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一、概述 在現代航空中，導航是一種十分重要的技術(shù)。通常，我們把引導運載體按既定航線(xiàn)航行的過(guò)程稱(chēng)為導航。利用無(wú)線(xiàn)電技術(shù)對運載體航行的全部(或部分)過(guò)程實(shí)現導航，稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)電導航。到目前為止，無(wú)線(xiàn)電導航系統是世界上軍、民航使用最為廣泛的導航裝置，幾乎所有的軍、民航機場(chǎng)都裝有無(wú)線(xiàn)電導航系統。當前，我國民用和軍用航空中近程導航的現狀也仍是以無(wú)線(xiàn)電導航為主，并且由于現有的飛機著(zhù)陸系統裝置仍不健全，因此，無(wú)線(xiàn)電導航系統對于保障飛機的歸航和進(jìn)場(chǎng)引導就顯得尤為重要。目前廣泛應用的民用機載無(wú)線(xiàn)電導航系統有自動(dòng)定向機、甚高頻全向信標系統、儀表著(zhù)陸系統、氣象雷達、應答機、測距機、低高度無(wú)線(xiàn)電高度表、多普勒導航系統和奧米伽導航系統。 無(wú)線(xiàn)電導航系統由地面導航臺及機載設備組成，機載設備主要由環(huán)形天線(xiàn)、垂直天線(xiàn)、天線(xiàn)放大器、環(huán)匹配器、接收機、中央控制單元、無(wú)線(xiàn)電航向指示器、耳機及連接電纜等構成，能自動(dòng)地、連續地測量飛機相對地面導航臺的航向角，便于為飛機導航。 在實(shí)際導航測試中，為模擬無(wú)線(xiàn)電導航中組合天線(xiàn)的輸出射頻信號，經(jīng)常要求設計各種滿(mǎn)足導航系統性能和技術(shù)指標要求的信號源。信號源所產(chǎn)生的信號形式、參數及工作方式等都要根據系統要求實(shí)時(shí)地進(jìn)行靈活調整。因此，信號源必須具備信號產(chǎn)生方法靈活、參數變化速度快、信號頻譜純度高，系統穩定可靠等特點(diǎn)。而信號源的信號形式和參數實(shí)時(shí)可變的特點(diǎn)主要體現在信號產(chǎn)生器的技術(shù)上。以此為背景，為優(yōu)化配置系統軟硬件資源，提高處理速度，提高可重構性，本無(wú)線(xiàn)電導航數字信號源應用基于MicroBlaze軟核的嵌入式系統，以軟核作為信號源的控制核心，同上位機進(jìn)行數據與命令通信，控制FPGA加載不同的軟件合成導航信號，從而充分發(fā)揮FPGA的設計特點(diǎn)，使設計的信號源能滿(mǎn)足實(shí)際應用的各項要求。 二、無(wú)線(xiàn)電導航數字信號源總體設計方案 本無(wú)線(xiàn)電導航數字信號源總體設計思想采用直接數字頻率合成器(DDS)技術(shù)，設計精確的時(shí)鐘參考源精度、頻率和相位累加器字長(cháng)和正弦波函數表，實(shí)現研制技術(shù)要求的輸出頻率變化范圍、頻率變化步長(cháng)和頻率精度的調制正弦信號形式。 系統方案采用大規模FPGA精確實(shí)現DDS，采用ADC擴展外調制信號，采用嵌入式軟核MicroBlaze作為控制核心，控制RS422/232接口與上位機通信，圖1是無(wú)線(xiàn)電導航數字信號源組成總體方案。 圖1 無(wú)線(xiàn)電導航數字信號源總體方案圖 系統利用VC6.0編寫(xiě)上位機軟件，通過(guò)RS422/232接口同信號源通信，完成主控單元命令和數據的發(fā)送以及信號源的工作參數和狀態(tài)數據的數據交換，控制導航信號頻率，方位，通道選擇，工作模式以及其他參數。