便攜式低功耗雷達導航儀智能測控系統(tǒng)

摘 要：針對現(xiàn)代雷達導航設備的生產(chǎn)調試和外場測試的雙重需要，設計一種便攜式低功耗智能測控系統(tǒng)。系統(tǒng)以MSP430為主處理器，設計ARINC429總線通信在內的雷達導航儀測控系統(tǒng)，采用電池供電，可手持方式工作。該方法降低開發(fā)成本、提高系統(tǒng)可靠性和便攜性，且可以嚴格保證通信的實時性。實驗結果表明該測控系統(tǒng)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(chǎn)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(yōu)點。

關鍵詞：便攜式設備； 低功耗； MSP430； 智能測控系統(tǒng)

中圖分類號：TN965-34 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)17-0146-03

Low-power Portable Radar Navigation Measuring and Control System

WANG Xiao-li1， DUAN Chun-xia1， DU Ning2

(1.Department of Electrical Engineering and Automation， Luoyang Institute of Science and Technology， Luoyang 471000， China;

2.School of Electronics and Information Engineering， Shanghai University， Shanghai 200000， China)

Abstract： For the dual needs of product measuring and in-field test for some modern radar navigation device， a portable low-power intelligent measuring and control system is designed. The system uses MSP430 as main processor， and works in hand-held manner by battery power support. This approach can reduce development costs， improve the system's reliability and portability， and ensure the communication strictly. The experimental results show that the measuring and control system can provide all kinds of navigation detection singles for the radar navigation device， accomplish the product measuring and in-field test functions， and has advantages of high integration， intelligentize and interface standardization.

Keywords： portable device; low-power; MSP430; intelligent measuring and control system

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(xiàn)代飛機航空電子系統(tǒng)要求各機載航空設備使用統(tǒng)一的航空總線，以方便系統(tǒng)集成［1］。ARINC429 總線是航空電子設備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮娇展I(yè)標準，具有接口方便、數(shù)據(jù)傳輸可靠的特點，目前已經(jīng)是航空領域應用最廣泛的航空電子總線［2］。ARINC429是美國航空無線電公司(ARINC)制定的航空數(shù)字總線傳輸標準，屬單向數(shù)據(jù)總線，可由兩根獨立總線實現(xiàn)雙向傳輸，數(shù)據(jù)傳輸率為12.5~100 Kb/s，傳輸字為32位。總線上的發(fā)送器只能有一個，而接收器可多達20個［3］。國內外研究和實現(xiàn)ARINC429總線通信的文獻很多，接口豐富且使用廣泛。文獻［4］采用FPGA實現(xiàn)了ARINC429的接口轉換為通用的USB接口。文獻［5］采用C8051單片機為核心，在測控ARINC429總線數(shù)據(jù)的同時，還能夠監(jiān)測總線上電氣特性的變化。文獻［6］研究了基于PC/104總線結構的ARINC429總線測控系統(tǒng)，可以完成多路429總線數(shù)據(jù)的實時接收和發(fā)送功能。文獻［7］研究了基于FPGA的ARINC429總線接收發(fā)送系統(tǒng)，實現(xiàn)四路ARINC429信號接收和兩路發(fā)送的功能。雖然采用ARINC429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(chǎn)雷達導航儀的體積不斷優(yōu)化，功能日益復雜，傳統(tǒng)的測控手段由于采用人工組裝、整機測試的方法，已經(jīng)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(tǒng)。此測控系統(tǒng)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(tǒng)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(chǎn)測試、外場調試、后期維護等功能。

1 ARINC429 串行總線

ARINC429總線是一種單向廣播式數(shù)據(jù)總線，采用雙角屏蔽線傳輸信息，可由兩根獨立總線實現(xiàn)雙向傳輸，數(shù)據(jù)傳輸率為: 高速傳輸?shù)奈凰俾蕿?00 Kb/s±1%，低速傳輸?shù)奈凰俾蕿椋?］(12.0~14.5 )Kb/s±1%。ARINC429規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸采用雙極性歸零制的三態(tài)碼方式，如圖1所示，即調制信號由“高”、“零”和“低”狀態(tài)組成的三電平狀態(tài)。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(tài)變至“高”或“低”狀態(tài)的這一狀態(tài)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(fā)送的第一位起點即為新字的起點。

ARINC429總線數(shù)據(jù)的基本信息單元是由32位構成的一個數(shù)據(jù)字，每個數(shù)據(jù)字被分為5個基本區(qū)域，即標志碼(LABEL)，源/目的識別碼(SDI)，數(shù)據(jù)區(qū)(DATA)，符號狀態(tài)位(SSM)，校驗位(PARITY)，ARINC429總線數(shù)據(jù)信號編碼舉例如圖1所示［9］。

