王海麗，杜海龍，段照斌

（中國民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心,天津 300300）

隨著中國民航事業(yè)的飛速發(fā)展，民用航空維修對保障民航飛行安全的重要性越來越明顯，然而，研究表明：與人為因素相關(guān)的飛行事故已增至80%，并且呈現(xiàn)不斷上升的趨勢[1]。因此，對于民用航空器維修人員的培訓(xùn)工作也越來越受重視。民用航空器維修人員必須深入了解機(jī)載電子設(shè)備的工作原理，才能有效地預(yù)防故障的發(fā)生和準(zhǔn)確地進(jìn)行故障分析和故障定位，從而保障航空安全。

選擇呼叫系統(tǒng)（SEL CAL）向飛行機(jī)組提供來自管制員或航空公司地面臺站的呼叫顯示，該系統(tǒng)對于在緊急情況下保障飛機(jī)的飛行安全非常重要。每架飛機(jī)都固定有一個(gè)由4個(gè)英文字母組成的選擇呼叫編碼，地面塔臺通過VHF或HF通信系統(tǒng)發(fā)出該飛機(jī)的選擇呼叫編碼，就可以與該飛機(jī)取得聯(lián)系[2]。

在民用航空器維修培訓(xùn)過程中，由于很多現(xiàn)實(shí)條件的限制，如機(jī)載設(shè)備比較昂貴，不利于大量引進(jìn)；針對實(shí)際飛機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場培訓(xùn)，空間又受到嚴(yán)重的限制。然而，基于Goertzel算法的選擇呼叫譯碼電路的設(shè)計(jì)，可以有效解決這一問題，有利于民用航空器維修培訓(xùn)工作的順利開展。

1 設(shè)計(jì)方案

選擇呼叫譯碼電路，首先，通過友好的人機(jī)交互頁面，可以通過鍵盤設(shè)定選呼代碼的任意組合，可以模擬飛機(jī)上由程序銷釘設(shè)定的本機(jī)代碼，并通過LED顯示，更加直觀。其次，設(shè)備可制作成電池供電的便攜式設(shè)備，克服了培訓(xùn)場所的限制。再者，該設(shè)備的軟件算法性能穩(wěn)定，可靠性高，仿真和試驗(yàn)證明，該設(shè)備可以滿足機(jī)載選擇呼叫系統(tǒng)的培訓(xùn)要求。

1.1 硬件設(shè)計(jì)方案

選擇呼叫譯碼電路包括：電源模塊、譯碼電路模塊、鍵盤陣列、液晶顯示模塊、燈光指示和音頻警告模塊、485通信模塊。設(shè)備使用DC 12 V供電，譯碼電路模塊微處理芯片選擇了ATxmega32A4單片機(jī)；4×4的鍵盤陣列電路采用BCD碼的格式，16個(gè)自鎖按鍵各連接一個(gè)發(fā)光二極管，以顯示按鍵狀態(tài)；選呼信號經(jīng)過數(shù)字處理后，通過485總線到達(dá)信號傳輸控制電路，MSP430單片機(jī)控制N0KIA5110顯示液晶屏；當(dāng)呼叫代碼與本機(jī)代碼一致時(shí)，產(chǎn)生指示燈和音頻提示，整體的方案如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

飛機(jī)的選呼代碼，每一個(gè)字母對應(yīng)一種特定的音頻頻率和BCD編碼，如表1所示，16個(gè)字母能夠表示的飛機(jī)容量為

表1 選呼代碼與音頻以及BCD之間的關(guān)系Tab.1 Correspondences among selective call codes，audio frequencies and BCD codes

1架飛機(jī)的選呼代碼是由不同的4個(gè)字母組合的雙音多頻信號（DTMF），信號的編碼格式如圖2所示。

離散傅里葉變換（DFT）可用于計(jì)算N個(gè)均勻間隔頻率處的功率。Goertzel算法得到的DFT系數(shù)處于N個(gè)均勻間隔的頻率上，但是這些頻率不可能都與選擇呼叫DTMF頻率一一對應(yīng)，因此采用改進(jìn)的Goertzel算法[3-4]來檢測16個(gè)特定頻率點(diǎn)上的功率，即可得到對應(yīng)的選擇呼叫代碼。改進(jìn)的Goertzel濾波器的傳遞函數(shù)為

