù)計算機、慣導(dǎo)設(shè)備交聯(lián)，自動引入飛機速度v 和飛行高度H，還提供了GPS 作為備份設(shè)備，當(dāng)交聯(lián)系統(tǒng)故障時提供所需數(shù)據(jù)，大大提高了相機的自動化與準(zhǔn)確性，為獲得高分辨率提供了保證。 同時，相機還將經(jīng)度、緯度、高度、飛機姿態(tài)等信息送入相機數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，使獲取的照片信息更加豐富，為后續(xù)對相機所攝取照片的判讀及情報生成提供了重要的支撐。

相機系統(tǒng)的組成如圖1 所示，某型偵察設(shè)備所對應(yīng)的飛機平臺與之交聯(lián)的設(shè)備主要有機載慣性導(dǎo)航設(shè)備和大氣數(shù)據(jù)計算機， 慣導(dǎo)設(shè)備以ARINC561 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范輸出經(jīng)度、緯度、速度、航向等總線數(shù)據(jù)，并經(jīng)總線數(shù)據(jù)交聯(lián)盒轉(zhuǎn)換成ARINC429總線數(shù)據(jù)格式，提供給相機系統(tǒng)，大氣數(shù)據(jù)計算機則依據(jù)ARINC407 標(biāo)準(zhǔn)，為相機系統(tǒng)提供高度數(shù)據(jù)，以保證航空偵察設(shè)備相應(yīng)子系統(tǒng)的正常工作。為了實現(xiàn)上述兩類總線數(shù)據(jù)的模擬，使相機系統(tǒng)能夠在地面完成通電檢查的維護工作，改進(jìn)的總線數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)以PC104 嵌入式系統(tǒng)為核心，通過ZHHK429－PC104－Plus 板卡，按照HB6096－86 標(biāo)準(zhǔn)要求，實現(xiàn)機載慣性導(dǎo)航設(shè)備ARINC429 總線數(shù)據(jù)的模擬發(fā)送，通過PC104 嵌入式系統(tǒng)所提供的串口設(shè)備與自研的ARINC407 總線數(shù)據(jù)接口板實現(xiàn)信息交互，并實現(xiàn)大氣數(shù)據(jù)計算機ARINC407 總線數(shù)據(jù)的模擬發(fā)送。 模擬的總線數(shù)據(jù)主要包括飛行速度、飛行高度、經(jīng)度及緯度等。 整個總線數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)以嵌入式工業(yè)控制計算機為核心，通過ARINC429 總線數(shù)據(jù)板卡、ARINC407 總線數(shù)據(jù)仿真板及A／D 數(shù)據(jù)采集卡，輔以串口通訊板、開關(guān)電源及外部接口端子板等，實現(xiàn)兩類總線數(shù)據(jù)的模擬輸出，其系統(tǒng)總體組成框圖如圖2 所示。

圖1 相機系統(tǒng)的組成示意圖Fig．1 Schematic diagram of a camera system

圖2 總線數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)組成框圖Fig．2 Block diagram of the system composition

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計［6 －11］

系統(tǒng)硬件的構(gòu)建是基于研祥PC／104－Plus 工控機104－1816CL2NA 虛擬儀器系統(tǒng)實現(xiàn)的，根據(jù)功能設(shè)計要求，分為串口數(shù)據(jù)通訊模塊、ARINC429 總線接口模塊、ARINC407 總線接口模塊、AD 數(shù)據(jù)采集模塊等，這里重點介紹兩類總線接口模塊的設(shè)計。

3．1 ARINC429 總線數(shù)據(jù)的模擬［12，13］

飛機上慣導(dǎo)輸出數(shù)據(jù)為ARINC561 數(shù)據(jù)，經(jīng)過交聯(lián)盒轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的ARINC429 總線數(shù)據(jù)，將經(jīng)度、緯度、速度等數(shù)據(jù)送至相機操縱器。 因此，總線數(shù)據(jù)需要按照相應(yīng)的通信協(xié)議對其進(jìn)行模擬發(fā)送。作為一種串行航空總線數(shù)據(jù)，ARINC429 總線數(shù)據(jù)規(guī)范是由美國航空電子工程委員會（AEEC）制定的。 總線以雙絞屏蔽線為傳輸介質(zhì)進(jìn)行單向廣播式異步傳輸，每條總線上允許有1 個發(fā)送器，最多可以掛接20 個接收器，總線利用標(biāo)志碼來區(qū)分設(shè)備及相關(guān)信號的名稱。 傳輸速度分高低兩檔，分別是100 Kb／s 和12.5 Kb／s，以脈沖的形式發(fā)送，采用雙極歸零的方式進(jìn)行調(diào)制，如圖3 所示。

