雙通道艦船信號發生儀的研制

邵瑋

摘 要： 研制一臺雙通道艦船信號發生儀，為雷達穩定平臺提供艦船信號，以測試穩定平臺的工作狀態。從設計指標要求著手，給出設計方案，從結構設計、硬件設計、軟件設計等方面進行儀表的具體設計。完成儀表設計方案，實現設計功能，滿足設計指標。結果表明儀表使用方便、操作簡單、顯示清晰、輸出穩定可靠，在測試穩定平臺的工程實踐應用中表現良好。

關鍵詞： 雙通道； 艦船信號； 信號發生儀； 16位精度

中圖分類號： TN957.51?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0072?05

0 引 言

艦艇在海面上會受到風浪的作用而產生搖擺運動。雷達天線隨同艦艇搖擺，就會使雷達波束偏離目標，降低作用距離，加大測量誤差，甚至會丟失目標，因此在工程實踐中，必須設法穩定雷達天線的波束。

艦載雷達天線波束的穩定方法大致分為機械穩定、電氣補償或兩者相結合。常見的艦載雷達的機械穩定平臺系統是由以艦船艏艉方向為軸向的橫搖軸和在水平面上與之垂直的艦左右舷方向為軸向的縱搖軸疊加組成，加上方位軸，形成一個三軸系統。

在雷達裝艦后，由平臺羅經為雷達提供橫搖軸和縱搖軸的角度信號。而在雷達裝艦前的生產、調試和各項試驗中，各型雷達穩定平臺均需要1臺替代平臺羅經的設備作為信號源，才能進入工作狀態。同時在調試中同時還需要提供航向（原由導航提供）、航速（原由計程儀提供）兩種對外接口信號。隨著技術改造對雷達精度要求的提高，平臺羅經、導航等設備從14位精度單通道信號升級了16位精度雙通道信號，相應的雷達也將接收模塊升級為16位精度雙通道。因此，原先的單通道艦船信號發生器已經無法滿足需求，于是，設計研制多路輸出多功能的雙通道信號發生器的任務迫在眉睫。

1 總體設計

1.1 設計要求

雙通道艦船信號發生儀在科研生產中的作用如圖1所示。

雷達伺服分機在工作狀態需要平臺羅經提供艦船搖擺信號，導航提供航向信號，計程儀提供航速信號，而這些對外接口信號只有在全艦所有系統聯調時才能提供。因此在內部設備調試階段中，需要由雙通道艦船信號發生儀來模擬這些對外接口信號。天線穩定轉臺對搖擺信號進行跟蹤，測試系統能夠定量測試穩定平臺跟蹤精度，并與相關考核指標比對。航向信號和航速信號也需要比對輸入信號與解算出的顯示值進行驗證，也有相關精度要求。

該儀表的設計要求如下：能夠模擬自整角機，產生縱搖、橫搖、航向三路雙通道模擬信號（16位有效數字量）以及航速一路單通道模擬信號（13位有效數字量），便于相關產品的調試使用；要求縱、橫搖搖擺信號周期1～99 s可調、幅值0°～180°可調，具備暫停、復位功能；航向能0°～360°連續變化，具備暫停在任一所需角度并保持穩定輸出的功能；航速能連續變化，0～55節，具備穩定在某一航速并保持穩定輸出；所有參數的設定、實時數據通過LCD液晶屏顯示；

根據以上設計要求和指標，可以繪制出系統需求的基本功能框圖，如圖2所示。

工程實踐中艦船信號的傳輸方式一般是三相自整角信號。雙通道艦船信號發生儀主要作用在于產生縱橫搖信號。縱橫搖信號一般近似正弦信號，根據不同的海況，常見的周期幅值有縱搖3°，周期5 s和橫搖10°，周期9.5 s等等。對于正弦信號發生器，一般有函數發生器、單片機、PC/104、DDS相位疊加合成波形等幾種實現方式。其中前兩種方案缺陷較多，技術相對落后，無法滿足本次項目的需求，先予以排除。由于本項目需要產生的正弦波波形頻率相當低，對精度要求卻較高，最后一種方案卻更適合高頻率信號發生器的方案。對于接口輸出方面，PC/104方案易于實現數字信號和自整角信號的直接輸出轉換。另外PC/104方案廣泛應用在各型裝備中，軟硬件功能實現相對成熟，因此決定采用PC/104嵌入式開發來實現本儀表的研制。

