一种有无线模块的发射装置外场测试仪设计

摘要 针对传统的空空导弹发射装置中外场测试仪与飞机座舱无法直接通信的问题，设计了一种具有无线模块的外场测试仪。该测试仪可通过无线方式与座舱通信，提高了测试效率。同时无线模块替代了显示屏等人机接口，减小了测试仪的体积和重量，便于使用和运输。
关键词 发射装置；外场测试仪；无线模块；单片机

    发射装置外场测试仪(以下简称测试仪)是空空导弹发射装置的专用外场检测设备。在载机挂弹前，测试仪可模拟导弹部分的信号、负载和时序，完成对空空导弹发射装置及飞机有关线路、信号和工作时序的定性检查。
    载机挂弹前，使用测试仪检测发射装置是一个飞机座舱与测试仪间的互动过程：座舱要向测试仪下发命令，告知测试仪发射装置的某个状态；测试仪完成该状态的测试后，需上报测试结果或故障信息。传统的测试仪由一体化的工程机箱构成，附带按钮、指示灯和显示屏等实现人机交互，无法直接与座舱传输信息。测试中，上述交互过程是由座舱和地面的地勤人员通过对讲机而实现的。由于每个发射装置要测试多个状态，多个挂点的发射装置均要测试，因此耗时过长。
    文中在传统测试仪上添加了无线通信模块，设计了一种带无线通信功能的测试仪。该测试仪可通过无线方式接收飞机座舱下发的测试命令，上报发射装置的测试结果，多个挂点的测试仪可并列上传数据，从而提高了发射装置的外场测试效率。

1 系统设计方案
    TMS320LF2407A是TI公司推出的一款高性能、低功耗的16位嵌入式处理器，可寻址192 kB×16位的外部存储空间，有高达41个通用I／O引脚、5个外部中断，并带有串行通信接口模块(SCI)和10位ADC转换器等模块。该款DSP功能较强，是传统测试仪的核心芯片。在配合适当的外围芯片后，可对发射装置下发的总线数据、离散信号等进行准确测试。
    AT89S52单片机是51系列单片机中应用较为广泛的芯片之一，具有低功耗、高速和抗干扰性强的优点。
    nRF905单片无线收发器是挪威Nordic公司推出的射频发射器芯片，可工作于433／868／915 MHz共3个ISM频段，由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，使用SPI接口与微控制器通信，具有配置方便、功耗低等优点。
    文中采用TMS320LF2407A作为主处理芯片，使用AD、I／O、429等接口功能模块完成信号转换。测试仪通过电缆连接至发射装置的下接口后，可接收并测试发射装置下发的各种信号。采用AT89S52单片机与nRF905射频芯片组成无线收发模块，完成测试仪与座舱之间的信息交互，实现传统测试仪上按键和显示器的功能。由于测试仪所测发射装置挂装的挂点不同，飞机座舱可根据接收信息中的挂点号区分各测试仪，从而实现多个挂点发射装置的并列测试。整个测试系统如图1所示。

2 硬件设计与实现
2．1 测试仪总体设计
    测试仪主要分为两个模块，一是以DSP为核心的发射装置数据测试模块；二是以单片机为核心的数据无线收发模块。
    数据测试模块通过电缆与发射装置的下接口相连，接收并检测数据。发射装置下发的信号主要为429总线数据和电压、电流等离散量。文中使用429协议芯片HIS-3282转换429总线数据，使用RS232、通用I／O、AD／DA等转换离散的模拟信号，接口部件将转换好的数据统一交由DSP处理。另外，测试仪面板上装有设置挂点号的波段开关，所设的挂点信息由数据测试模块采集并处理。该开关由地勤人员根据所测发射装置在载机下的挂点号设置。
    数据无线收发模块有两个数据传输通道：一是通过串口与DSP进行数据传输；二是通过nRF905与座舱实现无线数据交联。单片机完成对nRF905的控制、传输信息的转换和打包等。另有频点选择电路为无线模块设置通讯频点。
    此外，测试仪内有独立的电源模块为各部分供电。测试仪内各模块如图2所示。

 
2．2 DSP与AT89S52接口设计
    DSP与单片机通过RS232串口通信。由于测试仪串口需接收发射装置下发的串口码，故DSP要将串口在发射装置和无线模块两路之间切换。这里使用DSP的一个通用I／O口位控制某固体继电器，根据测试时序恰当切换继电器的公共端，从而保证DSP可适时从发射装置或无线模块接收数据。
2．3 ATB9S52与nRF905接口设计
    单片机与nRF905配合使用作为无线模块的应用较多。nRF905使用SPI接口与单片机通信，具有发送模式、接收模式和两种省电模式。单片机使用I／O口控制TX_EN等几个引脚，可方便地配置芯片和控制数据收发。
    单片机的P3.1～P3.3口连接至面板上的频点选择波段开关，单片机可根据使用者的设置切换nRF905在不同的频点工作。RXD与TXD连接DSP2407的串口，部分原理电路如图3所示。

