一種近距導(dǎo)航模擬器的設(shè)計(jì)方案

劉祥水

（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241000）

1 引言

近距導(dǎo)航系統(tǒng)是飛機(jī)重要的導(dǎo)航設(shè)備，在該型裝備維護(hù)、維修、大修過(guò)程中，需要對(duì)該系統(tǒng)的接收、發(fā)射性能進(jìn)行檢查，這就需要一種裝置能夠發(fā)射系統(tǒng)所需的導(dǎo)航信號(hào)，同時(shí)也需要該裝置能夠接收近距導(dǎo)一般系統(tǒng)發(fā)來(lái)的呼叫信號(hào)同時(shí)轉(zhuǎn)換發(fā)射功能。所以該模擬器是近距導(dǎo)航系統(tǒng)修理的必要裝備。

2 主要功能

通過(guò)對(duì)該型近距導(dǎo)航系統(tǒng)性能進(jìn)行分析，總結(jié)出需要模擬器具備如下功能：①模擬地面近距導(dǎo)航定位信標(biāo)臺(tái)發(fā)出“35”“36”基準(zhǔn)信號(hào)、方位信號(hào)和距離回答信號(hào)，用于檢查近距導(dǎo)航系統(tǒng)在導(dǎo)航狀態(tài)下各工作波道的測(cè)位和測(cè)距能力在導(dǎo)航、著陸狀態(tài)和沿地面顯示應(yīng)答通道工作能力；②模擬地面近距導(dǎo)航定位信標(biāo)臺(tái)發(fā)出的地面顯示詢問(wèn)信號(hào)、無(wú)線信標(biāo)呼叫信號(hào)，用于檢查近距導(dǎo)航系統(tǒng)在地面顯示應(yīng)答、信標(biāo)識(shí)別和飛機(jī)識(shí)別能力；③模擬地面近距導(dǎo)航定位信標(biāo)臺(tái)發(fā)出航向信標(biāo)、下滑信標(biāo)和距離回答信號(hào)，用于檢查近距導(dǎo)航系統(tǒng)著陸引導(dǎo)能力；④模擬器具備自檢功能。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 總體構(gòu)成

模擬器共分為三部分：嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、射頻收發(fā)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 模擬器整體架構(gòu)圖

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與射頻收發(fā)系統(tǒng)之間通過(guò)RS232接口總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

模擬器采用主-從操作的分布式控制，一體化嵌入式計(jì)算機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互和顯示輸出，通過(guò)RS232等外部總線控制收發(fā)射頻電路的工作狀態(tài)、模式和參數(shù)，并接受基帶信號(hào)處理器電路的狀態(tài)和解算距離值。一體化嵌入式計(jì)算機(jī)的采用I7四代低功耗處理器，集成4G的DDR3內(nèi)存，通過(guò)LVDS接口連接顯示器。一體化嵌入式計(jì)算機(jī)和寬溫顯示器為一體，固定在前面板。

射頻收發(fā)系統(tǒng)由射頻發(fā)射板、射頻接收板和基帶信號(hào)數(shù)字處理板，以及收發(fā)天線組成，射頻發(fā)射板、射頻接收板和基帶信號(hào)數(shù)字處理板之間通過(guò)模板進(jìn)行電源、接口和數(shù)據(jù)信號(hào)的交聯(lián)，射頻接收板的解調(diào)信號(hào)通過(guò)同軸電纜傳輸?shù)交鶐盘?hào)處理板。射頻發(fā)射板的調(diào)制射頻信號(hào)與天線之間，以及來(lái)自天線的射頻接收信號(hào)之間，通過(guò)射頻同軸電纜連接。

模擬器采用專用的加固機(jī)箱，一體化嵌入式計(jì)算機(jī)及顯示器從前面板安裝，前部安裝AC/DC和DC/DC電源，后部安裝射頻接收、發(fā)射的3塊電路板母板，減少電源和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輻射干擾。機(jī)箱上部安裝天線，前面板安裝帶觸摸屏的顯示器，射頻測(cè)試插座、電源開關(guān)、計(jì)算機(jī)按鈕等。

3.2 射頻接收模塊

該板件接收726～813 MHz的射頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)一次下變頻，再經(jīng)過(guò)濾波、衰減放大、脈沖檢測(cè)，最后提供精確的視頻檢波信號(hào)輸出，主要由以下功能模塊組成：下變頻器、窄帶帶通濾波器、高速頻率合成器、數(shù)字脈沖功率自動(dòng)增益控制，對(duì)數(shù)檢波視放、比較整形、控制、通信等電路。

接收板組件的工作原理由天線接收726～813 MHz的射頻信號(hào)，輸入的信號(hào)幅度為﹣52～+30 dBm，經(jīng)過(guò)帶通濾波器，以及功分器分成兩路信號(hào)，一路進(jìn)入大動(dòng)態(tài)脈沖功率檢測(cè)支路，測(cè)量窄脈沖幅度，提供衰減控制信號(hào)；另一路經(jīng)過(guò)衰減器、數(shù)控衰減器、放大器進(jìn)入混頻器，與來(lái)自跳頻本振源的本振信號(hào)混頻，通過(guò)濾波器生成600 MHz的中頻信號(hào)，再經(jīng)過(guò)DLVA，高速比較器，整形電路輸出TTL脈沖信號(hào)。