圖3 ARINC429 雙極歸零信號Fig．3 ARINC429 bipolar return?to?zero

ARINC429 的每個數(shù)據(jù)包（幀）共包含32 位數(shù)據(jù)，先傳輸?shù)臀?，后傳輸高位，在連續(xù)傳輸?shù)淖峙c字之間至少要有4 個數(shù)據(jù)位的時間間隔。 32 位數(shù)據(jù)由五個基本區(qū)域組成，分別為奇偶校驗位（32）、符號狀態(tài)位（29－31）、數(shù)據(jù)位（11－28）、源／目的標(biāo)識碼（9－10）及標(biāo)志位（1－8），如圖4 所示。

圖4 ARINC429 的數(shù)據(jù)組成Fig．4 Data composition of ARINC429

ARINC429 總線數(shù)據(jù)的模擬可以通過多種方法實現(xiàn)，例如，使用單片機結(jié)合HS－3282 芯片（以及HS－3182 芯片）實現(xiàn)。 但是其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自身為16 位數(shù)據(jù)總線，還需要另外設(shè)計邏輯電路來轉(zhuǎn)化為8 位數(shù)據(jù)總線，增加了硬件電路的復(fù)雜程度。 基于此，本項目使用PC104 工控機驅(qū)動板卡產(chǎn)生ARINC429 信號的方法，在滿足ARINC429 總線規(guī)范要求的同時，避免了硬件電路系統(tǒng)的復(fù)雜化，同時增加了系統(tǒng)的可靠性。

ARINC429 總線接口模塊設(shè)計使用ZHHK429－PC104－Plus 寬溫總線板卡，提供標(biāo)準(zhǔn)的DLL，包含大量接口函數(shù)，包括ARINC429 的所有基本操作，支持多語言開發(fā)平臺。 PC104 工控機驅(qū)動板卡可產(chǎn)生ARINC429 電平信號。 系統(tǒng)通過主程序設(shè)置經(jīng)度、緯度、航向、速度等機載設(shè)備數(shù)據(jù)，按照預(yù)定的協(xié)議對其進(jìn)行編碼，通過總線數(shù)據(jù)板卡實現(xiàn)雙極歸零碼的格式轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后的ARINC429 數(shù)據(jù)發(fā)送至相機操縱器，由操縱器的總線數(shù)據(jù)接口板接收數(shù)據(jù)，完成ARINC429 數(shù)據(jù)的模擬發(fā)送。

ZHHK429－PC104－Plus 寬溫總線板卡使用前無需再進(jìn)行硬件配置，其初始化過程完全是由軟件設(shè)置完成的。 而對于基地址，不是板卡自動分配的，需要利用跳線對板卡手動配置。 該板卡使用Memory空間，通過跳線設(shè)置基址，其空間大小為4 Kb。 如0xD8000－0xD8FFF 可用，則通過跳線設(shè)置基址為0xD8000。 在本項目中，主要用到的是ARINC429 數(shù)據(jù)的模擬發(fā)送，因此，主要關(guān)注其發(fā)送功能，選型的板卡是“兩收兩發(fā)”的，即發(fā)送通道只有1－4 腳是有效腳（對應(yīng)2 個發(fā)送通道）。 在硬件設(shè)計調(diào)試中，使用的是其中的管腳1 和管腳2 模擬機上ARINC429總線數(shù)據(jù)的發(fā)送。

3．2 ARINC407 總線數(shù)據(jù)的模擬

某機載大氣數(shù)據(jù)計算機輸出的氣壓高度采用自整角機三線模擬同步信號，自整角機為一種感應(yīng)式的、具有自動整步能力的微特電動機，實現(xiàn)其機械轉(zhuǎn)角信號與電信號之間的相互轉(zhuǎn)換，精度和可靠性高，可在惡劣環(huán)境下工作，在航空裝備中得以廣泛應(yīng)用。 自整角機模塊將信號送往相機操縱器的總線數(shù)據(jù)接口板，完成ARINC407 總線數(shù)據(jù)的接收與轉(zhuǎn)換。 相機適配板采用12ZSZ 自整角機／數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，將大氣數(shù)據(jù)計算機送入的自整角機信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；同時，由操縱器的總線數(shù)據(jù)端口的第13、14 腳引入26 V、400 Hz 的參考交流信號。 為了與之匹配，本項目設(shè)計的ARINC407 總線數(shù)據(jù)模擬，是通過自行設(shè)計的以12SZZ 數(shù)字／自整角機轉(zhuǎn)換模塊為核心的ARINC407 總線數(shù)據(jù)接口板實現(xiàn)的。

