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        某型機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)檢測平臺的硬件設(shè)計(jì)

        2011-03-08 02:27:34馬二濤
        電訊技術(shù) 2011年3期
        關(guān)鍵詞:模擬信號數(shù)字信號碼字

        馬二濤,余 濤,向 新

        (1.空軍工程大學(xué) 工程學(xué)院,西安 710038;2.解放軍94371部隊(duì),鄭州 450008;3.空軍駐西安軍代表室,西安 710077)

        1 引 言

        航空導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用于導(dǎo)航和戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的計(jì)算,以形成控制信號,保證自動、半自動或人工操縱飛行,完成導(dǎo)航信號的綜合、計(jì)算、檢測和控制,是航行駕駛綜合系統(tǒng)的神經(jīng)中樞和紐帶。它與慣導(dǎo)系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、極限信號系統(tǒng)、近導(dǎo)系統(tǒng)、火控系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、無線電高度表都有密切的信號交聯(lián)關(guān)系。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)任一軟件或硬件發(fā)生故障,都可能切斷火控、飛行控制等外部機(jī)載系統(tǒng)所需的信息來源,影響作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)的完成,甚至威脅飛行安全和飛行員生命[1]。

        導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)信號格式繁多,既有模擬信號又有數(shù)字信號[2-3],具體包括模擬角度信號、模擬直流信號、20位同步串行碼信號、32位異步雙極性碼、一次性指令信號,與外部系統(tǒng)信號交聯(lián)關(guān)系復(fù)雜,其故障不易判斷。文獻(xiàn)[4-6]針對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同檢測功能進(jìn)行過探究,但不能對全部功能進(jìn)行系統(tǒng)檢測和故障定位。

        為此,本文研制了一種自動化、模塊化、智能化高的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)檢測平臺,可以對導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、控制臺和代碼轉(zhuǎn)換裝置3種機(jī)載設(shè)備進(jìn)行故障定位和功能檢測。

        2 硬件設(shè)計(jì)

        根據(jù)檢測平臺要實(shí)現(xiàn)的功能,以工控機(jī)為硬件設(shè)計(jì)平臺,確定硬件電路的組成。檢測平臺硬件設(shè)計(jì)方案框圖如圖1所示。

        圖1 檢測平臺系統(tǒng)硬件功能框圖Fig.1 Equipment functional modules

        3 FPGA/CPLD功能模塊設(shè)計(jì)

        3.1 計(jì)算機(jī)檢測模塊

        3.1.1 模擬信號發(fā)送電路

        模擬信號發(fā)射電路如圖2所示。由工控計(jì)算機(jī)產(chǎn)生14位二進(jìn)制數(shù)據(jù)碼,數(shù)據(jù)產(chǎn)生器的發(fā)送電路分兩路向外傳輸,由于數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器輸入不帶鎖存,如何才能保證14位數(shù)據(jù)同時(shí)輸入到旋轉(zhuǎn)變壓器,D/S轉(zhuǎn)換器是非常關(guān)鍵的,在此電路的設(shè)計(jì)中選用3個(gè)74LS373地址鎖存器來實(shí)現(xiàn)此功能。在14位二進(jìn)制碼中,1、2位控制象限選擇開關(guān),給正、余弦乘法器的輸出模擬信號賦予適當(dāng)?shù)臉O性,由數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器輸出一組頻率與參考電壓頻率相同、幅度受輸入角度數(shù)碼調(diào)制的交流正弦和余弦電壓模擬信號,在地址碼的控制選通下,把兩路模擬信號分配給8組不同的數(shù)據(jù)通道。

        14位二進(jìn)制數(shù)據(jù)碼在送到數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器的同時(shí),也把信號傳送給D/A信號匹配電路,再由數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD7541ANK把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號,其中數(shù)模轉(zhuǎn)換器的5 V參考電壓是U0,輸出信號是UX。模擬信號UX在分配器的作用下分4路,并且每一路信號都與直流信號U0結(jié)成信號對。

        圖2 模擬信號發(fā)射電路Fig.2 Simulated signals transmitter circuit

        3.1.2 模擬信號接收電路

        摸擬信號接收電路如圖3所示。數(shù)據(jù)信號在工控機(jī)軟件的控制下,由數(shù)據(jù)產(chǎn)生器生成導(dǎo)航計(jì)算機(jī)接收格式的20位串行歸零碼信號,導(dǎo)航計(jì)算機(jī)接收到碼字信號后,把接收來的20位串行碼字沿兩路轉(zhuǎn)換成模擬信號。

