便携式低功耗雷达导航仪智能测控系统

摘要：针对现代雷达导航设备的生产调试和外场测试的双重需要，设计一种便携式低功耗智能测控系统。系统以MSP430为主处理器，设计ARINC429总线通信在内的雷达导航仪测控系统，采用电池供电，可手持方式工作。该方法降低开发成本、提高系统可靠性和便携性，且可以严格保证通信的实时性。实验结果表明该测控系统能够为导航仪提供各类导航检测信号，可以完成相关导航设备的生产测试、外场调试、后期维护等功能，具有高度集成化、智能化、接口标准化的优点。
关键词：便携式设备；低功耗；MSP430；智能测控系统

0 引言
    为了解决许多航空设备采用的航空总线种类各异，难以互相兼容的问题，现代飞机航空电子系统要求各机载航空设备使用统一的航空总线，以方便系统集成。ARINC429总线是航空电子设备之间数据传输的航空工业标准，具有接口方便、数据传输可靠的特点，目前已经是航空领域应用最广泛的航空电子总线。ARINC429是美国航空无线电公司(ARINC)制定的航空数字总线传输标准，属单向数据总线，可由两根独立总线实现双向传输，数据传输率为12．5～100 Kb／s，传输字为32位。总线上的发送器只能有一个，而接收器可多达20个。国内外研究和实现ARINC429总线通信的文献很多，接口丰富且使用广泛。文献采用FPGA实现了ARINCA29的接口转换为通用的USB接口。文献采用C8051单片机为核心，在测控ARINC429总线数据的同时，还能够监测总线上电气特性的变化。文献研究了基于PC／104总线结构的ARINCA29总线测控系统，可以完成多路429总线数据的实时接收和发送功能。文献研究了基于FPGA的ARINCA29总线接收发送系统，实现四路ARINCA29信号接收和两路发送的功能。虽然采用ARINCA29总线通信的研究很多，但还未见用于雷达导航仪测控的报道。随着国产雷达导航仪的体积不断优化，功能日益复杂，传统的测控手段由于采用人工组装、整机测试的方法，已经不能满足新形势下武器装备的保障要求。
    本文采用低功耗16位单片机MSP430F449为主处理器，以集成电路HS3282和HS3182为主要通信芯片，设计完成包括ARINC429总线通信在内的雷达导航仪测控系统。此测控系统采用电池方式供电，可以手持方式工作，高亮度液晶方式显示，提高测控系统可靠性和便携性，能够为导航仪提供各类导航检测信号，可以完成相关导航设备的生产测试、外场调试、后期维护等功能。

1 ARINC429串行总线
    ARINCA29总线是一种单向广播式数据总线，采用双角屏蔽线传输信息，可由两根独立总线实现双向传输，数据传输率为：高速传输的位速率为100 Kb／s±1％，低速传输的位速率为(12．0～14．5)Kb／s±1％。ARINC429规定数据传输采用双极性归零制的三态码方式，如图1所示，即调制信号由“高”、“零”和“低”状态组成的三电平状态。双极性归零码的基本信号波形中携带了位同步信息，位同步是由零状态变至“高”或“低”状态的这一状态变化来识别。字同步是以传输周期间至少有四个位时的时间间隔为基准，紧跟该字间隔后要发送的第一位起点即为新字的起点。

    ARINC429总线数据的基本信息单元是由32位构成的一个数据字，每个数据字被分为5个基本区域，即标志码(LABEL)，源／目的识别码(SDI)，数据区(DATA)，符号状态位(SSM)，校验位(PARITY)，ARINC429总线数据信号编码举例如图1所示。