根據(jù)上述功能設(shè)計需求，ARINC407 總線數(shù)據(jù)接口板主要由AT89C52 單片機、12SZZ 數(shù)字／自整角機轉(zhuǎn)換模塊和逆變電源模塊組成。 其中，單片機采用的是AT89C52 單片機，主要完成兩個功能：一是通過串口實現(xiàn)與PC104 嵌入式單板機的通訊，當(dāng)接到數(shù)據(jù)發(fā)送指令時，完成高度數(shù)據(jù)的接收及更新；二是利用地址鎖存功能，將高度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成12位數(shù)字信號送入12SZZ，形成自整角機信號，通過總線數(shù)據(jù)接口將數(shù)據(jù)送入操縱器。 接口板上的逆變電源除了給12SZZ 提供26 V、400 Hz 交流參考信號，還同時給相機操縱器中的適配板提供參考信號。

ARINC407 總線數(shù)據(jù)接口板電路原理圖的局部電路如圖5 所示。 為了增強單片機的驅(qū)動能力，在電路的數(shù)據(jù)總線中加入了74LS245 芯片。 由于接口板中所使用的單片機為8 位單片機，而12SZZ 則是12 位精度的轉(zhuǎn)換器，因此需要利用74LS373 鎖存器分別對P0 口輸出的低八位和高四位數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存輸出，從而將模塊需要的12 位數(shù)字量輸入并完成轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行模擬發(fā)送。

圖5 ARINC407 總線數(shù)據(jù)接口板電路原理圖（局部）Fig．5 ARINC407 bus data interface board circuit schematic（partial）

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計［15］

總線數(shù)據(jù)仿真器的軟件部分主要完成數(shù)據(jù)的輸入、處理、發(fā)送及顯示等功能。 軟件是基于Windows Embedded XP 操作系統(tǒng)結(jié)合LabVIEW 圖形化編程軟件開發(fā)的，該操作系統(tǒng)具有可靠性高、實時性強的特點，適合高速數(shù)據(jù)采集及信號處理需求，而LabVIEW 則提供了與示波器及萬用表等傳統(tǒng)儀器極其相似的控件，其豐富的函數(shù)庫對接口控制、數(shù)據(jù)處理與顯示有良好的支撐作用，可以方便地設(shè)計定義圖形化界面。 軟件首先對總線數(shù)據(jù)仿真板卡進(jìn)行參數(shù)配置，再按照ARINC407 及ARINC429 協(xié)議，將待發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后發(fā)送到接收設(shè)備（相機操縱器）。

對于某機載航空相機系統(tǒng)，通過操縱內(nèi)部的總線數(shù)據(jù)接口板，結(jié)合交聯(lián)盒實現(xiàn)與機載慣導(dǎo)設(shè)備交聯(lián)，實時以12.5 Kb／s 的速率接收記錄并分發(fā)經(jīng)度、緯度、速度及姿態(tài)等ARINC429 總線數(shù)據(jù)信息。 總線數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)則需按照相關(guān)協(xié)議要求，將預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)以同樣速率和ARINC429 總線數(shù)據(jù)格式定時向操縱器發(fā)送。 因此，工控機端主程序要實現(xiàn)包括數(shù)據(jù)設(shè)置、數(shù)據(jù)編碼以及驅(qū)動PC104 板卡將預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成雙級歸零信號，并將其定時發(fā)送至操縱器相關(guān)總線數(shù)據(jù)端口的功能。

為了實現(xiàn)上述功能，主程序需引用ZHHK429－PC104－Plus 板卡提供的動態(tài)鏈接庫及相應(yīng)的頭文件，并通過動態(tài)庫封裝的接口函數(shù)ARINC429＿Open、ARINC429＿Reset、RX＿Configure、TX＿Configure等實現(xiàn)板卡的驅(qū)動及總線數(shù)據(jù)的發(fā)送。 首先打開并復(fù)位板卡，復(fù)位發(fā)送通道并對其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，啟動發(fā)送器使能后，發(fā)送預(yù)設(shè)的總線數(shù)據(jù)，其程序流程如圖6 所示。