濾波器的遞歸部分為

濾波器的非遞歸部分為

對應(yīng)頻率點(diǎn)的DFT系數(shù)的幅度平方為

其中：fs為采樣頻率；fi是16種音頻中的一種；2cos（2π fi/fs）對于特定的頻率來說，是一個(gè)常數(shù)；N=1，2，…，k，即取 k個(gè)樣本來計(jì)算功率，與鍵盤陣列設(shè)置的本機(jī)代碼進(jìn)行比較，確定選擇呼叫代碼，主程序的流程圖如圖3所示。

2 結(jié)果與分析

選擇呼叫信號[5]是符合飛機(jī)選呼代碼編碼方式的DTMF信號，兩個(gè)字母對應(yīng)的兩種音頻信號相疊加得到的信號，如圖4（a）所示，經(jīng)頻率展寬后，可以看到脈沖寬度為 1 s，間隔為 0.2 s，如圖 4（b）所示。

在Matlab仿真平臺下產(chǎn)生DTMF信號，fs=6 144 Hz，改進(jìn)的Goertzel算法可以有效地進(jìn)行16種選擇呼叫代碼的譯碼。下面給出如式（6）所示的兩個(gè)最低頻率和最高頻率的仿真結(jié)果，圖5（a）為產(chǎn)生的DTMF的離散序列，改進(jìn)的Goertzel算法進(jìn)行譯碼的結(jié)果如圖5（b）所示，即選呼代碼為“ABRS”。

軟件仿真時(shí)，在信號源中加入不同程度的噪聲或改變每一個(gè)字母對應(yīng)音頻信號的相位和幅度等，對譯碼結(jié)果沒有影響。

硬件電路如圖6所示，測試時(shí)，通過串口調(diào)試工具連續(xù)向譯碼電路發(fā)送同一選擇呼叫代碼，與本機(jī)代碼如圖 6（b）所示的“FEPK”，即“0110，0101，1101，1010”進(jìn)行比較，若一致，則發(fā)出燈光和聲音提示，說明地面在呼叫本架飛機(jī)。統(tǒng)計(jì)呼叫概率，即期望成功的選擇呼叫次數(shù)與總試驗(yàn)次數(shù)之比[6]，結(jié)果表明，該設(shè)備能夠穩(wěn)定可靠地進(jìn)行選擇呼叫譯碼。

綜上所述，基于Goertzel算法的選擇呼叫譯碼電路能夠滿足機(jī)載選擇呼叫譯碼器所要求的具體技術(shù)指標(biāo)[7]，如表2所示。

表2 技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Technical indicators

3 結(jié)語

基于改進(jìn)Goertzel算法的選擇呼叫譯碼電路，工作電壓低，安全性高，成本低廉，操作便捷，設(shè)備工作穩(wěn)定可靠，可以有效地對飛機(jī)的選呼代碼進(jìn)行自動識別，并且可以有效解決民用航空器維修培訓(xùn)過程中，由于維修設(shè)備或場地等現(xiàn)實(shí)問題帶來的不便，有助于維修人員更加深入地理解選擇呼叫系統(tǒng)的工作原理，提高了培訓(xùn)的質(zhì)量，為航空安全提供了重要的保障，該設(shè)備的研制具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 朱麗君，劉 珂.人為因素和航空法規(guī)[M].北京:兵器工業(yè)出版社，2007.

[2] 波音公司.波音737-NG飛機(jī)維修手冊（AMM）[G].波音公司，2004.

[3] 薛曼芳.基于改進(jìn)的Goertzel算法的雙音多頻檢測器的設(shè)計(jì)[J].蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2008，15（3）：27-30.

[4] 王衛(wèi)兵，朱秋萍，徐心毅，等.Goertzel算法的一種改進(jìn)計(jì)算結(jié)構(gòu)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，53（3）：375-378.

[5] 周德新，楊代文，王 凱，等.基于FPGA的選擇呼叫信號源設(shè)計(jì)[J].自動化儀表，2009，30（5）：68-70.

[6] 張景錄.選擇呼叫設(shè)備的呼叫概率和虛呼[J].電子技術(shù)應(yīng)用，1983（8）：31-34.

[7] 波音公司.波音737-NG飛機(jī)部件維修手冊（CMM）[G].波音公司，2003.