1.2 功能分解

雙通道艦船運動信號發生器是一個軟硬件相結合的系統，系統主要需要完成的任務是產生正弦信號數字量以及將其轉換為模擬量輸出。按功能大致可以分為信號發生模塊、數模轉換模塊、配電模塊、顯示模塊和其他部分五個部分。

在信號發生模塊部分，縱搖橫搖信號由PC/104根據設定值實時運算產生，分時輸出至雙通道數模轉換器即可實現數字量到模擬量的轉換。對于航向，提供固定值輸出和航向勻速增大兩種輸出形式，輸出至雙通道數模轉換器。對于航速，PC/104提供固定值輸出，輸出至單通道數模轉換器。

數模轉換模塊由3塊雙通道數模轉換器和1塊單通道數模轉換器組成，可以將數字信號直接轉換成自整角信號輸出，輸出幅值0～90 V，無需外接放大器。

配電模塊方面，由于本系統各器件需要提供的電平信號種類眾多，對輸入電平穩定性要求又比較高，下文將詳細敘述。

顯示模塊PC/104一體化解決方案中推薦的6.4寸64×480分辨率顯示屏。5 V電平，PC/104內置顯卡直接驅動，無需其他電路輔助。

其他部分包括儀表結構、散熱、接插件等等，儀表機箱采用外購定制，其他盡可能采用現有元器件配件，并委托結構工藝及車間電裝人員輔助完成相關設計安裝工作。

2 硬件設計

2.1 主要元器件

本儀表擬采用的SCM/SPT2E（PC/104模塊）是一款“all?in?one”模塊。它在板集成了10/100 Base?T以太網接口和高性能圖形處理器。采用X86兼容處理器，運行速度300 MHz，在板內存支持最大128 MHz，3.3 V SDRAM。圖形處理器可支持各種LCD和TFT顯示屏，1M顯存。同時在板支持PS/2鍵盤、PS/2鼠標、IDE接口、Floppy接口、兩個串口一個并口、USB接口以及看門狗。

數模轉換器SZZ雙速系列數字?同步轉換器是杰瑞公司生產的一種高精度的同步模擬輸出裝置，該系列轉換器輸入數字角度量為16～19位自然并行二進制數碼，兼容TTL/CMOS電平：輸入參考信號為400 Hz頻率的正弦波；輸出軸角模擬信號為粗、精雙路同步信號。

在電源模塊選型階段，調研過同類儀表所用方案，一般采用開關電源進行AC?DC轉換，特點是小型、輕量和高效率。然而在本儀表的應用中，由于輸入端電壓特殊（400 Hz），輸出端電平種類多樣且電流大，對輸出波形要求高要求電流穩定紋波小，儀表本身工作環境嚴苛。完全沒有符合條件的市售成品，因此排除了使用開關電源的方案。相比而言，線性電源的主要特點為線技術成熟，定制成本較低，高穩定度，紋波小，工作環境溫度寬等特點幾乎完全是為本儀表量身定做，因此采用朝陽公司的4NIC?X定制型線性整流電源線性電源方案。

FPGA芯片采用XC2S100EPQ208，這是Xilinx公司的一款100萬門的FPGA，有208個引腳，核心電壓3.3 V，參考電壓1.8 V，用于信號處理電路。

2.2 信號發生與處理電路

信號發生與處理電路是一塊四層印制板，安裝在機箱前部的上層。四層PCB的正面與背面走信號線，中間層分別為電源和地線層，信號與供電分離，保證信號不受干擾。

本儀表的核心器件選用盛博公司的SCM/SPT2E型PC/104，系統核心模塊對外接口通過大量的跳線進行連接，包括顯示、鍵盤輸入、串口、USB口。根據器件手冊，這些跳線定義見表1。

J8口通過一個扁平電纜與機箱前面板上的液晶顯示屏連接。另外從線性整流電源提供一路5 V送給液晶屏的逆變器，作為液晶屏的電源驅動。液晶屏采用的是盛博公司代理的臺灣元太屏PD064VT5N1，該液晶屏與盛博公司的PC/104完美匹配，使用中無需配置。J2口提供了一個集成了喇叭、復位鍵、鍵盤、鼠標四種功能的連接線，提供輸入輸出功能。J3和J13分別通過隨機電纜連接到機箱后面板，為本儀表提供預留的串口輸出和USB輸出功能。

