基于單片機(jī)的航管應(yīng)答機(jī)高度模擬器設(shè)計(jì)

針對(duì)航管應(yīng)答機(jī)在地面測(cè)試時(shí)需要專用氣壓源提供模擬高度信息的缺點(diǎn)，分析了航管應(yīng)答機(jī)高度接口信號(hào)的特性，總結(jié)出高度數(shù)值與高度接口信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的航管應(yīng)答機(jī)高度模擬器硬件電路，編制了軟件流程，并進(jìn)行了調(diào)試使用，結(jié)果表明，該高度模擬器具有操作簡(jiǎn)便、精度高、性價(jià)比高等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航管應(yīng)答機(jī)的中繼級(jí)和大修級(jí)維修領(lǐng)域。

航管應(yīng)答機(jī)是二次雷達(dá)系統(tǒng)中的機(jī)載設(shè)備，無(wú)需人工參與，即能自動(dòng)應(yīng)答地面雷達(dá)對(duì)飛機(jī)的代碼和高度詢問(wèn)。航管應(yīng)答機(jī)需要應(yīng)答的代碼信息可通過(guò)航管應(yīng)答機(jī)的控制盒根據(jù)飛機(jī)的編號(hào)進(jìn)行人工設(shè)置，高度信息則是由飛機(jī)上的大氣機(jī)通過(guò)探測(cè)飛機(jī)的飛行高度進(jìn)行實(shí)時(shí)提供。當(dāng)在地面對(duì)航管應(yīng)答機(jī)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，所需的高度信息一般通過(guò)專用的氣壓源為航管應(yīng)答機(jī)測(cè)試提供模擬高度，專用氣壓源價(jià)格高，便攜性差，操作使用不便。通過(guò)分析解讀專用氣壓源與航管應(yīng)答機(jī)之間的接口特性和信號(hào)定義。如果利用單片機(jī)為核心，通過(guò)擴(kuò)展相關(guān)接口，模擬氣壓源高度輸出接口信號(hào)特性，并增加相應(yīng)的顯示和控制電路，即可完全替換專用氣壓源在航管應(yīng)答機(jī)地面測(cè)試中的應(yīng)用。

1高度接口信號(hào)分析

1.1編碼特性

航管應(yīng)答機(jī)高度接口信號(hào)單位為英尺，范圍在-1200～126700，步進(jìn)值為100英尺，接口信號(hào)的編碼采用格雷碼循環(huán)編碼。格雷碼是一種數(shù)字排序系統(tǒng)，其中的所有相鄰整數(shù)在它們的數(shù)字表示中只有一個(gè)數(shù)字不同，它在任意兩個(gè)相鄰的數(shù)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，只有一個(gè)數(shù)位發(fā)生變化，大大減少了由一個(gè)狀態(tài)到下一個(gè)狀態(tài)時(shí)邏輯的混淆，其編碼數(shù)據(jù)與十進(jìn)制數(shù)據(jù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。在選用格雷碼編碼時(shí)既可以選用表1中的對(duì)應(yīng)關(guān)系，也可以選用部分格雷碼重新定義與十進(jìn)制的對(duì)應(yīng)關(guān)系。



高度接口信號(hào)的編碼采用11位格雷碼循環(huán)編碼，形成三位編碼數(shù)，自左至右其權(quán)值分別為8000、500和100，其中左邊一位編碼數(shù)是四位格雷碼（16個(gè)數(shù)），用D2 D4 A1 A2表示，對(duì)應(yīng)于表1中的0～15.右邊一位是三位格雷碼（5個(gè)數(shù)循環(huán)），用C1 C2 C4表示，選用表1中的格雷碼0001、0011、0010、0110、0100，采用的是循環(huán)編碼的形式，對(duì)應(yīng)于十進(jìn)制數(shù)的0、1、2、3、4或4、3、2、1、0，在第一個(gè)周期內(nèi)對(duì)應(yīng)于0、1、2、3、4，在下一個(gè)周期內(nèi)對(duì)應(yīng)于4、3、2、1、0，緊接著后面的周期內(nèi)又重新對(duì)應(yīng)于0、1、2、3、4，以后逐次循環(huán)。中間一位是四位格雷碼（16個(gè)數(shù)循環(huán)編碼），用A4 B1 B2 B4表示，對(duì)應(yīng)于表1中的0～15或15～0，循環(huán)形式如右邊一位格雷碼。為了方便編碼，在對(duì)高度數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼時(shí)首先加上1200，這樣，高度數(shù)據(jù)的最小值-1 200就變成了000，然后對(duì)000進(jìn)行格雷碼編碼為001，既代表了-1 200英尺的模擬高度。

1.2數(shù)據(jù)傳輸格式

高度接口信號(hào)有效數(shù)據(jù)碼為11位，加上同步信號(hào)和校驗(yàn)字共需傳輸4個(gè)字節(jié)32位數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)發(fā)送順序如表2所示，其中同步信號(hào)占一個(gè)字節(jié)，首先傳輸；數(shù)據(jù)字節(jié)占2個(gè)字節(jié)緊接著同步字節(jié)傳輸，11位有效數(shù)據(jù)傳送順序如表所示，未占用數(shù)據(jù)位填充0；校驗(yàn)字節(jié)占1個(gè)字節(jié)，最后傳輸，其各位數(shù)據(jù)值為前3個(gè)字節(jié)對(duì)應(yīng)位異或所得的結(jié)果。



