基于MSP430的飛機無線電高度表的超聲波模擬方案設計

盛騰飛

摘 要：低高度無線電高度表是用于測量飛機在低空飛行時地面到飛機的垂直距離的無線電設備，是近地警告系統的組成部分、是重要的飛行器儀表之一。本設計以TI公司生產的16位低功耗單片機MSP430F169為主控制核心，以STC公司生產的8位高速單片機STC89C52作為輔助測距核心。模仿飛機低高度無線電高度表的工作情況，使用超聲波代替無線電進行測距。本設計主要由超聲波測距模塊、MSP430F169主控制模塊、12864液晶顯示模塊、4X4鍵盤模塊、WT588D語音報警模塊組成。

關鍵詞：無線電高度表；MSP430F169；測距；聲光報警

中圖分類號：TH702 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）20-0089-02

Abstract： The low altitude radio altimeter is a radio equipment used to measure the vertical distance between the ground and the aircraft in low altitude flight. It is an integral part of the near earth warning system and one of the important aircraft instruments. In this design， the 16-bit low-power single-chip microcomputer MSP430F169 is the main control core， and the 8-bit high-speed single-chip microcomputer STC89C52 produced by STC company is the auxiliary ranging core. The paper simulates the work of the aircraft's low altitude radio altimeter and uses ultrasound instead of the radio for ranging. This design is mainly composed of ultrasonic ranging module， MSP430F169 main control module， 12864 LCD module， 4×4 keyboard module， WT588D voice alarm module.

Keywords： radio altimeter； MSP430F169； ranging； acousto-optic alarm

1 系統硬件設計

1.1 主控制模塊

本設計的主控制模塊是基于MSP430F169低功耗16位單片機的最小系統。此最小系統基于MSP430手冊設計，在公版基礎上增加了供電兼容電路，使用一個3.3V的穩壓芯片AMS1117-3.3，可直接使用5V供電。

1.2 超聲波模塊的電路設計

1.2.1 調制發射部分

本設計調制部分由51單片機定時器主動產生40KHZ的占空比為50%的矩形波，由于51單片機本身的帶載能力有限，不足以產生足夠的功率，驅動超聲波發生管，故本設計加上了一級推挽電路。由與非們74HC04組成的功率推挽電路，其作用單純的將51單片機的輸出信號進行功率放大放大，使超聲波可以發生足夠的距離。超聲波調制部分的原理圖如下：

1.2.2 超聲波接收部分

本設計使用索尼公司生產的CX20106z作為40KHZ超聲波接收芯片。CX20106接收芯片接收40KHZ超聲波的原理和鑒頻器類似。通過其第5管腳的外接電阻可以調節CX20106的中心頻率，其調節范圍為30～60KHZ。CX20106內部由前置放大器、限幅放大器、檢波器、帶通濾波器、積分器及整形電路構成。

超聲波接收電路如圖2所示。

1.3 WT588D語音報警模塊

本設計使用WT588D應用里面的按鍵模式應用，儲存4段報警音，通過MSP430單片機給出大于10ms的低電平來模擬接地按鍵，4段報警音分別對應WT588D芯片的P00～P03管腳，忙檢測輸出低電平，輸出模式為PWM波直接驅動喇叭發聲，其設計電路如圖3所示。

1.4 顯示模塊

12864顯示模塊，顧名思義，其橫向有128個點陣，縱向有64個點陣，沒16X16個點陣可以顯示一個漢字，每8X16個點陣可以顯示一個非中文字符，稱為半寬字體。因12864液晶顯示器本身不帶供電電路和灰度調節電路，故本設計需制作一個12864液晶顯示底座。

1.5 供電模塊

本論文所設計的這款可調穩壓電源，采用三端集成LM317正電壓輸出和 LM337負電壓輸出的可調式穩壓器來實現輸出電壓：正端輸出為1.25～14.26V，負端的輸出電壓為-1.25～-21.55V。

1.6 鍵盤設計

本設計所使用的鍵盤為4X4標準矩陣鍵盤由于MSP430的特殊性，在鍵盤的掃描輸入端應提供4個上拉電阻，其余部分與51單片機的矩陣鍵盤無異。

2 本設計整體原理框圖

系統邏輯簡述：本設計是機載無線電高度表的超聲波模擬裝置，主要用作原理解析和教學教具。此裝置可以用來模擬飛機飛行時，無線電高度表的運行情況。首先，超聲波模塊通過發射、接收超聲波計算出設備的離地高度、對地接近速率和地形狀態。超聲波模塊將這些數據通過串口通訊反饋給MSP430F169主控制模塊，主控模塊對這些數據進行處理。首先生成地形變化波形圖顯示在12864顯示模塊上，其次離地高度，對地接近速率和內置的安全閾值進行比較，如果超出了安全閾值，主控模塊控制WT588D模塊發出和飛機近地警告系統相同的告警音，如“TERRAIN，TERRAIN”、“WHOOP WHOOP，PULL UP，PULL UP”、“SINK RATE”等等，這樣就很好的模擬現實中無線電高度表的工作情況。本設計的鍵盤模塊主要用來常規操作和設置部分參數。

3 結束語

通過多方驗證，本設計可以很好的模擬無線電高度表和EGPWS近地警告系統的工作情景。操作者手持此設備，模擬飛機在空中飛行，則離地高度，對地接近速率以及垂直方向上的地形信息，都可以通過12864顯示器顯示出來，后期也可以通過軟件做出高度變化的折線圖，讓操作者對地形變化有一個更直觀的認識。此設備可以應用在飛行員和機務培養的教育教學中，讓學員很好的對低高度無線電高度表和EGPWS近地警告系統的工作情況有一個較好的認知。

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