圖6 ARINC429 總線數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖Fig．6 ARINC429 bus data transmission flow block diagram

根據(jù)軟件設(shè)計要求，系統(tǒng)還專門設(shè)計了ARINC407總線數(shù)據(jù)接口板，實現(xiàn)高度數(shù)據(jù)的模擬發(fā)送，工控機通過串口通訊板，將預(yù)設(shè)高度數(shù)據(jù)傳輸至ARINC407 總線數(shù)接口板，接口板則通過單片機IO口接收來自工控機A／D 轉(zhuǎn)換卡的通訊請求信號，一旦收到信號， 即將緩存中的高度數(shù)據(jù)刷新。ARINC407 總線數(shù)據(jù)接口板的核心是8 位51 單片機及12SZZ 轉(zhuǎn)換模塊，系統(tǒng)通過鎖存器實現(xiàn)了鎖存輸入12 位數(shù)字量，12SZZ 模塊則將12 位數(shù)字量轉(zhuǎn)換輸出三線同步器旋變模擬信號，根據(jù)數(shù)字定義，其滿量程為4096，再根據(jù)其協(xié)議中定義的高度值，可解算出1 個量化值對應(yīng)的實際高度值。

根據(jù)上述硬件設(shè)計，12SZZ 轉(zhuǎn)換模塊的高8 位鎖存地址為0xefff，而低8 位鎖存地址為0xdfff。 這樣，單片機只需對上位機給定的高度數(shù)據(jù)按要求轉(zhuǎn)換，并分別將數(shù)據(jù)送入相應(yīng)的數(shù)據(jù)端口即可。

unsigned char xdata SZZ＿H1 ＿at＿ 0xdfff；／ ／定義低8 位數(shù)據(jù)外部地址

unsigned char xdata SZZ＿L1 ＿at＿ 0xefff；／ ／定義高8 位數(shù)據(jù)外部地址

LongtoData（T＿long＿gd）；／ ／數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

SZZ＿LH ＝1；／ ／發(fā)送使能

SZZ＿H1 ＝tmptdda［1］；

SZZ＿L1 ＝tmptdda［0］；

SZZ＿LH ＝0；／ ／使能關(guān)閉

5 系統(tǒng)測試

按照系統(tǒng)方案的技術(shù)指標(biāo)要求及相關(guān)測試大綱，對系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試內(nèi)容主要包括：

（1）利用總線數(shù)據(jù)仿真器，設(shè)置并發(fā)送兩類航空總線數(shù)據(jù)，比對設(shè)置數(shù)據(jù)及操縱器顯示數(shù)據(jù)，判定發(fā)送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及精度；

（2）持續(xù)開機12 h，測試系統(tǒng)的穩(wěn)定及可靠性；

（3）請專業(yè)人員按規(guī)程操作，測試人機交互界面。

經(jīng)12 h 以上的連續(xù)運行測試未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，各級導(dǎo)航界面視覺效果好，操作程序簡便，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。 與原總線數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)相比，采用圖形化界面，人機體驗更好；重量減小近1.5 kg，體積更加緊湊，便攜性更好；采用工業(yè)級板卡和寬溫顯示設(shè)備，可靠性更高；新系統(tǒng)能夠依據(jù)相關(guān)規(guī)程要求完成總線數(shù)據(jù)模擬，符合設(shè)計要求。

6 結(jié)束語

基于PC104 嵌入式系統(tǒng)的新型便攜式飛機導(dǎo)航數(shù)據(jù)仿真器，利用ZHHK429－PC104－Plus 板卡和自研的ARINC407 接口卡，結(jié)合25.4 cm（10 in）工業(yè)級觸控彩色顯示屏，對原系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，實現(xiàn)了機載慣導(dǎo)設(shè)備和大氣數(shù)據(jù)計算機的數(shù)據(jù)仿真輸出，使相機在工作間內(nèi)即可完成全狀態(tài)通電。經(jīng)測試，與改進(jìn)前的設(shè)計相比，其人機交互體驗更好、可靠性更高、便攜性更好，為新型偵察裝備效能的發(fā)揮起到重要支撐作用。