一種機載導(dǎo)航計算機通訊部件的國產(chǎn)化設(shè)計方案

文/劉祥水 宋中建 尹進軍（國營蕪湖機械廠）

通訊部件是某型飛機導(dǎo)航計算機和導(dǎo)航駕駛綜合體的重要組成部分[1]，主要用于輸入飛行計劃、顯示導(dǎo)航信息和檢測導(dǎo)航綜合系統(tǒng)的良好狀態(tài)，同時還擔(dān)負著傳輸空中操縱控制臺與導(dǎo)航計算機之間的部分導(dǎo)航信息的工作。因此其操縱性能以及顯示和檢測等功能將直接影響到飛行計劃的正確執(zhí)行、導(dǎo)航參數(shù)的正確顯示以及檢測故障的真實性等各項任務(wù)的順利、快速完成，對提高飛機的快速機動能力具有重要的軍事意義。

但由于該設(shè)備設(shè)計年代較早，硬件技術(shù)較為落后，制約了飛行參數(shù)輸入的快速性和導(dǎo)航狀態(tài)顯示的高效性。其主要缺陷有：硬件嚴(yán)重落后，主要采用的是機械轉(zhuǎn)動式顯示，反應(yīng)速度慢；參數(shù)輸入過程比較繁瑣，操作步驟過多，實時性不高；輸入設(shè)備落后，可靠性低。

本文研究的目的就是在掌握該控制臺工作原理基礎(chǔ)上，設(shè)計出一個使用方便、操作簡單、工作可靠的國產(chǎn)化替代產(chǎn)品，以克服上述缺點。

一、通訊部件的工作原理

通過分析通訊部件內(nèi)部電路，可將產(chǎn)品劃分為兩大部分功能模塊：接收和顯示從導(dǎo)航計算機發(fā)送來的信息裝置，形成和向?qū)Ш接嬎銠C發(fā)送信息的裝置。這兩個模塊的功能是通過20 位串行碼通信方式實現(xiàn)的。

1.通信方式

通訊部件與導(dǎo)航計算機之間的通信，是通過20 位單極性同步串行碼的通信方式實現(xiàn)的，每個字有5 個4 位碼，其中一個為字號編碼，其余4 位碼為傳遞的信息。信號為TTL 電平，它占用導(dǎo)航計算機串行通道中的一個，時鐘為40kHz 同步脈沖，線路信息分別為導(dǎo)航計算機和通訊部件相互發(fā)送信息。

具體過程為：在每個0.15s 短循環(huán)時間內(nèi)，當(dāng)有發(fā)送碼選通脈沖“СВК”，并且從運算器來的字編碼與控制臺規(guī)定的字編碼相同時，由控制臺接收信息；當(dāng)有接收碼選通脈沖“СПК”，并且在發(fā)送串行碼的上一節(jié)拍中從УП0—УП3 字中有一個字的編碼與控制臺規(guī)定的字編碼相重合時，由控制臺向運算器發(fā)送信息。

導(dǎo)航計算機向通訊部件發(fā)送四個字：УП0、УП1、УП2、УП3；通訊部件發(fā)出四個字：СП0、СП1、СП2、СП3。

2.通信功能

導(dǎo)航計算機與通訊部件通信確保完成以下功能：在一個短循環(huán)內(nèi)將УП0—УП3 字寄存器中的УП0—УП3 字發(fā)送給通訊部件，接收由通訊部件發(fā)來的СП0—СП3 字，經(jīng)過處理形成新的УП0—УП3 字，再對УП0—УП3 字寄存器進行更新，然后進入下一個短循環(huán)。

為了提高發(fā)送信息的可靠性，СП2、СП3 分別和СП0、СП1 相互復(fù)制。СП0—СП3 各個字的內(nèi)容由空中操縱控制臺和通訊部件上的按鈕以及從外部系統(tǒng)加來的一次性有效指令形成。

導(dǎo)航計算機發(fā)送給通訊部件的四個信息字為УП0—УП3，通訊部件發(fā)出的四個信息字為СП0—СП3。

其中，УП0—УП3 的內(nèi)容確定了通訊部件的信號盤和顯示器的狀態(tài)。而УП0—УП3 字的內(nèi)容由導(dǎo)航計算機通過處理通訊部件的輸出信息（СП0—СП3）按照程序形成。

二、總體設(shè)計思路與方案

1.整體設(shè)計思路

在該通訊部件的國產(chǎn)化設(shè)計中，對其功能進行全新設(shè)計，而保持外圍接口不變，實現(xiàn)功能替換。該方法的優(yōu)點是，不受原電路圖的限制，可采用較多性能可靠、價格便宜的新型器件以及更為先進的設(shè)計工具和思想，從而大幅度提高產(chǎn)品的性價比。

