一種航管應答機高度模擬器設計與實(shí)現

摘要：針對航管應答機在地面測試時(shí)需要專(zhuān)用氣壓源提供模擬高度信息的缺點(diǎn)，分析了航管應答機高度接口信號的特性，總結出高度數值與高度接口信號之間的對應關(guān)系，設計了基于單片機的航管應答機高度模擬器硬件電路，編制了軟件流程，并進(jìn)行了調試使用，結果表明，該高度模擬器具有操作簡(jiǎn)便、精度高、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)，已廣泛應用于航管應答機的中繼級和大修級維修領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：航管應答機;高度模擬器;單片機;格雷碼

航管應答機是二次雷達系統中的機載設備，無(wú)需人工參與，即能自動(dòng)應答地面雷達對飛機的代碼和高度詢(xún)問(wèn)。航管應答機需要應答的代碼信息可通過(guò)航管應答機的控制盒根據飛機的編號進(jìn)行人工設置，高度信息則是由飛機上的大氣機通過(guò)探測飛機的飛行高度進(jìn)行實(shí)時(shí)提供。當在地面對航管應答機進(jìn)行測試時(shí)，所需的高度信息一般通過(guò)專(zhuān)用的氣壓源為航管應答機測試提供模擬高度，專(zhuān)用氣壓源價(jià)格高，便攜性差，操作使用不便。通過(guò)分析解讀專(zhuān)用氣壓源與航管應答機之間的接口特性和信號定義。如果利用單片機為核心，通過(guò)擴展相關(guān)接口，模擬氣壓源高度輸出接口信號特性，并增加相應的顯示和控制電路，即可完全替換專(zhuān)用氣壓源在航管應答機地面測試中的應用。

1 高度接口信號分析

1.1 編碼特性

航管應答機高度接口信號單位為英尺，范圍在-1200～126700，步進(jìn)值為100英尺，接口信號的編碼采用格雷碼循環(huán)編碼。格雷碼是一種數字排序系統，其中的所有相鄰整數在它們的數字表示中只有一個(gè)數字不同，它在任意兩個(gè)相鄰的數之間轉換時(shí)，只有一個(gè)數位發(fā)生變化，大大減少了由一個(gè)狀態(tài)到下一個(gè)狀態(tài)時(shí)邏輯的混淆，其編碼數據與十進(jìn)制數據之間的對應關(guān)系如表1所示。在選用格雷碼編碼時(shí)既可以選用表1中的對應關(guān)系，也可以選用部分格雷碼重新定義與十進(jìn)制的對應關(guān)系。

高度接口信號的編碼采用11位格雷碼循環(huán)編碼，形成三位編碼數，自左至右其權值分別為8000、500和100，其中左邊一位編碼數是四位格雷碼(16個(gè)數)，用D2 D4 A1 A2表示，對應于表1中的0～15。右邊一位是三位格雷碼(5個(gè)數循環(huán))，用C1 C2 C4表示，選用表1中的格雷碼0001、0011、0010、0110、0100，采用的是循環(huán)編碼的形式，對應于十進(jìn)制數的0、1、2、3、4或4、3、2、1、0，在第一個(gè)周期內對應于0、1、2、3、4，在下一個(gè)周期內對應于4、3、2、1、0，緊接著(zhù)后面的周期內又重新對應于0、1、2、3、4，以后逐次循環(huán)。中間一位是四位格雷碼(16個(gè)數循環(huán)編碼)，用A4 B1 B2 B4表示，對應于表1中的0～15或15～0，循環(huán)形式如右邊一位格雷碼。為了方便編碼，在對高度數據進(jìn)行編碼時(shí)首先加上1200，這樣，高度數據的最小值-1 200就變成了000，然后對000進(jìn)行格雷碼編碼為001，既代表了-1 200英尺的模擬高度。

1.2 數據傳輸格式

高度接口信號有效數據碼為11位，加上同步信號和校驗字共需傳輸4個(gè)字節32位數據，其數據發(fā)送順序如表2所示，其中同步信號占一個(gè)字節，首先傳輸;數據字節占2個(gè)字節緊接著(zhù)同步字節傳輸，11位有效數據傳送順序如表所示，未占用數據位填充0;校驗字節占1個(gè)字節，最后傳輸，其各位數據值為前3個(gè)字節對應位異或所得的結果。

1.3 接口類(lèi)型

不同型號的應答機高度信號通信接口類(lèi)型略有不同，常用的包括RS-422和ARINC429兩種類(lèi)型，RS-422和ARINC429均是工業(yè)和航空領(lǐng)域常用的通信接口，也都有較多的專(zhuān)用芯片供選用。

1)RS-422接口

RS-422接口是一種應用非常廣泛的通信接口，他采用單獨的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數據方向，各裝置之間的信號交換均可選用軟件握手或硬件連接的方式。RS-422信號采用了差分形式的傳輸形式，具有較強的抗干擾能力。RS-422接口最大傳輸距離可達4 000英尺，最大傳輸速率為10Mb/s。

2)ARINC429信號

ARINC429數據總線(xiàn)是美國航空無(wú)線(xiàn)電公司(ARINC)制定的一種民用飛機機載總線(xiàn)規范，它是一種面向接口型的單向廣播式串行數據傳輸總線(xiàn)，在一條總線(xiàn)上定義有一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)或多個(gè)接收器，以差動(dòng)輸出的對稱(chēng)方式工作，采用雙絞屏蔽線(xiàn)異步傳輸數據。ARINC429總線(xiàn)結構簡(jiǎn)單、性能穩定、傳輸可靠，抗干擾能力強。

2 硬件電路設計

高度模擬器硬件電路組成框圖如圖1所示，以單片機89C52最小應用系統為數據的采集和處理核心，并擴展了422接口轉換、429接口轉換、高度碼采集、顯示、復位和譯碼等部分電路。其中422接口轉換電路與單片機的RXD、TXD接口分別選用單片機的P3.0、3.1，D0～D7選用P0口，顯示電路中的DDAT、DCLK和DEN分別選用P2.0、P2.1和P2.2。

2.1 顯示電路

由于要顯示的高度數據范圍在-1 200～126700英尺之間，由于步進(jìn)值為100，最后兩位始終為00，因而顯示位數可以設置為8位，其中最左邊為符號位，最右邊為單位符號“F”。由于顯示內容簡(jiǎn)單，因而顯示電路采用數碼管的形式進(jìn)行顯示。數碼管驅動(dòng)芯片MAX7219是美國MAXIM公司生產(chǎn)的串行輸入/輸出共陰極顯示驅動(dòng)器。該芯片可直接驅動(dòng)最多8位7段數字LED顯示器，它與單片機的接口非常簡(jiǎn)單，僅用3個(gè)引腳與單片機相應端連接即可實(shí)現對數碼管的驅動(dòng)，其電路原理圖如圖2所示。其中“DIN”為串行數據輸入端口，在時(shí)鐘“CLK”上升沿將數據載入內部16位寄存器;“LOAD”裝載數據有效位，連續數據的后16位在“LOAD”上升沿時(shí)被鎖定。DIG0～DIG7用于選擇數碼管中的顯示位數，SEGA～G、SEG DP用于確定顯示的數值和小數點(diǎn)。