基于ARM的某機載電臺檢測控制器的設計

王柱山，趙文俊，蔣江濤

（1.空軍第一航空學院 航空電子工程系，河南 信陽 464000；2.中國飛行試驗研究院 陜西 西安 710089）

機載電臺擔負著空空和地空之間通信，為保證電臺性能，需要對其進行定檢[1-2]。基于單片機的檢測儀存在測量速度慢、可擴展性差的問題；而基于PXI儀器或VXI儀器的檢測儀存在著功耗大、體積大、價格高等缺點。為解決上述問題，利用基于ARM處理器來實現電臺檢測控制器成為重要的發展方向，ARM是一種高性能、低功耗的RISC結構處理器，由于其出色的性能被廣泛應用于工業控制、無線通訊、成像和安全、網絡應用等方面[3]，采用基于ARM的電臺檢測控制器具有可移植性強、可擴展性好、抗干擾能力強等優點。

1 硬件設計

良好的硬件設計是是解決基于單片機、PXI、VXI等系統的電臺檢測儀問題的關鍵。為實現硬件結構的模塊化設計，硬件主要分為兩大部分：主控制器電路和調理電路。為設計一個具有高性能、低功耗、可擴展性好和低成本檢測儀，主控制器的選擇至關重要，為滿足檢測儀的可擴展性設計主控制器必須具備網絡功能、USB存儲、串行通信、SPI通信、I2C通信、模數轉換等功能模塊，為滿足人機交互設計的要求，還必須具備必要的頻率預置電路、顯示電路等。具備這么多功能的控制器以及滿足高性能、低功耗等性能的控制器只有ARM處理器才能完成。根據某電臺的電氣特性，主控器和電臺之間的通信還必須進行必要的電平轉換，另外電臺輸出的響應信號不能直接送到主控制器，還必須進行必要的分壓網絡、阻抗匹配等電路設計，這就需要調理電路。主控制器電路和調理電路相配合來完成電臺的檢測工作，根據電臺測試需求設計的硬件整體結構如圖1所示。

1.1 主控制器

主控制是電臺檢測控制器的核心，擔負著信息采集、存儲、網絡功能以及和電臺通信等重要任務，主控制的好壞也直接決定了系統性能，經對比選擇飛利浦公司的LPC2388作為該電臺的主控制器，該器件是基于ARM7TDMI-S內核的處理器，具有太網控制器、USB控制器、I2C、串行接口等豐富的外設，可以滿足該檢測儀的需求。

圖1 某電臺檢測儀總體設計原理框圖

1.2 存儲電路

為滿足可擴展性、測試結果可存儲的要求，檢測控制器要把每次對某型電臺測量的結果保存下來，這就需要有主控制器和無線電綜合測試儀之間能進行通信，某無線電綜合測試儀對外通信有串口通信方式，在測量時可以把通信控制接口連接到無線電綜合的串口線上，這樣就可以把測試結果讀到控制系統內部，想把該信息存儲下來，存儲器就必須滿足可擦寫，為節省控制器的寶貴的通用I/O口，選擇具有I2C通信存儲功能CAT24WC64作為E2PROM，該器件負責保存電臺性能測試結果，最多保存50次電臺測試結果，超過50次，系統自動把原來存儲的測試結果擦除掉然后再存儲。當需要查看系統電臺測試結果時通過3種方法來實現：1）把USB存儲設備插入USB存儲接口電路，系統會自動識別該設備，然后選擇存儲測試結果按鍵就可以把保存測試結果保存到USB存儲設備；2）通過網絡接口和計算機相連接，然后用遠程控制的方式來讀取測試結果；3）利用串行通信方式把信息讀到計算機中。

1.3 USB存儲接口電路

USB接口電路是完成和USB存儲設備通信的窗口，LPC2388內部具有兼容USB2.0協議的控制器，這種控制器為USB接口設計提供方便。為滿足系統可靠性，在D+和D-線上分別串接上一只33 Ω的電阻，在D+上還要增加一只1.5 kΩ上拉電阻，為表明USB存儲設備連接上，在U1_UPLED引腳上增加一個指示燈，當USB存儲設備連接，指示燈亮。

1.4 網絡接口電路

為滿足遠程控制需要，檢測控制器就應該具備網絡控制接口。LPC2388具有10/100 Mb/s以太網通信速率，為保證可靠傳輸，通過內部集成了16 KB字節的以太網控制器專用SDRAM、以太網控制器和ARM7內核之間使用高速AHB總線通信，并且使用了專用DMA進行數據傳輸來實現。處理器內部使用的以太網控制器使用RMII接口，通過與外圍電路PHY芯片DM9161A進行通信就可以實現以太網通信功能。

1.5 頻率形成電路

電臺檢測儀要想充分地檢測電臺性能，應檢測多個頻率點處電臺性能，這樣就要求檢測儀能夠輸出頻率可變的控制碼，頻率控制碼的形成就需要頻率形成電路。頻率形成電路就是通過脈沖整形、計數，最后進過緩沖送到主控制器。脈沖形成電路利用自復位開關來實現，整形電路利用MAX708計數和緩沖電路分別利用54HC190和54LVC245來實現，為節省處理器寶貴的I/O口資源，采用模擬總線的方式來實現，通過鎖存、譯碼電路來控制頻率碼的形成。