2.通訊部件的總體設(shè)計方案

通訊部件的總體設(shè)計包括硬件和軟件的設(shè)計，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。從外圍接口功能上可劃分為5部分：輸入顯示單元，與空中操縱通訊部件的接口轉(zhuǎn)換電路單元，與導(dǎo)航計算機的通信接口單元，與其他相關(guān)設(shè)備的接口電路和中央處理單元。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

輸入顯示單元[2]。輸入方式主要采用鍵盤輸入方法，對各按鍵設(shè)定相應(yīng)的功能符號，如經(jīng)、緯度，航路點，機場等，通過對鍵盤輸入轉(zhuǎn)換程序的處理實現(xiàn)各導(dǎo)航參數(shù)和導(dǎo)航狀態(tài)的輸入。顯示方式采用虛擬界面顯示和燈光顯示結(jié)合的顯示方式，導(dǎo)航參數(shù)由EL 屏進行虛擬顯示。

中央處理器。根據(jù)國產(chǎn)化的整體要求，中央處理器采用PC104 微機，通過總線實現(xiàn)與外圍接口電路的通訊。

接口電路單元。接收空中操縱控制臺的控制指令如航路點、機場、無線電信標(biāo)、距離等按鍵信號，完成指令轉(zhuǎn)換，發(fā)送給PC104 微機；同時接收PC104 微機發(fā)出的控制信號，如信號燈、數(shù)字燈和狀態(tài)信號燈等，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的驅(qū)動信號發(fā)給空中操縱通訊部件。

接口軟件功能及環(huán)境。對各種指令信號的接收處理，形成對應(yīng)的串行碼信號，通過“串行碼發(fā)送電路”發(fā)給導(dǎo)航計算機；接收處理由導(dǎo)航計算機發(fā)來的串行碼信號，進行譯碼和邏輯分配，然后發(fā)送給各個接口電路。

三、硬件電路設(shè)計

1.接口電路設(shè)計

接口電路由兩部分組成，一是電平轉(zhuǎn)換電路，完成控制臺控制與顯示信號的邏輯標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換；二是基于CPLD 的邏輯處理電路，主要完成控制信號和狀態(tài)信號的邏輯處理，采用VHDL 語言設(shè)計。

電平轉(zhuǎn)換電路。根據(jù)控制臺的輸入輸出信號特點，低電平都為0V，故電平轉(zhuǎn)換主要為高電平轉(zhuǎn)換。電平轉(zhuǎn)換包括兩方面：輸出指令電平的標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換和反饋狀態(tài)信號電平的非標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換。具體電路實現(xiàn)存在兩種方式，一種是將1V 非標(biāo)準(zhǔn)電平轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電平+5V，另一種是將標(biāo)準(zhǔn)電壓+5V 轉(zhuǎn)換為+27V?？紤]到控制臺所需電流較大，電平轉(zhuǎn)換電路主要由分立元件三極管、電阻等組成，利用三極管的飽和截止特性，完成電壓變換。

基于VHDL 的邏輯電路[3]。采用自頂向下的設(shè)計思想進行電路設(shè)計時，接口電路功能可分為兩個功能塊，即指令接口功能塊和狀態(tài)功能塊，采用CPLD 器件實現(xiàn)。系統(tǒng)編程主要分讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)兩種時序進行，占系統(tǒng)三個 I/O 端口地址。RD 為讀信號，WR 為寫信號，CS 為片選信號，A0、A1 為兩位低位地址輸入信號，K1…K12 為電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后的控制信號，“0”電平表示有信號，“1”則表示沒有，DATA 為8 位數(shù)據(jù)總線。指令功能塊占用一個I/O 端口地址，主要完成控制信號和一次性指令信號的輸入，由緩沖器、編碼器、狀態(tài)形成器等組成。當(dāng)有控制指令信號時，對其進行狀態(tài)編碼，并形成狀態(tài)請求信號，通過RD、CS、A0 和A1 信號的控制，同時送到緩沖器，最后由計算機一并讀入控制指令和請求狀態(tài)信號。狀態(tài)控制功能塊占用系統(tǒng)兩個I/O 端口地址。一個為控制命令字寫入，另一個為狀態(tài)數(shù)據(jù)寫入。對計算機輸出指令進行編程，通過操作控制命令字將計算機輸出狀態(tài)數(shù)據(jù)分別寫入各鎖存器，輸出相應(yīng)的狀態(tài)信號，根據(jù)控制臺接受狀態(tài)信號種類，共分5 組輸出，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 CPLD 接口電路

具體工作過程：通過WR 信號從I/O 端口輸出數(shù)據(jù)DATA，并將其緩沖鎖存；通過RD 信號讀入命令字，然后由控制字實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分發(fā)并形成總線數(shù)據(jù)送給各個鎖存通道，實現(xiàn)各通道同時工作。