在印制板上設計了大量的發光二極管，用于儀表調試階段逐位分別顯示縱搖、橫搖、航向、航速的數字信號，并且方便觀察變化規律。由于PC/104的數據位輸出驅動能力有限，因此需要將每一路數據輸出到FPGA中轉鎖存。同時，負責處理儀表的眾多旋鈕和按鈕的按鍵響應以及與PC/104的交互也需要FPGA分擔一部分工作。

縱搖、橫搖、航向、航速四路信號分別使用一塊FPGA芯片，其中航向的FPGA芯片還負責與PC/104通信以及采集前面板按鍵信息。由于FPGA本身特性是掉電后配置文件和程序會丟失，因此每塊FPGA需要配備一塊對應的加載芯片，以在重新上電時為FPGA加載配置文件和程序。

2.3 數/模轉換電路

數/模轉換電路板設計為4層印制板，安裝在機箱前部的下層，在信號發生與處理電路板下方。在信號發生電路產生縱搖、橫搖、航向、航速數字信號后，通過數據排線輸出到數/模轉換電路，由3塊17位雙通道數字?自整角信號轉換器，1塊14位單通道數字?自整角信號轉換器分別進行數/模轉換，并以三相自整角信號形式輸出。

以縱搖信號為例，首先對17SZZ349B?S36轉換器的EN腳置高電平，該轉換器即開始工作。從PC/104產生的16位數字信號經FPGA鎖存后送至轉換器的1～16腳（17腳無數據，始終置0），轉換器實時將數字信號轉換成精粗雙通道自整角信號，由FS1/FS2/FS3輸出精通道數據，CS1/CS2/CS3輸出粗通道數據，送至DB25插頭上，經連接電纜送至機箱后面板輸出。

航速數/模轉換電路采用的是14SZZ349B單通道轉換器，航速數據只有單通道，S1/S2/S3送到機箱后面板的XS4輸出。

2.4 配電部分

雙通道艦船信號發生儀的配電部分由我單位自制的變壓器和從朝陽公司定制的4NIC?X線性整流電源兩部分組成。整個儀表需要供電的模塊包括信號發生與處理電路、數/模轉換電路、液晶顯示屏、散熱風扇。除數模轉換電路上所需的400 Hz，115 V交流電由變壓器輸出端提供外，其他的直流電均由線性整流電源提供輸出，各路輸出去向列表見表2。

3 軟件設計

3.1 設計要求

設計雙通道艦船信號發生儀的軟件，要求能在液晶屏上顯示菜單界面，實現縱搖、橫搖、航向、航速分路輸出（可以獨立輸出也可以同時輸出）：縱橫搖設定周期和幅值后，具備啟動、暫停和復位功能；航向的輸出提供固定值輸出和順時針勻速轉動兩種方式，勻速轉動時具備啟動、暫停和回零功能；航速的輸出提供固定值輸出和勻速提速兩種方式，勻速提速時具備啟動、暫停和回零功能。

3.2 開發環境

信號發生程序由PC/104編譯執行。盛博SCM/SPT2E型PC/104板載一片64M的固態電子盤，最大可以擴充到1G容量。它可以安裝操作系統，使得PC/104無需掛接驅動器即可啟動工作。該固態電子盤預裝了MS?DOS 6.22，內置Borland C 3.1。該開發環境相當成熟，已應用多年。程序使用C語言編寫。

信號處理程序在FPGA中執行，使用VHDL語言編寫，編輯和編譯的環境是Xilinx公司推薦的ISE 7.0程序。

3.3 艦船信號發生程序

分析信號發生程序的設計需求，縱搖、橫搖、航向、航速四路信號產生在原理上類似，代碼復用率很高；在功能上又相互獨立，適合采用模塊化設計的方法來簡化設計。

程序的大致流程如下：首先采集縱搖、橫搖、航向、航速設定值（未設定的默認為零），隨后監視按鍵（鍵盤）指令輸入，根據按鍵指令調用縱搖發生子程序、橫搖發生子程序、航向發生子程序或是航速發生子程序的相應功能；然后統一將各子程序產生的數據送信號處理電路以及送液晶屏顯示。根據設計思路，畫出流程示意圖如圖3所示。

