某型机载导航计算机系统检测平台的硬件设计

马二涛,余 涛,向 新

(1.空军工程大学 工程学院,西安 710038;2.解放军94371部队,郑州 450008;3.空军驻西安军代表室,西安 710077)

1 引 言

航空导航计算机系统用于导航和战术任务的计算,以形成控制信号,保证自动、半自动或人工操纵飞行,完成导航信号的综合、计算、检测和控制,是航行驾驶综合系统的神经中枢和纽带。它与惯导系统、飞控系统、极限信号系统、近导系统、火控系统、卫星导航系统、无线电高度表都有密切的信号交联关系。导航计算机系统任一软件或硬件发生故障,都可能切断火控、飞行控制等外部机载系统所需的信息来源,影响作战训练任务的完成,甚至威胁飞行安全和飞行员生命[1]。

导航计算机系统信号格式繁多,既有模拟信号又有数字信号[2-3],具体包括模拟角度信号、模拟直流信号、20位同步串行码信号、32位异步双极性码、一次性指令信号,与外部系统信号交联关系复杂,其故障不易判断。文献[4-6]针对计算机系统不同检测功能进行过探究,但不能对全部功能进行系统检测和故障定位。

为此,本文研制了一种自动化、模块化、智能化高的导航计算机系统检测平台,可以对导航计算机、控制台和代码转换装置3种机载设备进行故障定位和功能检测。

2 硬件设计

根据检测平台要实现的功能,以工控机为硬件设计平台,确定硬件电路的组成。检测平台硬件设计方案框图如图1所示。

图1 检测平台系统硬件功能框图Fig.1 Equipment functional modules

3 FPGA/CPLD功能模块设计

3.1 计算机检测模块

3.1.1 模拟信号发送电路

模拟信号发射电路如图2所示。由工控计算机产生14位二进制数据码,数据产生器的发送电路分两路向外传输,由于数字/角度转换器输入不带锁存,如何才能保证14位数据同时输入到旋转变压器,D/S转换器是非常关键的,在此电路的设计中选用3个74LS373地址锁存器来实现此功能。在14位二进制码中,1、2位控制象限选择开关,给正、余弦乘法器的输出模拟信号赋予适当的极性,由数字/角度转换器输出一组频率与参考电压频率相同、幅度受输入角度数码调制的交流正弦和余弦电压模拟信号,在地址码的控制选通下,把两路模拟信号分配给8组不同的数据通道。

14位二进制数据码在送到数字/角度转换器的同时,也把信号传送给D/A信号匹配电路,再由数模转换芯片AD7541ANK把数字信号转换成模拟信号,其中数模转换器的5 V参考电压是U0,输出信号是UX。模拟信号UX在分配器的作用下分4路,并且每一路信号都与直流信号U0结成信号对。

图2 模拟信号发射电路Fig.2 Simulated signals transmitter circuit

3.1.2 模拟信号接收电路

摸拟信号接收电路如图3所示。数据信号在工控机软件的控制下,由数据产生器生成导航计算机接收格式的20位串行归零码信号,导航计算机接收到码字信号后,把接收来的20位串行码字沿两路转换成模拟信号。

一方面,把数字信号转换成8对模拟角度信号,由八选一数据选择开关选通一对正余弦信号。角度/数字转换器输入模拟信号引脚为S1、S2、S3、S4,接旋转变压器的四输出。使能信号控制端“EN”:当工控机需要读取转换器的数据时,可以通过读取控制字将“EN”端设置为低电平。禁止信号输入端“INH”,若“INH”为高电平,角度数据量就可打入锁存器,通过转换器的输出引脚输出至工控机ISA总线;数据输出端1～14为二进制数据输出端,1为最高位(MSB),14为最低有效位(LSB)。

另一方面,由导航计算机输出的模拟信号又分成4组,经过模数转换芯片AD1674JNZ转换后,把模拟-4～+4 V之间的直流信号转换成数字信号。

转换后的数字信号经过ISA接口,由数据读取电路把16位串行数字信号转换成并行信号,最后变成八进制码在综合显示器上进行显示。这时,可以把显示的数字信号与之前输入的信息进行比对,以判断导航计算机是否正确转换。