1.3接口類型

不同型號(hào)的應(yīng)答機(jī)高度信號(hào)通信接口類型略有不同，常用的包括RS-422和ARINC429兩種類型，RS-422和ARINC429均是工業(yè)和航空領(lǐng)域常用的通信接口，也都有較多的專用芯片供選用。

1）RS-422接口

RS-422接口是一種應(yīng)用非常廣泛的通信接口，他采用單獨(dú)的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間的信號(hào)交換均可選用軟件握手或硬件連接的方式。RS-422信號(hào)采用了差分形式的傳輸形式，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。RS-422接口最大傳輸距離可達(dá)4 000英尺，最大傳輸速率為10Mb/s.

2）ARINC429信號(hào)

ARINC429數(shù)據(jù)總線是美國(guó)航空無(wú)線電公司（ARINC）制定的一種民用飛機(jī)機(jī)載總線規(guī)范，它是一種面向接口型的單向廣播式串行數(shù)據(jù)傳輸總線，在一條總線上定義有一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)或多個(gè)接收器，以差動(dòng)輸出的對(duì)稱方式工作，采用雙絞屏蔽線異步傳輸數(shù)據(jù)。ARINC429總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、傳輸可靠，抗干擾能力強(qiáng)。

2硬件電路設(shè)計(jì)

高度模擬器硬件電路組成框圖如圖1所示，以單片機(jī)89C52最小應(yīng)用系統(tǒng)為數(shù)據(jù)的采集和處理核心，并擴(kuò)展了422接口轉(zhuǎn)換、429接口轉(zhuǎn)換、高度碼采集、顯示、復(fù)位和譯碼等部分電路。其中422接口轉(zhuǎn)換電路與單片機(jī)的RXD、TXD接口分別選用單片機(jī)的P3.0、3.1，D0～D7選用P0口，顯示電路中的DDAT、DCLK和DEN分別選用P2.0、P2.1和P2.2.


圖1 硬件電路組成框圖

2.1顯示電路

由于要顯示的高度數(shù)據(jù)范圍在-1 200～126700英尺之間，由于步進(jìn)值為100，最后兩位始終為00，因而顯示位數(shù)可以設(shè)置為8位，其中最左邊為符號(hào)位，最右邊為單位符號(hào)“F”。由于顯示內(nèi)容簡(jiǎn)單，因而顯示電路采用數(shù)碼管的形式進(jìn)行顯示。數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219是美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器。該芯片可直接驅(qū)動(dòng)最多8位7段數(shù)字LED顯示器，它與單片機(jī)的接口非常簡(jiǎn)單，僅用3個(gè)引腳與單片機(jī)相應(yīng)端連接即可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)，其電路原理圖如圖2所示。其中“DIN”為串行數(shù)據(jù)輸入端口，在時(shí)鐘“CLK”上升沿將數(shù)據(jù)載入內(nèi)部16位寄存器：“LOAD”裝載數(shù)據(jù)有效位，連續(xù)數(shù)據(jù)的后16位在“LOAD”上升沿時(shí)被鎖定。DIG0～DIG7用于選擇數(shù)碼管中的顯示位數(shù)，SEGA～G、SEG DP用于確定顯示的數(shù)值和小數(shù)點(diǎn)。


圖2 顯示電路原理圖

2.2 ARINC429接口電路

實(shí)現(xiàn)ARINC429接口信號(hào)可采用分立元器件搭建，也可選用專用接口芯片如HS-3282/3182、DEI1016/BD429、HI6010/HI8586/8588等，還可以選用FPGA進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。目前選用專用接口芯片構(gòu)建ARINC429接口電路是性價(jià)比較高的實(shí)現(xiàn)方式。由于HI-6010是專用于8位數(shù)據(jù)總線的ARINC429接口芯片，與8位單片機(jī)AT89C52的硬件接口簡(jiǎn)單，因而本系統(tǒng)中選用該芯片，其硬件電路原理圖如圖3所示。其中HI-6010是實(shí)現(xiàn)ARINC429協(xié)議的主體。HI-8586和HI-8588分別用于ARINC429發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)時(shí)信號(hào)的電氣特性調(diào)理與適配。


圖3 ARINC429接口電路原理圖

3軟件流程設(shè)計(jì)

為了方便的程序的編寫與調(diào)試，軟件語(yǔ)言采用C語(yǔ)言，程序采用模塊化結(jié)構(gòu)。根據(jù)軟件的功能將整個(gè)程序分為顯示子程序、高度數(shù)據(jù)采集子程序、高度碼處理、發(fā)送子程序等部分。其主程序流程如圖4所示，高度碼處理子程序如圖5所示。


圖4 主程序流程圖 圖5 高度碼處理子程序流程圖