        一方面,把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成8對模擬角度信號,由八選一數(shù)據(jù)選擇開關(guān)選通一對正余弦信號。角度/數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸入模擬信號引腳為S1、S2、S3、S4,接旋轉(zhuǎn)變壓器的四輸出。使能信號控制端“EN”:當(dāng)工控機(jī)需要讀取轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)時(shí),可以通過讀取控制字將“EN”端設(shè)置為低電平。禁止信號輸入端“INH”,若“INH”為高電平,角度數(shù)據(jù)量就可打入鎖存器,通過轉(zhuǎn)換器的輸出引腳輸出至工控機(jī)ISA總線;數(shù)據(jù)輸出端1~14為二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出端,1為最高位(MSB),14為最低有效位(LSB)。

        另一方面,由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)輸出的模擬信號又分成4組,經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD1674JNZ轉(zhuǎn)換后,把模擬-4~+4 V之間的直流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

        轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號經(jīng)過ISA接口,由數(shù)據(jù)讀取電路把16位串行數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成并行信號,最后變成八進(jìn)制碼在綜合顯示器上進(jìn)行顯示。這時(shí),可以把顯示的數(shù)字信號與之前輸入的信息進(jìn)行比對,以判斷導(dǎo)航計(jì)算機(jī)是否正確轉(zhuǎn)換。

        圖3 模擬信號接收電路Fig.3 Simulated signals receiver circuit

        3.2 控制臺檢測模塊

        檢測平臺同步碼產(chǎn)生電路產(chǎn)生兩路讀/寫有效信號和同步脈沖,控制寄存器接收控制臺傳輸?shù)綑z測平臺的20位歸零碼,由20位碼接收電路對歸零碼進(jìn)行采樣,采樣后轉(zhuǎn)換成單極性20位同步碼,地址產(chǎn)生電路生成0000、0001、0010、00114種地址碼,4種地址碼與信息碼字地址進(jìn)行比較,從而識別出CΠ 0~CΠ 34種碼字中的一種,然后由譯碼處理模塊對其中一種碼字進(jìn)行譯碼。串行碼譯碼電路的功能是將輸入緩沖區(qū)的20位串行碼(CΠ 0~CΠ 3)取出,并按20位碼的編碼格式翻譯成yΠ 0~yΠ 3格式的碼字后送入顯示緩沖區(qū),再由信息處理單元對碼字進(jìn)行信息加載,加載后生成的20位串行碼送到發(fā)送電路,發(fā)送電路把20位串行碼轉(zhuǎn)換成20位歸零碼,最后發(fā)送yΠ 0~yΠ 34種碼字的一種到控制臺??刂婆_檢測電路如圖4所示。

        圖4 控制臺檢測電路Fig.4 Console test circuit

        3.3 代碼轉(zhuǎn)換裝置檢測模塊

        3.3.1 20位同步碼轉(zhuǎn)換成32位雙極性碼電路

        20位碼加載模塊以并行碼方式把寄存器中的數(shù)據(jù)信息送到發(fā)送電路,與此同時(shí),檢測平臺同步脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生發(fā)送碼選通脈沖信號“CBK”、“CN”和“80CN”同步脈沖,在3種脈沖的觸發(fā)下,20位同步碼發(fā)送電路以兩個(gè)通道向代碼轉(zhuǎn)換裝置循環(huán)發(fā)送20位歸零碼,代碼轉(zhuǎn)換裝置接收碼字后,轉(zhuǎn)換成32位雙極性碼,32位碼接收電路把32位雙極性碼轉(zhuǎn)換成32位單極性碼,同步時(shí)鐘提取電路輸出選通脈沖,對同步信號(碼字起始信號)進(jìn)行提取。輸出的32位碼字經(jīng)過碼字采樣電路進(jìn)行精確采樣,采樣后與地址接收電路寄存器中的地址進(jìn)行比對,經(jīng)比對一致后,數(shù)據(jù)信息放入鎖存器。同時(shí),經(jīng)過組合地址選擇開關(guān)選擇接通某一個(gè)碼字,再經(jīng)過信息提取電路,提取有效的16位數(shù)據(jù)信息,然后由工控機(jī)通過ISA總線讀取16位數(shù)據(jù)信息。最后,在工控機(jī)綜合顯示面板上以6位八進(jìn)制的形式顯示數(shù)據(jù)信息。其電路如圖5所示。

        圖5 20位同步碼轉(zhuǎn)換32位雙極性碼電路Fig.5 Circuit for coverting 20-bit synchronization code to 32-bit double pole code

