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1引言 某型空管二次雷達應答機系統是一種全固態(tài)化的A／C模式應答機，用于空中交通管制。它與地面二次雷達站配合工作，能在各種氣候條件下，及時(shí)、連續、準確地提供載機的距離、方位、飛機代碼、飛行高度、危急狀態(tài)等信息。實(shí)現對飛機的有效跟蹤、監視、管制、從而確�？沼蛑懈鱾�(gè)飛機間的最小安全飛行距離，尤其在繁忙的大機場(chǎng)空域，保障飛行安全。某型空管二次雷達應答機的基本組成為應答機主機、應答機控制盒、天線(xiàn)三部分，另有閉鎖信號交聯(lián)盒供不同裝機環(huán)境的需求選用。 應答機主機通過(guò)天線(xiàn)接收地面站的詢(xún)問(wèn)信號，在機內微處理器的控制管理下，對接收到的脈沖信號處理識別，根據詢(xún)問(wèn)信號模式，產(chǎn)生相應的應答信號，經(jīng)功率放大后由天線(xiàn)發(fā)射至地面詢(xún)問(wèn)站。當詢(xún)問(wèn)信號模式為A模式時(shí)，回答飛機的代碼；當詢(xún)問(wèn)信號模式為C模式時(shí)，回答飛機的高度信息，其中回答的高度信息中的高度值是來(lái)自高度源的高度數據中的高度值。 為了在工作房、實(shí)驗室等沒(méi)有高度源的環(huán)境中測試應答機主機高度信號接收和處理功能是否正常，需要設計高度源模擬器。模擬高度源向應答機主機發(fā)送高度信號，其發(fā)送的高度值可以通過(guò)按鍵設置，并將高度值顯示出來(lái)，用于與應答機比對。若應答機控制盒面板上LED顯示器顯示的高度值與高度信號模擬器設置的高度值相同，則說(shuō)明應答機主機高度信號接收和處理功能正常。 2高度編碼 高度源向應答機發(fā)送的數據是先對高度值進(jìn)行編碼，再根據高度編碼按照一定的格式生成一條高度數據。其編碼方法如下： (1)高度格雷碼編碼 高度編碼由國際民航組織規定，高度范圍為-1 200～126 700英尺，高度編碼增量為100英尺(100英尺=30.48 m)。高度編碼采用11位脈沖以格雷碼格式進(jìn)行，11位脈沖編成三組，其編排順序為： D2 D4 A1 A2 A4 B1 B2 B4 C1 C2 C4 脈沖組D2 D4 A1 A2組成每8 000英尺高度增量的16個(gè)格雷碼； 脈沖組A4 B1 B2 B4組成每500英尺高度增量的16個(gè)格雷碼； 脈沖組C1 C2 C4組成每100英尺高度增量的5個(gè)“五周期循環(huán)碼”。 為了便于負數高度值的編碼，以上在計算高度增量之前應先把高度值加1 200英尺。 (2)高度數據格式 一條完整的高度數據信息由4個(gè)數據字節組成，每個(gè)字節包含1個(gè)起始位(0)，8位數據位，1個(gè)奇校驗位和1個(gè)終止位(1)。第1個(gè)數據字節為同步字節(01010010111)，第2個(gè)數據字節的8位數據位為(C4C2C184B281A1A2)，第3個(gè)數據字節的8位數據位為(A1D4D200000)，第4個(gè)數據字節的8位數據位的每一位為前3個(gè)數據字節數據位的相應位取異或。每個(gè)數據字節的奇檢驗位為本字節8位數據位奇檢驗。詳細高度數據格式見(jiàn)表1。 (3)串口發(fā)送方法 一條完整的高度信息的發(fā)送方法：先低字節后高字節，先低位后高位。傳輸比特率為9 600 b／s。數據刷新率為35±15 ms。 3硬件結構和工作流程 根據高度源模擬器所要實(shí)現的功能，可以設計高度源模擬器由FPGA(現場(chǎng)可編程門(mén)陣列)、LCD顯示器、4個(gè)按鍵、RS 422驅動(dòng)器、時(shí)鐘信號、電源等組成。高度源模擬器原理框圖如圖1所示。 其中，由于高度數據傳輸比特率為9 600 b／s，因此所選初始時(shí)鐘頻率必須大于9 600 Hz，可選用19 200 Hz的時(shí)鐘。高度源高度范圍為001 000～126 700英尺，高度編碼增量為100英尺，共有4位發(fā)生變化，因此可選4個(gè)按鍵分別控制高度值各位遞增，其中首位0～1遞增，其余3位0～9遞增。對于LCD顯示器，能顯示4位數字即滿(mǎn)足要求，普通LCD均可用。RS 422驅動(dòng)器用來(lái)完成發(fā)送數據的TTL電平與RS 422標準電平的轉換。硬件電路主要進(jìn)行按鍵控制、LCD顯示、輸入高度數值編碼轉換和發(fā)送，使用基于FPGA采用VHDL(硬件描述語(yǔ)言)和邏輯綜合為基礎的自頂向下的電路設計方法，具有開(kāi)發(fā)成本低、周期短、可靠性高、功能升級方便的優(yōu)點(diǎn)。 