2 硬件及接口电路
    接口的实现方式选用Intersil公司的HS3282芯片，它支持ARINC429通信规范和其他串行数据传输协议，采用+5 V供电。具有两路接收、一路发送的功能。通道接收器之间也是独立的并行接收，可以直接连接到ARINC429总线，而不需电平转换。使用时和HS3182总线驱动器配合，就可以发送数据进行二级差分驱动，产生ARINC429总线的电平。HS3282数据总线为16位，MSP430F449为16位单片机，从而避免了8位单片机为解决系统总线匹配的问题需要采用锁存器作为虚拟总线的烦恼，提高了测控系统的可靠性。
    具体设计思路为：首先利用一片HS3282和两片HS3182配合使用形成两路接收和两路发送通道。它们构成了数据收发、串并转换的主体。HS3282主要用来完成接收、发送时所必须具备的串并、并串转换功能；HS3182用来完成对两路输出信号的差分驱动，然后设计命令寄存器和状态寄存器，用以完成对输入、输出通道的选择和对HS3282的控制字的设置。该控制电路单片机无需外扩展电路，将32个I／O口的P0口和P2口用于数据传输功能，实现对HS3282的16位数据传输功能。把P1口及P3口的P3．3，P3．4作为控制信号与控制端引脚相连，来控制HS3282数据收发操作。测试数据由预先设置或手工输入两种方式完成。返回数据显示到高亮度液晶显示器上。图2为测控系统硬件系统结构图。

3 总体软件设计
    雷达导航仪智能测控系统以单片机为核心，控制测控系统的数据发送、转换、接收、显示等功能。本系统中采用的MSP430F449单片机是TI公司的一款超低功耗的混合信号控制器，它具有16位RISC结构，150ns指令周期和简洁的27条内核指令，1．8～3．6 V的低工作电压，支持
JTAG在线调试。它还集成了丰富的外围模块，丰富的系统资源完全可以满足雷达导航仪的测控要求。
    系统工作可分为三种主状态：准备接收状态，正在接收状态和准备发送状态。整个系统软件的运行围绕着按键控制进行的，软件的编写也以键盘按键为基础。图3(a)为ARINCA29信号发送流程图，图3(b)为信号接收流程图，椭圆框里写着系统当前的状态名称，直线表示当前系统所处的状态，圆形框表示按键，箭头表示状态转移走向。每一条直线都表示一种循环的状态，在该状态中，系统一直等待的按键按下，如果有，系统立即扫描按键，得出键值，并与直线下方的按键进行比较，如有相同的按键，马上执行该按键对应的程序。例如在准备接收状态，如果背光键按下，液晶屏背光则从亮变为灭或从灭变为亮。频率键按下后，ARINC429总线频率将在12．5 Kb／s，50 Kb／s和100 Kb／s之间相互转换。存储键按下后，系统将跳到读写存储器子状态；确认键按下，系统将跳到正在发送主状态。使用类似的方法，为了简化使用人员的操作步骤，可以在使用时选择手动或自动模式。自动模式提供两组默认的典型数据进行发送，以测试雷达导航仪的通信完好性。当需要进行完备性测试时，可以采用手动模式，这时可以进行任何信号及数值的通信。

4 实验与分析
    对此便携式低功耗雷达导航仪智能测控系统的测试内容包括：发送数据、接收数据和发送数据间隔等测试。由于HS3282的两路输出是差分输出的，所以只需要测试其中的一路就可以了。智能测控系统现场波形如图4所示，发送的数据采用自动模式，控制字为奇校验。通过示波器直接观察HS3282芯片的输出信号，输出电平是3．92 V，满足TTL的电平要求。而数据之间的时间间隔，即组间数据4位间隔。由单片机的延时程序即可完成。

5 结语
    目前，该测试系统已设计完成，并交付航空某研究所的生产维修部门进行雷达导航仪的生产调试和外场测试使用。实践证明：系统采用手持方式工作的设计方案正确，能够为导航仪提供各类导航检测信号，提高系统可靠性和便携性，并且可以严格保证通信的实时性。能够很好地完成相关导航设备的生产测试、外场调试、后期维护等功能，具有高度集成化、智能化、接口标准化的优点。同时创造了可观的经济效益，使雷达导航设备的地面维修工作跃升到一个新水平。