3.3 基帶信號(hào)數(shù)字處理模塊

設(shè)計(jì)基帶信號(hào)板由32位單片機(jī)和FPGA器件以及外圍電路組成。

主要功能如下：①與主板的PC機(jī)通信，接收控制數(shù)據(jù)包，回傳狀態(tài)數(shù)據(jù)和接收脈沖編碼參數(shù)。②根據(jù)PC的控制數(shù)據(jù)包和默認(rèn)控制數(shù)據(jù)形成脈沖編碼信號(hào)，控制發(fā)射電路的工作狀態(tài)和輸出頻率、幅度。③對(duì)射頻接收電路的檢波輸出進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量脈沖寬度和脈沖間隔；判斷近距導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)射的距離詢問(wèn)、呼叫識(shí)別等編碼脈沖，根據(jù)設(shè)置的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)應(yīng)答。④對(duì)檢測(cè)的脈沖進(jìn)行分組和狀態(tài)識(shí)別。

3.4 射頻發(fā)射模塊

近距導(dǎo)航模擬器有三種基本工作模式：導(dǎo)航、著陸、空空。在三種基本工作模式下，模擬器采用分時(shí)的方式工作，每種狀態(tài)只有兩種或一種發(fā)射信號(hào)和一種接收信號(hào)，因此可采用兩套頻率綜合產(chǎn)生器、兩套調(diào)制和功率放大器、射頻調(diào)制信號(hào)經(jīng)射頻合路器綜合，由一個(gè)發(fā)射天線輻射。為便于進(jìn)行復(fù)雜的脈沖編碼調(diào)制和著陸狀態(tài)的調(diào)制幅度準(zhǔn)確控制，并簡(jiǎn)化調(diào)制電路，使用高速射頻開關(guān)和數(shù)控衰減器，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的編碼調(diào)制和調(diào)制信號(hào)的相對(duì)幅度開展。

3.5 電源模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)模擬器的使用場(chǎng)景不同，其工作時(shí)可使用機(jī)上24 V電源和外部交流220 V市電，外部交流經(jīng)AC/DC模塊轉(zhuǎn)換為27 V，通過(guò)內(nèi)部DC/DC和濾波器形成模擬器電路所需+12 V和+5 V，控制電路和射頻電路單獨(dú)供電，減少相互之間的干擾。電源模塊如圖2所示。

圖2 電源模塊框圖

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包含F(xiàn)PGA、單片機(jī)和人機(jī)交互三個(gè)子模塊。模擬器的FPGA設(shè)計(jì)采用XILINX公司的FPGA開發(fā)平臺(tái)XILINX ISE8.2i；32位單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)選用集成開發(fā)軟件。應(yīng)用程序在linux系統(tǒng)下進(jìn)行人機(jī)交互，作為主控和顯示軟件，對(duì)應(yīng)的32位單片機(jī)系統(tǒng)為從機(jī)。

單片機(jī)軟件是連接PC機(jī)人機(jī)交互和模擬器輸出信號(hào)產(chǎn)生與輸入信號(hào)處理的橋梁，軟件包含四部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)和接口初始化、通信接口軟件、FPGA和信號(hào)產(chǎn)生控制軟件、數(shù)據(jù)采集和處理軟件。

單片機(jī)和接口初始化主要完成CPU存儲(chǔ)空間的分配和工作始終的配置以及中斷向量設(shè)置和任務(wù)調(diào)度分配。

通信軟件包括：數(shù)據(jù)接收緩存、接收數(shù)據(jù)包提取、接收數(shù)據(jù)包處理、發(fā)送數(shù)據(jù)獲取、發(fā)送數(shù)據(jù)緩存與封裝。對(duì)于單片機(jī)FPGA請(qǐng)求事件和突發(fā)事件的處理、突發(fā)數(shù)據(jù)的接收緩存是至關(guān)重要的，而接收數(shù)據(jù)包的解包和處理、發(fā)送數(shù)據(jù)的輸出等任務(wù)是可滯后的，程序設(shè)計(jì)中要保證數(shù)據(jù)不被丟失，不導(dǎo)致內(nèi)存沖突而導(dǎo)致軟件崩潰。

FPGA電路控制軟件主要任務(wù)為：?jiǎn)?dòng)編碼和解碼電路的工作，編碼格式設(shè)置、脈沖寬度和脈沖隔時(shí)間設(shè)置，編碼脈沖重復(fù)輸出控制，編碼和解碼電路工作狀態(tài)讀取，解碼數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理。信號(hào)產(chǎn)生控制軟件主要對(duì)頻率綜合產(chǎn)生器的參數(shù)計(jì)算和設(shè)置，射頻電路的選擇，輸出射頻衰減量的控制。數(shù)據(jù)采集軟件包含中斷處理軟件和狀態(tài)輪詢軟件，接收機(jī)和FPGA解碼器形成的射頻有效碼型變化信號(hào)都需要通過(guò)中斷響應(yīng)的方式，單片機(jī)實(shí)時(shí)進(jìn)行處理，對(duì)測(cè)距應(yīng)答的處理延時(shí)偏差不超過(guò)0.1 ms。

5 結(jié)論

本文介紹了某型模擬器的必要性、可行性、實(shí)施步驟和各功能模塊的功能，并設(shè)計(jì)了測(cè)試軟件程序保證了模擬器的操作性，通過(guò)對(duì)各功能模塊及外圍電路的設(shè)計(jì)，提出了模擬器的整體設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)工程化實(shí)現(xiàn)最終實(shí)現(xiàn)的該型控制臺(tái)的設(shè)計(jì)制造。