該系統方案中，MicroBlaze是主控單元，FPGA是底層合成單元，所有的命令(包括邏輯狀態(tài)數據)和數據均通過(guò)MicroBlaze同上位機進(jìn)行交換，系統的時(shí)鐘信號由一個(gè)外部振蕩器(穩補型或恒溫型)提供時(shí)鐘，在FPGA內部進(jìn)行時(shí)鐘鎖相，產(chǎn)生系統所需頻率的多個(gè)時(shí)鐘信號。MicroBlaze接收上位機數據與命令并解析后將頻率、方位等參數回傳給FPGA，FPGA利用預設參數產(chǎn)生精確導航信號并將其傳至高速DA輸出。 三、無(wú)線(xiàn)電導航數字信號源處理任務(wù)設計 根據不同導航信號的技術(shù)要求，激勵器主要的處理任務(wù)是產(chǎn)生不同形式的射頻信號，比如自動(dòng)定向機(ADF)導航信號形式為： 其中，E表示信號幅度， 表示常值，M表示調制指數，Ω表示低頻調制信號頻率，θ表示方位角，Va表示音頻調制信號，ωc表示載波頻率。根據各導航信號設計的不同，低頻信號按整倍數周期進(jìn)行相位翻轉，等效于在θ前乘上一個(gè)符號函數U(t)。 甚高頻全向信標(VOR)系統導航信號形式為： 其中， 表示基準相位信號幅度， 表示方位角， 表示30Hz角頻率， 表示9960Hz角頻率， 表示調頻指數， 表示基準相位信號的調幅度， 表示載波信號角頻率。 分析上述不同信號格式，信號源信號輸出基本主要由載波信號、低頻調制信號和音頻調制信號構成。因此，在設計方案中，載波信號、音頻信號均由FPGA來(lái)實(shí)現，而低頻信號來(lái)自外部主控單元。在FPGA中實(shí)現方位信息θ與低頻調幅信號合成，以及載波信號的調幅。MicroBlaze負責與控制臺通信，解析控制臺命令并控制FPGA的信號生成。 3.1 硬件平臺搭建 FPGA芯片選擇Xilinx公司的Spartan-6平臺系列中的XC6SLX16，工作時(shí)鐘最高可達500MHz，片內有32個(gè)DSP運算單元，有14579個(gè)邏輯單元，存儲器單元達576Kbits，具有較強的運算能力和高速數據吞吐能力。 MicroBlaze軟核是XILINX 公司開(kāi)發(fā)的一種非常簡(jiǎn)化卻具有較高性能的嵌入式處理器軟核, 該軟核的性能具有高度的可配置性, 允許設計者根據自己的設計需要進(jìn)行適當的選擇, 以搭建自己的硬件平臺�？焖賳芜B接(FSL)總線(xiàn)是一個(gè)單向的點(diǎn)對點(diǎn)通信總線(xiàn)，可用來(lái)連接FPGA上的任意兩個(gè)帶有FSL總線(xiàn)接口的設計元素并提供兩者間的快速通信信道。在XPS的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下BSB向導創(chuàng )建一個(gè)以MicroBlaze為核心的硬件系統，按照向導提示直接添加所需的外設UART IP核，通過(guò)FSL總線(xiàn)同MicroBlaze軟核相互通信。利用平臺產(chǎn)生器根據硬件描述文件(.MHS)生成嵌入式系統模塊的網(wǎng)表文件(.NGC)，然后使用綜合工具XST進(jìn)行綜合，構成整個(gè)應用系統的硬件模型。 A/D轉換器主要用于外部低頻調制信號輸入，選用ADI公司雙通道10位AD9218，采用+2.7 V ~ +3.6V單電源供電，采樣頻率在40MHz以上。 D/A轉換器主要用于射頻信號輸出，選擇ADI公司單通道電流輸出型10位芯片AD9760，更新頻率120MSPS，單電源+5V供電，使用方便。 3.2 軟件設計 3.2.1上位機軟件設計。 上位機軟件任務(wù)主要是產(chǎn)生可供信號源識別的頻率、方位、工作模式、通道選擇以及其他控制信息，加上規定的標頭以區分控制命令，通過(guò)RS422/232串口將控制命令傳送至信號源，以產(chǎn)生相應的導航數字信號。 