張則源

摘要：分析了某型平視顯示器的功能和技術(shù)指標(biāo)，給出了平視顯示器檢測(cè)儀的技術(shù)指標(biāo)，提出了隨機(jī)掃描板、光機(jī)測(cè)試臺(tái)等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，給出了檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：平視顯示器;檢測(cè)儀;隨機(jī)掃描板;精度校準(zhǔn)

1 研究?jī)?nèi)容

平視顯示器（簡(jiǎn)稱平顯）是顯示與控制分系統(tǒng)的終端顯示裝置，通過光學(xué)組件將顯示控制處理機(jī)發(fā)送來的導(dǎo)航、進(jìn)場(chǎng)、著陸和攻擊等圖像信息，以外界真實(shí)景物為背景顯示在飛行員的前方，供飛行員了解飛機(jī)狀態(tài)，操控飛機(jī)進(jìn)行攻擊等操作。研制平視顯示器檢測(cè)儀能為平顯提供檢測(cè)修理和保障手段。

為保證攻擊精度，平顯對(duì)顯示畫面的位置精度有較高要求，需要對(duì)平顯光路和顯示精度進(jìn)行校準(zhǔn)，研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：

1）研究隨機(jī)掃描法的實(shí)現(xiàn)方法，研制隨機(jī)掃描板，輸出滿天星畫面和方格畫面，提供精度調(diào)試的激勵(lì)信號(hào)，輸出導(dǎo)航畫面，方便觀察平顯畫面顯示質(zhì)量。

2）研究光路測(cè)量方法，研制光機(jī)測(cè)試臺(tái)，為平顯提供光路調(diào)試的光學(xué)基準(zhǔn)。

3）研究檢測(cè)儀軟件的實(shí)現(xiàn)方法，要求具有良好的人機(jī)操作界面，操作簡(jiǎn)便。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 總體設(shè)計(jì)

平顯檢測(cè)儀由檢測(cè)儀和光機(jī)測(cè)試臺(tái)兩部分組成。檢測(cè)儀使用7U機(jī)箱，采用PC104計(jì)算機(jī)作為控制計(jì)算機(jī)，由隨機(jī)掃描板、繼電器模塊、液晶屏、觸摸屏和電源模塊組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)平顯的供電、控制和激勵(lì)信號(hào)的輸出，其中隨機(jī)掃描板為檢測(cè)儀的核心模塊，圖1為檢測(cè)儀的原理框圖，圖2為檢測(cè)儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

光機(jī)測(cè)試臺(tái)由主導(dǎo)軌、橫向副導(dǎo)軌、縱向副導(dǎo)軌、經(jīng)緯儀安裝板、平顯安裝支座、平行光管龍門架和平行光管組成，是平顯的光路、視差和顯示精度調(diào)校的光學(xué)基準(zhǔn)。圖3為光機(jī)測(cè)試臺(tái)的結(jié)構(gòu)圖。

2.2 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

檢測(cè)儀應(yīng)能輸出給平顯基準(zhǔn)畫面信號(hào)，其電壓信號(hào)應(yīng)穩(wěn)定、可靠，電壓轉(zhuǎn)換為角度后的誤差小于30”，光機(jī)測(cè)試臺(tái)應(yīng)能穩(wěn)定地安裝平視顯示器，保證平顯的光軸與平行光管的光軸保持一致，主要技術(shù)指標(biāo)如下。

1）輸出滿天星畫面、網(wǎng)格畫面和導(dǎo)航畫面的激勵(lì)信號(hào)，要求X和Y偏轉(zhuǎn)電壓精度誤差≤lOmV。

2）光機(jī)測(cè)試臺(tái)平行光管總視場(chǎng)為30°，格值為10′，視場(chǎng)角精度要求：0°～±5°范圍內(nèi)≤1，±5°～±10°范圍內(nèi)≤1.5，±10°～±15°范圍內(nèi)≤2。

3）光機(jī)測(cè)試臺(tái)安裝架光軸應(yīng)與平行光管的光軸保持一致，偏差≤30”。

2.3 檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀以PC104工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為控制主體，采用總線結(jié)構(gòu)，將隨機(jī)掃描板、繼電器板等控制單元以模塊形式安裝在總線上，通過應(yīng)用軟件，以觸摸的方式進(jìn)行控制，其中隨機(jī)掃描板、光機(jī)測(cè)試臺(tái)均為自行研制。