2．4 挂点和频点选择电路
    面板上有挂点选择和频点选择两个波段开关，开关内部包括一个公共端子和若干个选择端子。公共端子一端与系统地相连，另一端随旋钮的转动与某一选择端选通，从而将地信号传递至该选择端子对应的1／O口位。
    频点选择开关为无线模块通信设置频点，使用时要确保各模块选择同一频点。设计可选择3个频点，单片机通过P3.1～P3.3口采集后，设置nRF905按选择的频点通讯。
    挂点信息是区别各无线模块的唯一信息，可作为无线模块的识别地址，飞机座舱默认为0挂点。使用时，操作人员要根据发射装置在载机的挂点设置波段开关。挂点信息通过光耦传送至DSP的I／O口位，由DSP采集并发送至单片机中，控制无线信号发送或接收的地址。
 
3 软件设计
3．1 DSP程序设计
3．1．1 DSP程序流程
    DSP2407的程序主要分为初始化、接收座舱指令、测试发射装置及上报测试结果4个阶段：初始化时，DSP要为无线模块设置通信地址，设置好则表示DSP与单片机正常握手。接收指令和上报结果阶段，DSP通过串口接收和发送数据。在上述阶段，DSP通过I／O口切换继电器，保证DSP串口与单片机串口保持连通。软件流程如图4所示。

3．1．2 无线数据格式设置
    DSP通过串口读写无线通讯的数据，为保证数据传输的可靠性，制定了以下规则：(1)数据以打包形式传输，每个数据包有同步头、数据包头和包数据3部分。(2)数据按照主机字节序(小端模式)存放。(3)数据传输采用流方式，通过同步字查找数据包头。(4)在数据包中添加2 Byte的校验和，通过校验和判断数据包是否有效。数据包格式如表1所示。

    (1)包类型。包类型代表该数据包的状态，共分为4类：单片机与DSP握手时，DSP发给单片机数据的包类型为01，单片机返回数据的包类型为02；无线模块间通讯时，控制命令和测试结果等数据的包类型为05，测试仪查出发射装置故障时，需向座舱传输故障的总线数据，该数据的包类型定义为06。
    (2)校验和。校验和占2 Byte，采用二进制反码求和算法计算。该算法广泛应用于IP／TCP／UDP等校验和的计算中，具体步骤为：(1)将数据包的校验和字段置为0。(2)将数据看作以16位为单位的字组成，依次进行二进制反码求和。(3)将得到的结果存入校验和字段中。
    接收时按步骤(2)计算数据包，若得出校验和为0，则数据包是正确的。反之，数据包发生错误。
    (3)包数据。是传输的测试数据，长度是包长度减去包头的4 Byte，格式为：挂点号(1 Byte)+数据。其中，DSP在初始化中为无线模块设置地址时，包数据只含挂点号，后面就无数据。
3．2 单片机程序设计
3．2．1 nRF905芯片配置
    nRF905内部有多个配置寄存器，单片机可在待机模式下通过SPI对寄存器进行配置。其重要参数设置如下：
    (1)频点。根据频点选择电路采集结果，单片机设置寄存器中的参数CH_NO和HFREQ_PLL，在902．2、902．7或927．8 MHz 3者中选择通讯频点。
    (2)功率。参数PA_PWR设为00，代表输出功率为10 dBm。
    (3)接收和发送的地址及数据。本设计使用挂点号作为通讯地址，因挂点号可用1 Byte表示，故设置参数RX_AFW和TX_AFW为001，即接收和发送地址宽度为1 Byte。就接收而言，单片机与DSP握手时，DSP将测试仪所在挂点号发送至单片机，此为接收地址，单片机将其写入RX_AD DRESS参数。因飞机下达的指令码只占1 Byte，故接收数据宽度参数RX_PW设为000001，即1 Byte。发送时，测试仪要向座舱返回测试信息，发送地址TX_ADDRESS设为0挂点。发送数据的宽度TX_PW根据每次发送数据包的长度进行设置。
3．2．2 单片机程序流程
    单片机程序实现配置nRF905芯片和控制数据收发的功能，主要包括以下4个步骤：
    (1)单片机与DSP握手，通过串口接收挂点号。
    (2)单片机通过SPI接口对nRF905进行器件配置。
    设置频点、输出功率及接收发送地址等信息。(3)设置nRF905为接收模式。接收座舱指令后，校验数据包并传至DSP。(4)接收DSP的测试结果，打包后经无线传递给座舱。

4 结束语
    发射装置外场测试仪装有无线模块后，飞机座舱可远距离控制外场测试仪，省去了座舱和地面地勤人员配合操作测试仪的过程，简化了测试程序；多个发射装置可并行测试，提高了测试效率。另外，无线模块的使用省去了显示屏和多个开关，同时测试仪体积变小、重量减轻，方便了运输和使用。