以縱搖信號產生子程序為例。首先，判斷縱搖是否啟動。啟動鍵按下后，向數/模轉換電路的縱搖輸出數/模轉換器的EN位輸出高電平。檢測到暫停鍵被按下時，輸出鎖存并保持。在暫停狀態下，檢測到復位鍵被按下時，將輸出置零，并等待啟動信號。在暫停狀態下，檢測到退出鍵被按下，向數/模轉換電路的縱搖輸出數/模轉換器的EN位輸出低電平，然后退出縱搖子程序。非暫停狀態下屏蔽復位信號和退出信號。根據以上設計，畫出縱搖子程序系統框圖如圖4所示。

航向發生子程序首先獲取初始航向設定值，向數/模轉換電路的航向輸出數/模轉換器的EN位輸出高電平。然后，按設定值輸出并保持。檢測到啟動鍵按下時，航向按照每秒10°的速度勻速增大，到360°歸零并繼續循環。檢測到暫停鍵被按下時，輸出鎖存并保持。在暫停狀態下，檢測到復位鍵被按下時，將輸出置為設定值，并等待啟動信號。

在暫停狀態下，檢測到退出鍵被按下，向數/模轉換電路的縱搖輸出數模轉換器的EN位輸出低電平，然后退出航向子程序。非暫停狀態下屏蔽復位信號和退出信號。根據以上設計，畫出航向子程序系統框圖如圖5所示。

航速發生子程序與航向類似。不同之處在于檢測到啟動鍵按下時，航速按照5節/s的速度勻速增大，最大值為55節，到55節歸零并繼續循環。

PC/104的中斷控制由兩片8259A芯片級聯，構成16級的向量優先級中斷系統。在本儀表中，由于PC/104的數據線只有16位，而縱搖、橫搖、航向每路數據都有16位，航速數據有14位，不可能實現同時并行輸出。同時需要監視按鍵信號，讀取外部數據，因此必須利用中斷服務程序，配合使能中斷和關斷中斷的函數，來實現信號的分時輸出。

3.4 信號處理程序

在本儀表中，信號處理模塊中的FPGA起著承上啟下，溝通內外信號的重要作用。它負責監聽前面板按鍵信號，實時傳送給PC/104，而PC/104實時產生的大量數據也必須送到FPGA，進行分配后分兩路，一路送數/模轉換電路進行D/A轉換成最終的自整角輸出信號，一路送到印制板的發光二極管，以便于調試時自檢數據輸出的正確性。根據以上要求，FPGA輸入輸出信號流程圖如圖6所示，FPGA程序的系統框圖如圖7所示。

4 結 語

本研制項目采用PC/104嵌入式設計雙通道艦船信號的發生，用自整角數/模轉換器實現了數/模轉換與信號放大輸出艦船信號，完全滿足設計要求，完成了雙通道艦船信號發生儀的設計開發，及時填補了科研生產實踐在該領域的空白，并已投入使用。該儀表具有使用方便、操作簡單、顯示清晰明了、輸出穩定可靠等優點，在工程實踐中應用表現良好。此外，本儀表硬件電路不復雜，硬件性能留有大量裕度，軟件程序模塊化編寫，便于后期進一步開發，增加功能，提高儀表性能和適用性。

參考文獻

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[6] 夏棟，羅兵.DSP及FPGA在多路多功能信號源設計中的應用[C]//艦船電子裝備維修理論與應用——中國造船工程學會電子修理學組第四屆年會暨信息裝備保障研討會論文集.北京：中國造船工程學會，2005：89?92.

航向發生子程序首先獲取初始航向設定值，向數/模轉換電路的航向輸出數/模轉換器的EN位輸出高電平。然后，按設定值輸出并保持。檢測到啟動鍵按下時，航向按照每秒10°的速度勻速增大，到360°歸零并繼續循環。檢測到暫停鍵被按下時，輸出鎖存并保持。在暫停狀態下，檢測到復位鍵被按下時，將輸出置為設定值，并等待啟動信號。

在暫停狀態下，檢測到退出鍵被按下，向數/模轉換電路的縱搖輸出數模轉換器的EN位輸出低電平，然后退出航向子程序。非暫停狀態下屏蔽復位信號和退出信號。根據以上設計，畫出航向子程序系統框圖如圖5所示。