1）隨機(jī)掃描板的研制

隨機(jī)掃描板用于產(chǎn)生滿天星畫面、導(dǎo)航畫面和網(wǎng)格畫面，為顯示畫面的精度調(diào)整提供基準(zhǔn)，其畫面掃描方式為隨機(jī)掃描方式。隨機(jī)掃描板沒有通用模塊可用，需要自研，是檢測(cè)儀的核心板塊，主要輸出X、Y和Z三路信號(hào)，其中X、Y為偏轉(zhuǎn)信號(hào)（見圖4），是VP-P=±20V的差分模擬信號(hào)，為滿足誤差小于30”的要求，誤差應(yīng)≤±lOmV。Z信號(hào)為輝亮信號(hào)。

隨機(jī)掃描板主要由FPGA、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片等構(gòu)成，畫面的信息存儲(chǔ)在FPGA存儲(chǔ)芯片內(nèi)，核心模塊采用Verilog硬件描述語(yǔ)言編寫，控制圖像數(shù)據(jù)的發(fā)送。圖5為滿天星畫面，用于顯示畫面中各位置點(diǎn)的精度調(diào)整，圖6為網(wǎng)格畫面，能方便觀察顯示畫面的正交性，圖7為常用的導(dǎo)航畫面，能直觀觀察平顯畫面的顯示質(zhì)量。

2）光機(jī)測(cè)試臺(tái)

光機(jī)測(cè)試臺(tái)為平視顯示器顯示畫面的比例尺、正交性等提供基準(zhǔn)，能對(duì)平顯顯示視場(chǎng)進(jìn)行測(cè)定，對(duì)平顯視差進(jìn)行測(cè)量，顯示字符的位置精度以便調(diào)試。檢測(cè)光機(jī)測(cè)試臺(tái)由主導(dǎo)軌、橫向副導(dǎo)軌、縱向副導(dǎo)軌、經(jīng)緯儀安裝板、平顯安裝支座、平行光管龍門架和平行光管組成。

a.主導(dǎo)軌

主導(dǎo)軌基座材料為鑄鐵，尺寸為1500mm×300mm×90mm，配標(biāo)尺。移動(dòng)導(dǎo)軌為精密線性滑塊導(dǎo)軌，長(zhǎng)1500mm，測(cè)量段內(nèi)的平直度誤差≤±30”，主導(dǎo)軌有可鎖緊的調(diào)平手輪，用于調(diào)平，調(diào)平范圍為20mm，調(diào)平精度≤1，配裝水準(zhǔn)儀，水泡格值為30”。

b.橫向副導(dǎo)軌和縱向副導(dǎo)軌

橫向副導(dǎo)軌為精密線性滑塊導(dǎo)軌，采用精密滾珠絲杠傳動(dòng)，手輪驅(qū)動(dòng)，剛性鎖緊，不銹鋼防塵罩，配標(biāo)尺，行程>300mm，導(dǎo)軌直線度≤20μm。

c.平行光管龍門架

架體采用優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼材料，可通過螺栓對(duì)平行光管在上下、俯仰、方位和橫滾多個(gè)方位進(jìn)行調(diào)節(jié)，上下調(diào)節(jié)范圍大于200mm，俯仰、方位角度調(diào)節(jié)范圍大于±5°，橫滾角度調(diào)節(jié)范圍大于±l°，調(diào)節(jié)精度為l。

d.平行光管

平行光管是光機(jī)測(cè)試臺(tái)的核心部件和基準(zhǔn)，由高精度的透鏡組、分劃板、照明系統(tǒng)組成。總視場(chǎng)為30°，出瞳位于該系統(tǒng)出射透鏡最后一個(gè)面上，有效口徑不小于ψlOOmm，顯示分劃圖案為正方形網(wǎng)格，格值為10，視場(chǎng)角精度要求：0°～±5°范圍內(nèi)≤1，±5°～±10°范圍內(nèi)≤1.5，±10°～±15°范圍內(nèi)≤2。分劃線采用黑色，背景采用白光LED照明，亮度可調(diào);平行光管在升降、方位、俯仰方向可調(diào)。

3）軟件的設(shè)計(jì)

應(yīng)用軟件采用Microsoft Visual C++6.O編寫和編譯，實(shí)現(xiàn)對(duì)隨機(jī)掃描板和繼電器板的控制，控制隨機(jī)掃描板發(fā)送滿天星基準(zhǔn)畫面或?qū)Ш疆嬅?，控制繼電器板實(shí)時(shí)顯示導(dǎo)線的通斷狀態(tài)。軟件能提示當(dāng)前平視顯示器的工作狀態(tài)，盡可能地方便操作人員的操作，同時(shí)提供觸摸控制功能，具有操作簡(jiǎn)單、人機(jī)界面友好的特點(diǎn)，操作界面見圖8。