1.6 顯示、鍵盤電路

顯示電路是人機交互的窗口，直接顯示了當前檢測儀所處的狀態和電臺檢測結果。當檢測的電臺不能滿足性能要求時，直接顯示錯誤結果；鍵盤電路完成檢測儀部分功能的輸入。為保證檢測儀顯示結果的可靠性，檢測儀顯示電路采用抗干擾性強的LED數碼管顯示，LED數碼管的驅動器選用ZLG7290，ZLG7290利用三線串行碼與ARM處理器進行信息交互，其動態顯示功能降低了系統功耗。ZLG7290除了用來驅動顯示數碼管外，電臺檢測的部分輸入也通過其鍵盤接口來實現，其電路圖如圖2所示。

1.7 其他電路

一個系統能可靠工作，必須有一系列諸如晶體振蕩、看門狗、電源等電路保證，提供系統工作所必需的時鐘、監視電路，晶體振蕩電路提供必須的時鐘信號，看門狗電路在程序運行出現異常時，把微控制器提供復位信號，增加了系統的魯棒性；電源電路為整個系統電源，采用轉換效率高的DC/DC開關電源，按功能為系統設計供電，即為控制電路電源和調理電路獨立供電；增加了系統的抗干擾性。

1.8 調理電路

檢測控制器的工作狀態和工作時序由主控制器來完成，然而這只是檢測控制器檢能正常工作的一個方面，另外一個重要方面就是調理電路，其主要由繼電器陣列、分壓網絡、模擬開關、電平轉換等部分組成[4]。控制器輸出的信號一般不能直接加到電臺內部，這主要有兩方面原因：1）檢測控制器輸出的串口數據為單端輸出，而該電臺所需要的信號為差分信號；2）控制器輸出的信號電平和格式完全正確，為保證系統的抗干擾性，在控制器的輸出端和電臺輸入端一般要加一個緩沖器，增加系統模塊之間的隔離度。檢測控制器面板的所有控制信息經過處理器處理后通過串口發送給電臺，而電臺所需要的為差分信號，利用DS16F95來實現信號電平方式的轉換。檢測控制器除了測試收發機性能外還可以測試控制盒的性能，另外也可以利用控制來控制收發機，從而模擬機上控制盒控制收發機，在控制盒控制和檢測控制器本身信號不能同時發送到電臺，這就需要繼電器陣列來完成檢測儀和控制盒之間的轉換。另外，為監控電臺工作電壓，檢測儀要分時顯示出工作電壓，而工作電臺27 V以及內部收發控制電壓等也要顯示，這些電壓需要分壓網絡經過分壓后送到數控模擬開關，控制器輪流監視各路電壓。

圖2 顯示、鍵盤電路原理圖

2 軟件架構設計

電臺檢測控制器屬于典型的嵌入式控制系統，其性能設計的好壞直接關系到系統是否能夠可靠工作[5]。嵌入式軟件設計和普通的PC機軟件差別較大，由于檢測儀控制關系復雜，再加上網絡接口、USB存儲驅動、中斷時間控制、定時器設計、串行通信等因素，對軟件架構的要求較高，必須考慮軟件和硬件檢測協調，另外軟件還必須滿足可測性、可移植性、健壯性等設計，要綜合考慮多種因素[5]。該電臺檢測控制器的軟件流程如圖3所示。系統上電后經過初始化配置，然后選擇測量控制方式，若是遠程控制則啟動網絡連接，用計算機來控制檢測控制器進行工作，進入收發機性能測試，測試的結果通過網絡存儲到遠程計算機中；若是手動測試，則判斷測量方式是測控、外控還是測控，如果是內控，則由檢測控制器控制收發機，在無線電綜合測試儀的配合下測量收發機主要性能，通過讀取無線電綜合測試儀的測試結果可以把結果保存下來，在保存結果時，如果USB存儲設備存在，則把結果存在其中，反之，則存于內部的可擦寫的E2PROM中；若是測控，則檢測控制器測量控制盒狀態，并把結果保存起來；如果是外控，則在控制盒的控制下測量收發機性能，檢測控制器通過讀無線電綜合測試儀結果同樣把測試結果保存下來。

圖3 檢測儀軟件架構流程圖

3 結束語

基于ARM實現的電臺檢測控制器硬件設計靈活，軟件架構設計良好，實現了軟件與硬件平臺的無縫結合，具有高性能、低功耗、可移植性好、可擴展性好，實現了對電臺的檢測與控制。通過網絡接口，可以實現遠程控制，并可以實時讀取測量結果；通過增加USB存儲接口，在手動測試的情況下還可以把測量數據直接保存下來，極大地提高了測試結果的處理速度，具有廣闊的經濟效益和軍事效益。

[1]王柱山，陶祁.基于FPGA的航空電臺綜合檢測儀的設計[G]//2008年中國高校通信類院系學術研討會論文集:下冊.北京：國防工業出版社，2009：101-105.

[2]蔣國峰，王柱山.利用單片機為核心構建某機載電臺檢測控制器[J].電子測量技術，2008，31（5）：155-157.

[3]周立功.ARM微控制器基礎與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[4]孫傳有，孫曉斌，漢澤西，等.測控系統原理與設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[5]Sloss A N，Symes D,Wright C.ARM嵌入式系統開發——軟件設計與優化[M].沈建華，譯.北京：北京航空航天大學出版社，2006.