2 硬件及接口電路

接口的實現(xiàn)方式選用Intersil公司的HS3282芯片，它支持ARINC429通信規(guī)范和其他串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，采用+5 V供電。具有兩路接收、一路發(fā)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［8］。使用時和HS3182總線驅動器配合，就可以發(fā)送數(shù)據(jù)進行二級差分驅動，產(chǎn)生ARINC429總線的電平。HS3282數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)送通道。它們構成了數(shù)據(jù)收發(fā)、串并轉換的主體。HS3282主要用來完成接收、發(fā)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(tài)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(shù)據(jù)傳輸功能，實現(xiàn)對HS3282的16位數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)收發(fā)操作。測試數(shù)據(jù)由預先設置或手工輸入兩種方式完成。返回數(shù)據(jù)顯示到高亮度液晶顯示器上。圖2為測控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結構圖。

3 總體軟件設計

雷達導航儀智能測控系統(tǒng)以單片機為核心，控制測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送、轉換、接收、顯示等功能。本系統(tǒng)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，150 ns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(tǒng)資源完全可以滿足雷達導航儀的測控要求［10］。

系統(tǒng)工作可分為三種主狀態(tài):準備接收狀態(tài)，正在接收狀態(tài)和準備發(fā)送狀態(tài)。整個系統(tǒng)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ARINC429信號發(fā)送流程圖，圖3(b)為信號接收流程圖，橢圓框里寫著系統(tǒng)當前的狀態(tài)名稱，直線表示當前系統(tǒng)所處的狀態(tài)，圓形框表示按鍵，箭頭表示狀態(tài)轉移走向。每一條直線都表示一種循環(huán)的狀態(tài)，在該狀態(tài)中，系統(tǒng)一直等待的按鍵按下，如果有，系統(tǒng)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(zhí)行該按鍵對應的程序。例如在準備接收狀態(tài)，如果背光鍵按下，液晶屏背光則從亮變?yōu)闇缁驈臏缱優(yōu)榱痢ｎl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(tǒng)將跳到讀寫存儲器子狀態(tài)；確認鍵按下，系統(tǒng)將跳到正在發(fā)送主狀態(tài)。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(shù)據(jù)進行發(fā)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(shù)值的通信。

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(tǒng)的測試內容包括：發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)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(tǒng)現(xiàn)場波形如圖4所示，發(fā)送的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)之間的時間間隔，即組間數(shù)據(jù)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(tǒng)已設計完成，并交付航空某研究所的生產(chǎn)維修部門進行雷達導航儀的生產(chǎn)調試和外場測試使用。實踐證明：系統(tǒng)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(tǒng)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(chǎn)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(yōu)點。同時創(chuàng)造了可觀的經(jīng)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。

參 考 文 獻

［1］丁猛，郭英.ARINC429信號處理板的設計［J］.微計算機信息，2008，24(5):30-33.

［2］唐亮，于海勛.ARINC429信號收發(fā)軟件的設計與驗證［J］.電子測量技術，2008，31(3):27-31.

［3］魯興舉，鄭志強.基于ARINC429總線的導彈綜合測試系統(tǒng)［J］.兵工自動化，2005，24(2):14-17.

［4］ZHOU De-Xin， FAN Zhi-Yong. Design and implementation of a USB-based ARINC429 interface [J]. Journal of Electron. Devices， 2005， 28(2): 432-434.

［5］LIU Liansheng， ZHANG Lei. Research of method for testing ARINC429 bus [C]. 2010 Chinese Control and Decision Conference. [S.l.]: CCDC， 2010: 2203-2208.

［6］李友，段哲民.基于PC/104總線的ARINC429總線測控系統(tǒng)［J］.微處理機，2005，6(12):90-94.

［7］何蘇勤，吳飛.基于FPGA的ARINC429總線接收發(fā)送系統(tǒng)的設計［J］.微電子學，2007，37(2):301-304.

［8］陳三，富立，王醫(yī)民.ARINC429串行總線在航空測試系統(tǒng)中的接口設計與實現(xiàn)［J］.工業(yè)控制計算機，2007，20(5):8-11.

［9］Intersil America Inc. HS3282 CMOS ARINC bus interface circuit datasheet [EB/OL]. [2008-08-16]. http://www.intersil.com.

［10］魏小龍.MSP430系列單片機接口技術及系統(tǒng)設計實例［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2002.

作者簡介：

王曉麗 1980年出生，教師。主要研究方向為智能控制、測控技術。