- 學習智能測控系統的應用
- 硬件及接口電路的設計
- 采用低功耗16位單片機MSP430F449為主處理器
- 總體軟件設計
0 引言
為了解決許多航空設備采用的航空總線種類各異，難以互相兼容的問題，現代飛機航空電子系統要求各機載航空設備使用統一的航空總線，以方便系統集成。ARINC429總線是航空電子設備之間數據傳輸的航空工業標準，具有接口方便、數據傳輸可靠的特點，目前已經是航空領域應用最廣泛的航空電子總線。ARINC429是美國航空無線電公司(ARINC)制定的航空數字總線傳輸標準，屬單向數據總線，可由兩根獨立總線實現雙向傳輸，數據傳輸率為12．5～100 Kb／s，傳輸字為32位。總線上的發送器只能有一個，而接收器可多達20個。國內外研究和實現ARINC429總線通信的文獻很多，接口豐富且使用廣泛。文獻采用FPGA實現了ARINCA29的接口轉換為通用的USB接口。文獻采用C8051單片機為核心，在測控ARINC429總線數據的同時，還能夠監測總線上電氣特性的變化。文獻研究了基于PC／104總線結構的ARINCA29總線測控系統，可以完成多路429總線數據的實時接收和發送功能。文獻研究了基于FPGA的ARINCA29總線接收發送系統，實現四路ARINCA29信號接收和兩路發送的功能。雖然采用ARINCA29總線通信的研究很多，但還未見用于雷達導航儀測控的報道。隨著國產雷達導航儀的體積不斷優化，功能日益復雜，傳統的測控手段由于采用人工組裝、整機測試的方法，已經不能滿足新形勢下武器裝備的保障要求。
本文采用低功耗16位單片機MSP430F449為主處理器，以集成電路HS3282和HS3182為主要通信芯片，設計完成包括ARINC429總線通信在內的雷達導航儀測控系統。此測控系統采用電池方式供電，可以手持方式工作，高亮度液晶方式顯示，提高測控系統可靠性和便攜性，能夠為導航儀提供各類導航檢測信號，可以完成相關導航設備的生產測試、外場調試、后期維護等功能。
1 ARINC429串行總線
ARINCA29總線是一種單向廣播式數據總線，采用雙角屏蔽線傳輸信息，可由兩根獨立總線實現雙向傳輸，數據傳輸率為：高速傳輸的位速率為100 Kb／s±1％，低速傳輸的位速率為(12．0～14．5)Kb／s±1％。ARINC429規定數據傳輸采用雙極性歸零制的三態碼方式，如圖1所示，即調制信號由“高”、“零”和“低”狀態組成的三電平狀態。雙極性歸零碼的基本信號波形中攜帶了位同步信息，位同步是由零狀態變至“高”或“低”狀態的這一狀態變化來識別。字同步是以傳輸周期間至少有四個位時的時間間隔為基準，緊跟該字間隔后要發送的第一位起點即為新字的起點。
ARINC429總線數據的基本信息單元是由32位構成的一個數據字，每個數據字被分為5個基本區域，即標志碼(LABEL)，源／目的識別碼(SDI)，數據區(DATA)，符號狀態位(SSM)，校驗位(PARITY)，ARINC429總線數據信號編碼舉例如圖1所示。
ARINC429串行總線
[page]2 硬件及接口電路
接口的實現方式選用Intersil公司的HS3282芯片，它支持ARINC429通信規范和其他串行數據傳輸協議，采用+5 V供電。具有兩路接收、一路發送的功能。通道接收器之間也是獨立的并行接收，可以直接連接到ARINC429總線，而不需電平轉換。使用時和HS3182總線驅動器配合，就可以發送數據進行二級差分驅動，產生ARINC429總線的電平。HS3282數據總線為16位，MSP430F449為16位單片機，從而避免了8位單片機為解決系統總線匹配的問題需要采用鎖存器作為虛擬總線的煩惱，提高了測控系統的可靠性。