3.2.2 FPGA處理任務(wù)設計 FPGA硬件任務(wù)主要是產(chǎn)生高精度的調制射頻信號，FPGA主要任務(wù)包括： 讀取MicroBlaze解析的載波頻率、方位角信息及其他相關(guān)信息; 產(chǎn)生音頻信號，載波信號與方位角信號; 接收兩路AD采樣低頻信號; 合成激勵信號并傳送至DA轉換器輸出。 FPGA模塊處理單元組成如圖2所示。 圖2 FPGA 模塊處理單元組成示意圖 3.2.3 MicroBlaze處理任務(wù)核心設計： MicroBlaze系統的軟件設計需要先配置軟件描述文件(.MSS)，生成的軟件描述文件列出了所有外設的驅動(dòng)信息。函數庫產(chǎn)生器利用這些配置信息，配置相應的驅動(dòng)程序函數庫，利用這些函數庫可以在SDK集成環(huán)境中編寫(xiě)相應的接收解析程序以實(shí)現MicroBlaze的控制功能。最后將基于MicroBlaze的UART控制器的硬件結構和應用軟件工程打包導入到ISE中，作為ISE工程的子模塊使用，即可完成MicroBlaze控制器的軟件設計。其軟件處理流程如下圖3所示： 圖3 MicroBlaze軟件處理流程 四、本設計要點(diǎn) 無(wú)線(xiàn)電導航系統是實(shí)現民機和軍機近程導航的主要設備，而在具體調試時(shí)需要各種導航信號，來(lái)測試導航設備的定向靈敏度，定向精度和定向速度。由于各種導航信號有所不同，很少有通用的設備平臺能夠同時(shí)產(chǎn)生不同導航信號。并且由于傳統信號源都是機械、旋鈕式，無(wú)法將信號精度、大小做到令人滿(mǎn)意。傳統的信號源一般采用RC振蕩電路、LC振蕩電路、石英晶體振蕩電路或波形發(fā)生集成電路來(lái)實(shí)現，很難在較寬的頻帶內實(shí)現高質(zhì)量、高頻率精度和高穩定性波形的輸出，且一般頻率調節是通過(guò)調節電阻、電感、電容參數或變容二極管的電容量來(lái)實(shí)現，難于實(shí)現高精度和數控調節。本設計采用了嵌入式系統的思想，具有以下兩個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)： 靈活性：能通過(guò)更換程序或模塊來(lái)適應多種工作頻段和多種工作方式; 通用性：系統結構通用，功能實(shí)現靈活。不同的通信系統可由相對一致的硬件利用不同的軟件來(lái)實(shí)現，系統功能的改進(jìn)和升級也很方便。 本設計同時(shí)采用了大規模FPGA，可將信號源的定向精度提高至0.1度，輸出波形頻率分辨率達到0.01Hz，并且由于使用了高速DA芯片，最高數據率可達125MHz。 五、本設計主要應用 無(wú)線(xiàn)電導航系統是實(shí)現民機和軍機近程導航的主要設備，而在具體調試時(shí)需要各種導航信號，來(lái)測試導航設備的定向靈敏度，定向精度和定向速度。由于各種導航信號有所不同，很少有通用的設備平臺能夠同時(shí)產(chǎn)生不同導航信號。并且由于傳統信號源都是機械、旋鈕式，無(wú)法將信號精度、大小做到令人滿(mǎn)意。本文設計了一整套無(wú)線(xiàn)電導航數字信號源方案，以產(chǎn)生各種無(wú)線(xiàn)電導航信號，上位機控制具體命令，能保證較高的信號頻率精度、方位精度和頻率大小，使得信號源平臺具備信號產(chǎn)生方法靈活、參數變化速度快、信號頻譜純度高，系統穩定可靠等特點(diǎn)，完全能滿(mǎn)足一般無(wú)線(xiàn)電導航系統的技術(shù)要求，為無(wú)線(xiàn)電導航系統設計與測試提供了新思路，可以推廣至民/軍機的無(wú)線(xiàn)電導航調試使用。 |