        3.3.2 20位串行碼發(fā)送電路

        20位串行碼發(fā)射電路在檢測模塊中多次用到,圖6是數(shù)字電路芯片中20位碼發(fā)射電路圖。

        圖6 20位串行碼發(fā)射電路Fig.6 20-bit serial code transmitter circuit

        由“COUNT16”地址碼產(chǎn)生電路產(chǎn)生第20位到17位的4位組合地址碼,A20、A18、A17、A16組成控制電路,由“DATA-ENCODE1”數(shù)據(jù)加載模塊產(chǎn)生的16位數(shù)據(jù)和4位地址碼共同組合成20位并行碼D[19…0]??刂齐娐房刂艱[19…0]20位并行碼送到發(fā)射電路。由幾個(gè)邏輯門電路組成選通電路,由選通電路控制發(fā)射電路的“LOAD”端口,對20位并行碼在發(fā)射電路中進(jìn)行數(shù)據(jù)加載,在發(fā)射電路中,20位串行碼轉(zhuǎn)換成并行碼。當(dāng)發(fā)射條件滿足時(shí),在發(fā)送選通脈沖“CbK1”和同步脈沖“CLK-20”產(chǎn)生的CLK 時(shí)鐘觸發(fā)下,發(fā)射20位串行碼,20位串行碼再與CLK進(jìn)行異或,最終在ser-out1輸出端口產(chǎn)生符合機(jī)載設(shè)備碼字要求的20位歸零串行碼。圖7是發(fā)射電路的仿真圖,其中,Start1是使能信號,cbk1為發(fā)送選通信號,clk-20為同步時(shí)鐘,ser-out1為輸出信號。

        圖7 20位串行碼發(fā)射電路仿真圖Fig.7 Simulation result of 20-bit serial code transmitter circuit

        4 結(jié)束語

        檢測平臺檢測功能更加全面,不但可以對單個(gè)機(jī)載設(shè)備檢測,而且可實(shí)現(xiàn)對組合系統(tǒng)的聯(lián)測。該檢測平臺的設(shè)計(jì)打破了對國外技術(shù)的依賴,檢測平臺硬件數(shù)字電路設(shè)計(jì)采用5個(gè)可編程邏輯器件,提高了處理效率和抗干擾能力。由于器件的可編程特性,可以在不改變外接口的情況下,修改內(nèi)部邏輯編程,電路功能的修改、系統(tǒng)維護(hù)、升級十分方便,減小了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn),節(jié)約了研發(fā)資金。但是該平臺還存在較多可以改進(jìn)的地方,如采用PC104作為開發(fā)平臺,設(shè)計(jì)一款外場便攜小型導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合檢測平臺,如果小型化研制成功,可以在各作戰(zhàn)部隊(duì)進(jìn)行推廣,對于提高飛機(jī)維護(hù)質(zhì)量和維修效率有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

        [1]李建海,郝順義,鄧勇,等.飛機(jī)電子設(shè)備與維護(hù)[M].西安:空軍工程大學(xué)出版社,2002.LI Jian-hai,HAO Shun-yi,DENG Yong,et al.Synthesis Aviation Radio Navigation System[M].Xi′an:Air Force Engineering University Press,2002.(in Chinese)

        [2]黃勝,肖漢,張宗麟.基于DSP的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2004,24(1):82-84.HUANG Sheng,XIAO Han,ZHANG Zong-lin.Research on the Design of the Communication for A Navigation Computer Based on DSP[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2004,24(1):82-84.(in Chinese)

        [3]馬二濤,李建海,劉保華,等.某型機(jī)載近距導(dǎo)航設(shè)備檢測儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電訊技術(shù),2010,50(3):69-72.MA Er-tao,LI Jian-hai,LIU Bao-hua,et al.Design and Realization of the Check-UP Equipment of Airborne Short-Rang-Navigation System[J].Telecommunication Engineering,2010,50(3):69-72.(in Chinese)

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        [5]許蕾.導(dǎo)航計(jì)算機(jī)控制臺檢測設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京:南京航空航天大學(xué),2007.XU Lei.The design and Realization of Control Device Test E-quipment[D].Nanjing:Nanjing University of Aeronautics andAstronautics,2007.(in Chinese)

        [6]馬迎建,韓玉敏,潘江江.一種導(dǎo)航計(jì)算機(jī)檢測設(shè)備[J].電子測量技術(shù),2008,31(12):89-91.MA Ying-jian,HAN Yu-min,PAN Jiang-jiang.Navigation Computer Testing Equipment[J].Electronic Measurement Technology,2008,31(12):89-91.(in Chinese)

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