图3 模拟信号接收电路Fig.3 Simulated signals receiver circuit

3.2 控制台检测模块

检测平台同步码产生电路产生两路读/写有效信号和同步脉冲,控制寄存器接收控制台传输到检测平台的20位归零码,由20位码接收电路对归零码进行采样,采样后转换成单极性20位同步码,地址产生电路生成0000、0001、0010、00114种地址码,4种地址码与信息码字地址进行比较,从而识别出CΠ 0～CΠ 34种码字中的一种,然后由译码处理模块对其中一种码字进行译码。串行码译码电路的功能是将输入缓冲区的20位串行码(CΠ 0～CΠ 3)取出,并按20位码的编码格式翻译成yΠ 0～yΠ 3格式的码字后送入显示缓冲区,再由信息处理单元对码字进行信息加载,加载后生成的20位串行码送到发送电路,发送电路把20位串行码转换成20位归零码,最后发送yΠ 0～yΠ 34种码字的一种到控制台。控制台检测电路如图4所示。

图4 控制台检测电路Fig.4 Console test circuit

3.3 代码转换装置检测模块

3.3.1 20位同步码转换成32位双极性码电路

20位码加载模块以并行码方式把寄存器中的数据信息送到发送电路,与此同时,检测平台同步脉冲产生电路产生发送码选通脉冲信号“CBK”、“CN”和“80CN”同步脉冲,在3种脉冲的触发下,20位同步码发送电路以两个通道向代码转换装置循环发送20位归零码,代码转换装置接收码字后,转换成32位双极性码,32位码接收电路把32位双极性码转换成32位单极性码,同步时钟提取电路输出选通脉冲,对同步信号(码字起始信号)进行提取。输出的32位码字经过码字采样电路进行精确采样,采样后与地址接收电路寄存器中的地址进行比对,经比对一致后,数据信息放入锁存器。同时,经过组合地址选择开关选择接通某一个码字,再经过信息提取电路,提取有效的16位数据信息,然后由工控机通过ISA总线读取16位数据信息。最后,在工控机综合显示面板上以6位八进制的形式显示数据信息。其电路如图5所示。

图5 20位同步码转换32位双极性码电路Fig.5 Circuit for coverting 20-bit synchronization code to 32-bit double pole code

3.3.2 20位串行码发送电路

20位串行码发射电路在检测模块中多次用到,图6是数字电路芯片中20位码发射电路图。

图6 20位串行码发射电路Fig.6 20-bit serial code transmitter circuit

由“COUNT16”地址码产生电路产生第20位到17位的4位组合地址码,A20、A18、A17、A16组成控制电路,由“DATA-ENCODE1”数据加载模块产生的16位数据和4位地址码共同组合成20位并行码D[19…0]。控制电路控制D[19…0]20位并行码送到发射电路。由几个逻辑门电路组成选通电路,由选通电路控制发射电路的“LOAD”端口,对20位并行码在发射电路中进行数据加载,在发射电路中,20位串行码转换成并行码。当发射条件满足时,在发送选通脉冲“CbK1”和同步脉冲“CLK-20”产生的CLK 时钟触发下,发射20位串行码,20位串行码再与CLK进行异或,最终在ser-out1输出端口产生符合机载设备码字要求的20位归零串行码。图7是发射电路的仿真图,其中,Start1是使能信号,cbk1为发送选通信号,clk-20为同步时钟,ser-out1为输出信号。

图7 20位串行码发射电路仿真图Fig.7 Simulation result of 20-bit serial code transmitter circuit

4 结束语

检测平台检测功能更加全面,不但可以对单个机载设备检测,而且可实现对组合系统的联测。该检测平台的设计打破了对国外技术的依赖,检测平台硬件数字电路设计采用5个可编程逻辑器件,提高了处理效率和抗干扰能力。由于器件的可编程特性,可以在不改变外接口的情况下,修改内部逻辑编程,电路功能的修改、系统维护、升级十分方便,减小了设计风险,节约了研发资金。但是该平台还存在较多可以改进的地方,如采用PC104作为开发平台,设计一款外场便携小型导航计算机系统综合检测平台,如果小型化研制成功,可以在各作战部队进行推广,对于提高飞机维护质量和维修效率有着重要的现实意义。

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