3 關(guān)鍵技術(shù)

隨機(jī)掃描板的研制是檢測(cè)儀的關(guān)鍵技術(shù)，圖9為隨機(jī)掃描板的原理框圖。通過ISA總線接受上位機(jī)傳來的指令，控制核心模塊產(chǎn)生X、Y數(shù)字量偏轉(zhuǎn)信號(hào)，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊接受數(shù)字量偏轉(zhuǎn)信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)換為差分模擬信號(hào)輸出。

核心模塊采用FPGA芯片（ALTERA公司的EP3C25F324），用verilog語(yǔ)言編寫，圖像信息存儲(chǔ)在FPGA存儲(chǔ)芯片（EPCS16）內(nèi)。設(shè)計(jì)時(shí)，先用軟件反復(fù)進(jìn)行仿真測(cè)試。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采用AD768高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器、AD780高精度基準(zhǔn)電壓、AD811高性能視頻運(yùn)放和AD826高速低功耗雙運(yùn)放實(shí)現(xiàn)，該電路溫漂小，輸出誤差小于lOmV，轉(zhuǎn)換為角度后的誤差小于1，精度高。

3.1 核心模塊的實(shí)現(xiàn)

圖10為隨機(jī)掃描板核心模塊的結(jié)構(gòu)圖，核心模塊由地址譯碼器、圖庫(kù)計(jì)數(shù)器、圖庫(kù)、圖庫(kù)譯碼器、字符庫(kù)計(jì)數(shù)器、符號(hào)庫(kù)、矢量發(fā)生器和偏轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器組成，用verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì)。

核心模塊通過地址譯碼器對(duì)發(fā)送的信息進(jìn)行譯碼操作，圖庫(kù)計(jì)數(shù)器負(fù)責(zé)循環(huán)發(fā)送圖庫(kù)中的畫面，圖庫(kù)中存儲(chǔ)著滿天星畫面等圖像，圖庫(kù)譯碼器對(duì)圖庫(kù)輸出的信息進(jìn)行譯碼，輸出X、Y起始坐標(biāo)到偏轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器，輸出字符調(diào)用信息到字符庫(kù)計(jì)數(shù)器，字符庫(kù)計(jì)數(shù)器再輸出字符地址到符號(hào)庫(kù)，符號(hào)庫(kù)輸出符號(hào)信息給矢量發(fā)生器，矢量發(fā)生器對(duì)符號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)，使偏轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器輸出X、Y數(shù)字信號(hào)。

3.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的實(shí)現(xiàn)

圖11為X數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的原理圖，核心模塊發(fā)出的X、Y數(shù)字量輸入AD768高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器，經(jīng)AD811高性能視頻運(yùn)放，輸出±2.5V的模擬電壓，再經(jīng)AD826高速低功耗雙運(yùn)放后輸出±20V的差分模擬電壓，其精度誤差≤lOmV，轉(zhuǎn)換角度后的精度≤30”，信號(hào)精度高，輸出穩(wěn)定，滿足使用需求。

4 總結(jié)

本文詳細(xì)闡述了某型平視顯示器檢測(cè)儀的系統(tǒng)方案及其關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法，研究了隨機(jī)掃描方式顯示畫面的方法、光學(xué)基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方法等技術(shù)，設(shè)計(jì)研制了隨機(jī)掃描板和光機(jī)測(cè)試臺(tái)等，檢測(cè)儀能按某型平視顯示器技術(shù)條件和修理工藝規(guī)程的要求檢測(cè)所有項(xiàng)目。

本檢測(cè)儀的研制成果和創(chuàng)新體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）該檢測(cè)儀采用了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，模塊化設(shè)計(jì)，具有自動(dòng)化程度高、可靠性高和維修方便的特點(diǎn)。

2）研究了隨機(jī)掃描方式顯示畫面的方法，設(shè)計(jì)研制了隨機(jī)掃描板，研制的隨機(jī)掃描具有畫面顯示穩(wěn)定、顯示精度高的特點(diǎn)。

3）研究了平顯光路測(cè)量方法，研制光機(jī)測(cè)試臺(tái)，為平顯提供光路調(diào)試的光學(xué)基準(zhǔn)。

4）采用了觸摸屏操作，人機(jī)交互性好，提高了美觀性，操作也非常簡(jiǎn)便。

該檢測(cè)儀于2015年研制完成，交付使用后表現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性和可靠性，符合相關(guān)技術(shù)要求，保障了工廠修理任務(wù)的順利開展。

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