航速發生子程序與航向類似。不同之處在于檢測到啟動鍵按下時，航速按照5節/s的速度勻速增大，最大值為55節，到55節歸零并繼續循環。

PC/104的中斷控制由兩片8259A芯片級聯，構成16級的向量優先級中斷系統。在本儀表中，由于PC/104的數據線只有16位，而縱搖、橫搖、航向每路數據都有16位，航速數據有14位，不可能實現同時并行輸出。同時需要監視按鍵信號，讀取外部數據，因此必須利用中斷服務程序，配合使能中斷和關斷中斷的函數，來實現信號的分時輸出。

3.4 信號處理程序

在本儀表中，信號處理模塊中的FPGA起著承上啟下，溝通內外信號的重要作用。它負責監聽前面板按鍵信號，實時傳送給PC/104，而PC/104實時產生的大量數據也必須送到FPGA，進行分配后分兩路，一路送數/模轉換電路進行D/A轉換成最終的自整角輸出信號，一路送到印制板的發光二極管，以便于調試時自檢數據輸出的正確性。根據以上要求，FPGA輸入輸出信號流程圖如圖6所示，FPGA程序的系統框圖如圖7所示。

4 結 語

本研制項目采用PC/104嵌入式設計雙通道艦船信號的發生，用自整角數/模轉換器實現了數/模轉換與信號放大輸出艦船信號，完全滿足設計要求，完成了雙通道艦船信號發生儀的設計開發，及時填補了科研生產實踐在該領域的空白，并已投入使用。該儀表具有使用方便、操作簡單、顯示清晰明了、輸出穩定可靠等優點，在工程實踐中應用表現良好。此外，本儀表硬件電路不復雜，硬件性能留有大量裕度，軟件程序模塊化編寫，便于后期進一步開發，增加功能，提高儀表性能和適用性。

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航向發生子程序首先獲取初始航向設定值，向數/模轉換電路的航向輸出數/模轉換器的EN位輸出高電平。然后，按設定值輸出并保持。檢測到啟動鍵按下時，航向按照每秒10°的速度勻速增大，到360°歸零并繼續循環。檢測到暫停鍵被按下時，輸出鎖存并保持。在暫停狀態下，檢測到復位鍵被按下時，將輸出置為設定值，并等待啟動信號。

在暫停狀態下，檢測到退出鍵被按下，向數/模轉換電路的縱搖輸出數模轉換器的EN位輸出低電平，然后退出航向子程序。非暫停狀態下屏蔽復位信號和退出信號。根據以上設計，畫出航向子程序系統框圖如圖5所示。

航速發生子程序與航向類似。不同之處在于檢測到啟動鍵按下時，航速按照5節/s的速度勻速增大，最大值為55節，到55節歸零并繼續循環。

PC/104的中斷控制由兩片8259A芯片級聯，構成16級的向量優先級中斷系統。在本儀表中，由于PC/104的數據線只有16位，而縱搖、橫搖、航向每路數據都有16位，航速數據有14位，不可能實現同時并行輸出。同時需要監視按鍵信號，讀取外部數據，因此必須利用中斷服務程序，配合使能中斷和關斷中斷的函數，來實現信號的分時輸出。

3.4 信號處理程序

在本儀表中，信號處理模塊中的FPGA起著承上啟下，溝通內外信號的重要作用。它負責監聽前面板按鍵信號，實時傳送給PC/104，而PC/104實時產生的大量數據也必須送到FPGA，進行分配后分兩路，一路送數/模轉換電路進行D/A轉換成最終的自整角輸出信號，一路送到印制板的發光二極管，以便于調試時自檢數據輸出的正確性。根據以上要求，FPGA輸入輸出信號流程圖如圖6所示，FPGA程序的系統框圖如圖7所示。

4 結 語

本研制項目采用PC/104嵌入式設計雙通道艦船信號的發生，用自整角數/模轉換器實現了數/模轉換與信號放大輸出艦船信號，完全滿足設計要求，完成了雙通道艦船信號發生儀的設計開發，及時填補了科研生產實踐在該領域的空白，并已投入使用。該儀表具有使用方便、操作簡單、顯示清晰明了、輸出穩定可靠等優點，在工程實踐中應用表現良好。此外，本儀表硬件電路不復雜，硬件性能留有大量裕度，軟件程序模塊化編寫，便于后期進一步開發，增加功能，提高儀表性能和適用性。

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