一種航管應(yīng)答機(jī)高度模擬器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對航管應(yīng)答機(jī)在地面測試時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)高度接口信號的特性，總結(jié)出高度數(shù)值與高度接口信號之間的對應(yīng)關(guān)系，設(shè)計了基于單片機(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便、精度高、性價比高等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航管應(yīng)答機(jī)的中繼級和大修級維修領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：航管應(yīng)答機(jī);高度模擬器;單片機(jī);格雷碼

航管應(yīng)答機(jī)是二次雷達(dá)系統(tǒng)中的機(jī)載設(shè)備，無需人工參與，即能自動應(yīng)答地面雷達(dá)對飛機(jī)的代碼和高度詢問。航管應(yīng)答機(jī)需要應(yīng)答的代碼信息可通過航管應(yīng)答機(jī)的控制盒根據(jù)飛機(jī)的編號進(jìn)行人工設(shè)置，高度信息則是由飛機(jī)上的大氣機(jī)通過探測飛機(jī)的飛行高度進(jìn)行實(shí)時提供。當(dāng)在地面對航管應(yīng)答機(jī)進(jìn)行測試時，所需的高度信息一般通過專用的氣壓源為航管應(yīng)答機(jī)測試提供模擬高度，專用氣壓源價格高，便攜性差，操作使用不便。通過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定義。如果利用單片機(jī)為核心，通過擴(kuò)展相關(guān)接口，模擬氣壓源高度輸出接口信號特性，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)地面測試中的應(yīng)用。

1 高度接口信號分析

1.1 編碼特性

航管應(yīng)答機(jī)高度接口信號單位為英尺，范圍在-1200～126700，步進(jìn)值為100英尺，接口信號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)字表示中只有一個數(shù)字不同，它在任意兩個相鄰的數(shù)之間轉(zhuǎn)換時，只有一個數(shù)位發(fā)生變化，大大減少了由一個狀態(tài)到下一個狀態(tài)時邏輯的混淆，其編碼數(shù)據(jù)與十進(jìn)制數(shù)據(jù)之間的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。在選用格雷碼編碼時既可以選用表1中的對應(yīng)關(guān)系，也可以選用部分格雷碼重新定義與十進(jìn)制的對應(yīng)關(guān)系。

高度接口信號的編碼采用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個數(shù))，用D2 D4 A1 A2表示，對應(yīng)于表1中的0～15。右邊一位是三位格雷碼(5個數(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，在第一個周期內(nèi)對應(yīng)于0、1、2、3、4，在下一個周期內(nèi)對應(yīng)于4、3、2、1、0，緊接著后面的周期內(nèi)又重新對應(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個數(shù)循環(huán)編碼)，用A4 B1 B2 B4表示，對應(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，在對高度數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼時首先加上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

高度接口信號有效數(shù)據(jù)碼為11位，加上同步信號和校驗(yàn)字共需傳輸4個字節(jié)32位數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)發(fā)送順序如表2所示，其中同步信號占一個字節(jié)，首先傳輸;數(shù)據(jù)字節(jié)占2個字節(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個字節(jié)，最后傳輸，其各位數(shù)據(jù)值為前3個字節(jié)對應(yīng)位異或所得的結(jié)果。

1.3 接口類型

不同型號的應(yīng)答機(jī)高度信號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，各裝置之間的信號交換均可選用軟件握手或硬件連接的方式。RS-422信號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

ARINC429數(shù)據(jù)總線是美國航空無線電公司(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發(fā)送器和一個或多個接收器，以差動輸出的對稱方式工作，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

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。

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，其中最左邊為符號位，最右邊為單位符號“F”。由于顯示內(nèi)容簡單，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)動芯片MAX7219是美國MAXIM公司生產(chǎn)的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動器。該芯片可直接驅(qū)動最多8位7段數(shù)字LED顯示器，它與單片機(jī)的接口非常簡單，僅用3個引腳與單片機(jī)相應(yīng)端連接即可實(shí)現(xiàn)對數(shù)碼管的驅(qū)動，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)。