2.20位串行碼通信電路設(shè)計

通訊部件與導(dǎo)航計算機的信息傳輸是通過20 位串行碼實現(xiàn)的，設(shè)計PC104 微機與導(dǎo)航計算機可靠的通信電路是實現(xiàn)功能替換的關(guān)鍵因素之一，這里簡要介紹一下串行碼接收和發(fā)送電路。

圖3 串行碼接收電路原理框圖

串行碼接收電路的功能是將導(dǎo)航計算機發(fā)送給通訊部件的20 位單極性同步串行碼，轉(zhuǎn)換成并行碼讀入數(shù)據(jù)總線，原理框圖如圖3 所示。導(dǎo)航計算機的輸出信號首先經(jīng)過濾波電路抑制脈沖噪聲，20 位單極性同步串行碼在移位脈沖的作用下按次序移入串并轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成并行碼送入輸入緩沖器。當(dāng)20 位串行碼的一個字全部移入串并轉(zhuǎn)換電路時由發(fā)送碼選通脈沖СВК 的上升沿發(fā)出中斷請求。中央處理器在中斷服務(wù)程序中通過讀端口操作將輸入緩沖器中的并行信號讀入中央處理器。

串行碼發(fā)送電路的功能是將PC104 數(shù)據(jù)總線上來的并行信號，轉(zhuǎn)換成20 位單極性同步串行碼發(fā)送給導(dǎo)航計算機，原理框圖如圖4 所示。導(dǎo)航計算機輸出信號首先經(jīng)過濾波電路抑制脈沖噪聲，中央處理器將要輸出的20位串行碼先以并行碼的形式寫入輸出鎖存器。當(dāng)具備并串轉(zhuǎn)換條件時，并串轉(zhuǎn)換電路將并行碼轉(zhuǎn)換成20 位單極性同步串行碼，再經(jīng)過整形電路整形后送入導(dǎo)航計算機。

圖4 串行碼發(fā)送電路原理框圖

四、軟件電路設(shè)計

由于采用PC104 微機作為中央處理器，許多原控制臺通過硬件電路實現(xiàn)的復(fù)雜功能可通過軟件編程實現(xiàn)[4]，從而使設(shè)計難度大為減小。本系統(tǒng)軟件的設(shè)計采用模塊化設(shè)計，根據(jù)控制功能和接口通信關(guān)系，系統(tǒng)軟件可分為以下幾部分。

工作平臺初始化程序。主要完成系統(tǒng)啟動時各個部分正常工作的初始化，包括系統(tǒng)自檢程序，各模塊電路的正常工作的初始化程序和系統(tǒng)啟動參數(shù)初始化設(shè)置。

控制功能接口程序。主要負責(zé)控制臺各功能和狀態(tài)控制按鍵功能的程序接口，對各控制指令進行邏輯處理和功能譯碼，并形成可被導(dǎo)航計算機接收的串行碼信息。

與空中操縱通訊部件的接口程序。負責(zé)空中操縱通訊部件和導(dǎo)航計算機的信息交流，即接收空中操縱通訊部件發(fā)出的指令和狀態(tài)信號，進行邏輯處理和譯碼后發(fā)給導(dǎo)航計算機；同時接收導(dǎo)航計算機發(fā)給空中操縱通訊部件的控制指令和狀態(tài)反饋信息。

串行碼通信程序。該程序主要包括三方面：自檢程序，串行碼編碼程序和串行碼譯碼程序。自檢模塊主要通過讀出串行碼傳輸故障檢測電路的輸出信號來檢測串行碼的傳輸故障，有故障時發(fā)出警告；串行碼編碼模塊的功能，是將需要通過通訊部件與導(dǎo)航計算機以串行碼方式進行通信的各種控制指令和狀態(tài)信息，按一定的編碼格式形成相應(yīng)的20 位串行碼（СП0—СП3）放入輸出緩沖區(qū)，經(jīng)由串行碼發(fā)送電路發(fā)給導(dǎo)航計算機；串行碼譯碼模塊的功能，是將輸入緩沖區(qū)中的20 位串行碼（УП0—УП3）取出，并按20 位碼的編碼格式翻譯成顯示碼再送入顯示緩沖區(qū)。

圖形化顯示界面程序。其主要功能是實現(xiàn)多導(dǎo)航參數(shù)和導(dǎo)航狀態(tài)的虛擬界面顯示，生成導(dǎo)航參數(shù)或狀態(tài)的虛擬控制及輸入界面，實現(xiàn)良好的人機交互功能。

五、結(jié)語

本文從該通訊部件的功能、內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)以及與外圍設(shè)備的接口關(guān)系等方面對該控制臺進行了詳細的分析和研究，提出了替代該控制臺的軟硬件設(shè)計方案，并通過工程化實現(xiàn)最終實現(xiàn)了該型控制臺的國產(chǎn)化設(shè)計。