基于AVRMEG16的多功能航空电子钟设计

摘要：以AVRMEG16作为核心控制器，时钟芯片DS3232提供参考时钟，并通过429总线接收GPS授时信号给系统贴上精确的时钟标签，设计制作了多功能航空电子钟系统。该系统实现了用数显、指针显及混显三种模式高精度显示现时时间、航行时间或测时时间。
关键词：AVRMEG16；ARINC 429总线；GPS授时；TFT-LCD模块

    在民用或军用飞机中，都需要精确显示现时时间、航时时间和测时时间，以保证飞机的正常运行。本文用低功耗单片机AVRMEG16控制3．5英寸320×240分辨率、彩色TFT-LCD，设计了一款实用性很强的多功能航空电子钟。

1 总体设计
1．1 总体设计框图
    采用AVRMEG16作为核心控制器，显示部分选择北京信利TFT-G240320LTSW-118w的LCD模块。总体设计框图如图1所示。

    航空电子钟主要由显示面板、控制按扭、腔体、接口等部分组成。最大外形尺寸为63 mm×63 mm×150 mm。鉴于体积小的特点，在设计时，采用积木型电路，把控制电路、显示电路和授时电路三块电路板叠加起来。
1．2 系统功能分析
    电子式航空时钟的计时功能是在同一屏显示器中，同时动态显示现时计时时间、航时计时时间和测时计时时间三模式。
    这三种显示模式应能在功能控制按钮控制下切换，每次开机显示模式为模式1(混显式)，三种显示模式时间应同步。
    (1)模式1(混显)：现时计时、航时计时为数字显示。测时计时为指针显示(见图2)。

    (2)模式2(指针)：现时计时、航时计时和测时计时均为指针式显示(见图3)。

    (3)模式3(数字)：现时计时、航时计时和测时计时均为数字式显示(见图4)。

2 硬件设计
    以AVRMEG16作为核心控制器，时钟芯片DS3232提供参考时钟，用ARINC 429总线接收GPS或北斗星授时信号，并通过LCD控制器控制显示模块TFT-LCD。
2．1 电源电路设计
    AVRMEG16单片机和时钟芯片都需要稳定的5 V电压，可采用集成稳压电路，很容易得到5 V；TFT-LCD需要19 V的背光电源，采用DC-DC升压芯片MC33063产生19 V电压。MC33063作为比较常用的背光升压芯片，输入电压为3．0～40 V，输出1．25～40 V可调，最大输出电流1．5 A，具有关断功能并有温度自动补偿功能，仅用少量的外围元件就可以实现升压功能，设计原理电路如图5所示。

    MC33063的输出电压完全取决于R3和R4两个电阻的比值，计算公式如下：
   
2．2 TFT-LCD接口电路设计
    LCD模块与单片机的接口就是LCD控制器面向单片机的引脚，LCD控制器选用的是TOSHIBA公司出品的T6963C，T6963C具备汉字显示和图形显示功能。其接口电路如图6所示。
2．3 GPS或北斗星授时信号的接收电路
    GPS接收模块通过基于HS3282的ARINC 429总线通信卡实现数据传输，从而实现单片机读取时钟信号。
    HS-3282与单片机、可编程逻辑器件的硬件连接电路如图7所示。

3 软件设计
    采用Keil C51编写，用AVR JATG进行在线仿真。总体控制流程图如图8所示。

3．1 TFT-LCD显示子程序设计
    对于每个汉字的显示，首先应该计算该汉字在字库中的地址，然后读出该汉字的字型码。当显示至一行的末尾时要换行显示。显示汉字时，一个16×16的汉字字型码占32 B，每显示一行要2 B；第二行显示时，显示地址要在前一行首字节地址上加30，共需要16次循环才能完整地显示一个汉字。在处理汉字显示时，如果要实现汉字的反显(例如实现菜单操作)，将汉字的32 B字模数据分别与0xFF异或(XRL)运算，或者取反(CPL)运算后再显示即可。
3．2 按键功能子程序设计
    电子钟的控制按键包括功能控制按钮、航时调整按钮、测试调整按钮和亮度调整按钮、这里着重介绍亮度调整按钮的特点，点按(时间小于2 s)此按钮为白天及夜间两种亮度转换，长按(时间大于3 s)此按钮亮度从最暗到最亮连续循环可调。开机时屏显亮度为上次关机时亮度(亮度具有断电记忆功能)。
3．3 GPS或北斗星授时模块子程序设计
    软件编写主要是在CPLD上完成，应用VHDL语言对各个软件模块进行功能开发。把FPGA实现GPS失步情况下精确授时的软件功能分成4个功能模块，4个模块共同作用完成了时钟的精确授时，如图9所示。

4 结论
    设计制作的2个多功能航空电子钟样机，能够用数显、指针显及混显三种模式高精度显示现时时间、航行时间或测试时间，还可采用GPS或北斗星授时，显示亮度可多级调整，适于全天候观测。经过长时间考核2台样机运行，其性能稳定，在-20～+40℃范围内，精度为±2．0 ppm，相当于每年误差±1．0 min。