具體設計思路為：首先利用一片HS3282和兩片HS3182配合使用形成兩路接收和兩路發送通道。它們構成了數據收發、串并轉換的主體。HS3282主要用來完成接收、發送時所必須具備的串并、并串轉換功能；HS3182用來完成對兩路輸出信號的差分驅動，然后設計命令寄存器和狀態寄存器，用以完成對輸入、輸出通道的選擇和對HS3282的控制字的設置。該控制電路單片機無需外擴展電路，將32個I／O口的P0口和P2口用于數據傳輸功能，實現對HS3282的16位數據傳輸功能。把P1口及P3口的P3．3，P3．4作為控制信號與控制端引腳相連，來控制HS3282數據收發操作。測試數據由預先設置或手工輸入兩種方式完成。返回數據顯示到高亮度液晶顯示器上。圖2為測控系統硬件系統結構圖。
測控系統硬件系統結構圖
3 總體軟件設計
雷達導航儀智能測控系統以單片機為核心，控制測控系統的數據發送、轉換、接收、顯示等功能。本系統中采用的MSP430F449單片機是TI公司的一款超低功耗的混合信號控制器，它具有16位RISC結構，150ns指令周期和簡潔的27條內核指令，1．8～3．6 V的低工作電壓，支持JTAG在線調試。它還集成了豐富的外圍模塊，豐富的系統資源完全可以滿足雷達導航儀的測控要求。
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系統工作可分為三種主狀態：準備接收狀態，正在接收狀態和準備發送狀態。整個系統軟件的運行圍繞著按鍵控制進行的，軟件的編寫也以鍵盤按鍵為基礎。圖3(a)為ARINCA29信號發送流程圖，圖3(b)為信號接收流程圖，橢圓框里寫著系統當前的狀態名稱，直線表示當前系統所處的狀態，圓形框表示按鍵，箭頭表示狀態轉移走向。每一條直線都表示一種循環的狀態，在該狀態中，系統一直等待的按鍵按下，如果有，系統立即掃描按鍵，得出鍵值，并與直線下方的按鍵進行比較，如有相同的按鍵，馬上執行該按鍵對應的程序。例如在準備接收狀態，如果背光鍵按下，液晶屏背光則從亮變為滅或從滅變為亮。頻率鍵按下后，ARINC429總線頻率將在12．5 Kb／s，50 Kb／s和100 Kb／s之間相互轉換。存儲鍵按下后，系統將跳到讀寫存儲器子狀態；確認鍵按下，系統將跳到正在發送主狀態。使用類似的方法，為了簡化使用人員的操作步驟，可以在使用時選擇手動或自動模式。自動模式提供兩組默認的典型數據進行發送，以測試雷達導航儀的通信完好性。當需要進行完備性測試時，可以采用手動模式，這時可以進行任何信號及數值的通信。
ARINCA29信號發送流程圖
4 實驗與分析
對此便攜式低功耗雷達導航儀智能測控系統的測試內容包括：發送數據、接收數據和發送數據間隔等測試。由于HS3282的兩路輸出是差分輸出的，所以只需要測試其中的一路就可以了。智能測控系統現場波形如圖4所示，發送的數據采用自動模式，控制字為奇校驗。通過示波器直接觀察HS3282芯片的輸出信號，輸出電平是3．92 V，滿足TTL的電平要求。而數據之間的時間間隔，即組間數據4位間隔。由單片機的延時程序即可完成。
5 結語
目前，該測試系統已設計完成，并交付航空某研究所的生產維修部門進行雷達導航儀的生產調試和外場測試使用。實踐證明：系統采用手持方式工作的設計方案正確，能夠為導航儀提供各類導航檢測信號，提高系統可靠性和便攜性，并且可以嚴格保證通信的實時性。能夠很好地完成相關導航設備的生產測試、外場調試、后期維護等功能，具有高度集成化、智能化、接口標準化的優點。同時創造了可觀的經濟效益，使雷達導航設備的地面維修工作躍升到一個新水平。