高度源模擬器主要工作流程為：系統不停地等待按鍵動(dòng)作，若按鍵被操作，則系統將對應的按鍵操作轉換成十進(jìn)制高度值輸出至LCD，同時(shí)進(jìn)行數據轉換，轉換為待發(fā)送的數據報文，每35±15 ms發(fā)送一次串口數據報文，傳輸比特率為9 600 b／s。 4 FPGA功能模塊設計與仿真調試 為了便于設計，FPGA內部分為五個(gè)模塊進(jìn)行VHDL描述。分別為：時(shí)鐘分頻模塊，按鍵控制模塊，LCD顯示模塊、數據處理模塊、RS 422串口數據發(fā)送模塊。如圖2所示。 4.1 時(shí)鐘分頻模塊 時(shí)鐘分頻模塊為把初始輸入時(shí)鐘信號分頻為各種需要的時(shí)鐘信號。根據系統設計需求，共需產(chǎn)生3種頻率的時(shí)鐘信號(設初始時(shí)鐘頻率為19.2 kHz)： (1)9.6 kHz(104.1 ns)(2個(gè)初始時(shí)鐘周期)時(shí)鐘信號用于發(fā)送一位數據(串行通信的波特率9 600 b／s)； (2)25 Hz(40 ms)(800個(gè)初始時(shí)鐘周期)用于按鍵去抖動(dòng)和發(fā)送一次數據報文； (3)2.5 Hz時(shí)鐘信號(400 ms)(8 000個(gè)初始時(shí)鐘周期)用于LCD刷新。 4.2按鍵控制模塊 共有4個(gè)按鍵，分別控制高度值十進(jìn)制的4位。首先應對4個(gè)按鍵進(jìn)行防抖動(dòng)處理，然后控制最高位按鍵按動(dòng)使高度值最高位0～1遞增，其余3個(gè)按鍵使高度值相應位0～9遞增，且應滿(mǎn)足高度值范圍為0000～1267。得到高度值后輸出至LCD顯示模塊和數據處理模塊。 4.3 LCD顯示模塊 將4個(gè)按鍵控制的高度數值顯示在LCD顯示器上，并增加2個(gè)“0”，以還原真實(shí)6位高度值，并實(shí)時(shí)刷新。一般字符型LCD顯示器都附帶ASCII碼字符，只需直接調用顯示即可。 4.4數據處理模塊 根據前面敘述的高度編碼和數據格式，可以將數據處理模塊分為3個(gè)子過(guò)程，每個(gè)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化簡(jiǎn)化后得到最后算法，用偽代碼表示如下： (1)高度數值轉換為自然二進(jìn)制編碼 高度數值／100+12→得到新高度數值 (新高度數值／5)→進(jìn)行8位二進(jìn)制轉換→得到自然二進(jìn)制高度編碼前8位 (2)自然二進(jìn)制高度編碼轉換為格雷碼二進(jìn)制高度編碼 自然二進(jìn)制高度編碼前8位→格雷碼轉換(左移1位，與移位前異或)→高度編碼前8位 新高度數值的個(gè)位→對應的五周期循環(huán)碼→高度編碼后3位 (3)高度格雷碼二進(jìn)制編碼按照高度數據格式生成高度數據 11位高度編碼→填入高度數據相應位置 高度數據前3 B的相應位→異或運算→填人高度數據第4 B相應位 高度數據每個(gè)字節的數據位→奇檢驗→填入高度數據每個(gè)字節的奇檢驗位 至此，高度數據計算完畢。 4.5 RS 422串口數據發(fā)送模塊 根據高度數據按9 600 p／s的速率異步發(fā)送，每40 ms裝入新高度數據。 4.6仿真調試 使用Active HDL 6.1仿真軟件進(jìn)行仿真，仿真結果與理論設計結果完全吻合。圖3所示的是高度值為123 700英尺的仿真截圖，圖中，轉換后的二進(jìn)制格雷碼高度編碼為1000 0101 001，高度數據為1110001000010000001000 10001010010 11101001010，這是為了下一步串口發(fā)送提供方便而經(jīng)過(guò)反轉處理的，實(shí)際高度數據信號應為01010010111 01001010001 0001000000100001000111，串口發(fā)送數據為：0101001011101001010001 00010000001 00001000111(圖中用紅色標注)，與高度數據一致。經(jīng)驗證高度編碼、高度數據和串口發(fā)送數據都是正確的。 5結 語(yǔ) 本文介紹了基于FPGA的空管應答機高度源信號模擬器的電路設計過(guò)程，包括飛機高度數據的編碼和格式、系統硬件結構和工作流程以及PGA功能模塊設計和VHDL編程實(shí)現等。文中提出的數據轉換算法經(jīng)仿真后驗證正確，且經(jīng)過(guò)優(yōu)化，節約了FPGA芯片資源，轉換速度快、延時(shí)小。在設計過(guò)程中由于采用了FPGA和硬件描述語(yǔ)言，在硬件電路不加改變的前提下，功能改進(jìn)和升級十分方便，穩定性好、可靠性高、成本低廉。 |
