基于C语言的导航控制盒设计

摘要：目前在导航接收系统中，通常需要控制盒来完成对机载设备的加电、工作频率或波道的转换、系统音量、显示亮度等功能的操作与控制。文中介绍某导航控制盒的应用范围、工作原理及电路实现，主要从频率控制、关键器件HCMS2924点阵模块的使用方法等方面进行了详细的论述。
关键词：BCD码；频率控制；ARINC 429总线；看门狗；E2PROM；LED点阵显示

    导航就是引导一个运动体从一点到达另一点的全过程。飞机导航的目的在于保证其从开始起飞到着陆全过程安全、有效、经济的飞行。导航控制盒是机载导航设备的操作控制机构。本项目是基于ARINC 429总线数据格式的导航接收机的控制机构，ARINC429串行总线具有传输速率高，抗干扰能力强的特点，符合航空数字信息传输系统的要求。
    该系统将导航接收机的所需的频率以ARINC 429总线数据格式输出，其中信号格式为BCD编码格式，频率范围是108．00～117．95 MHz，频率间隔50 kHz，通过它可以实现对设备的加电控制、可手动控制频率或工作波道的转换、可完成系统音量调节、显示亮度的调节并显示当前频率，根据系统的控制要求，实现两个分系统间控制盒的转换与数据交换功能。

1 实现过程
1．1 控制盒的电路实现
    控制盒通过“按钮”对频率进行选择，单片机在主程序中对按钮的开关状态进行扫描，根据扫描到的情况实现相应的频率控制。在控制盒中应用了一个可编程看门狗E2PROM，防止万一因强烈干扰而使CPU程序运行出错时，它能在可编程的超时周期(200 ms)内使CPU复位，回到正常的程序状态。单片机还可以读取存贮于看门狗电路的频率，使控制盒能记忆上次关机的工作状态。显示窗口的亮度可以调节。频率显示采用了5×7点阵模块来显示。单片机将频率代码转换成BCD码格式，通过ARINC429数据的格式，送到导航接收机。
    原理框图如图1。

1．2 信号BCD码在ARINC 429中的位置及格式

    在发送ARINC 429数据时，首先把频率数据转换成BCD码的格式，再进行相应的判断和计算后保存到发送ARINC 429数据的数组里，最后循环发送出去。相反，在接收ARINC 429数据后，先保存在接收ARINC 429的数组里，然后进行计算判断，如接收的数据正确，再把信号数据提取出来，进行相应的处理和显示。
1．3 频率的控制
    控制盒刚开机时，记忆并显示上次断电时的频率，此功能通过读写看门狗来实现。X25045是有4 kB的串行E2PROM，由一个用四线构成的SPI总线方式进行操作，其擦写周期至少有l 000 000次，其特有的看门狗功能具有总线监控和电压监控功能，具有良好的性能价格比。
    频率选择采用按钮输入法，按MHz／kHz选择按钮，选择M位或k位，被选择位处于闪烁状态，再按“↑”或“↓”按钮，相应位的数据进行增减。当数据达到最大值时，再按“↑”按钮，显示频率回到最小值。同样，当数据达到最小值时，再按“↓”按钮，显示频率回到最大值。M位时数据步进量为1 MHz，k位时数据步进量为50 kHz。在以上操作过程中，控制盒不发送ARINC429数据(即默认上一状态)，若5 s内没有按以上提到的任何按钮，控制盒开始发送现在显示的频率的ARINC429数据。[!--empirenews.page--]
1．4 显示模块的电路实现
    用2块5×7 HCMS2924点阵模块显示108．00～117．95MHz范围的频率，该产品采用低功耗的CMOS工艺。它与TTL电平兼容，可以直接与微处理器和微控制器相连而无需接口电路和元件。该显示屏的特点是可以在水平和垂直方向灵活组合，2块点阵模块的连接关系，如图2所示。  P3.7、P2.6和P3.4口线分别控制HCMS2924的DIN端、CE端和RS端。首先，RS置低以选择点阵寄存器，接着将CE也置为低。然后在每一个时钟上升沿将数据从DIN移入点阵寄存器，移入的数据是高电平时，相应的点被点亮。当所有160位都被移入时，CE置高。当CLK的下降沿到来时，新的数据将被锁存到显示点阵驱动电路。待前面的数据显示完成后，再将数据装载进点阵寄存器。重复5×8×8次后，数据通过DIN端写入到寄存器中。

    在4 bit的显示屏中，160位二进制数可由20列8行的矩阵构成。每个字符一般被定义成5×8的点阵，但8行中只有7行有LED点，第0行实际上从不显示，如图3所示。字符一般通过顺序方式载入，首先被载入的是最左边的数据，最后被载入的是最右边的数据。
    显示亮度可以用软件编程修改控制字的方法实现。该控制寄存器由两个独立的7位控制字(控制字0和控制字1)组成，由寄存器的D7位决定选择哪一个控制寄存器，D7位为L时选择控制字0，D7位为H时选择控制字1。控制字0的D0～D3位通过脉宽调制(PWM)来调整显示亮度，D4～D5位通过控制像素的峰值电流来调整显示亮度，D6位选择正常操作模式(D6=H)或睡眠模式(D6=L)。控制字1有两个功能；D0位用于选择串行／并行数据输出模式；D1位用于外部振荡器前定标。
1．5 部分子程序
    接收和发送子程序如下所示。
1．5．1 从X25045接收1 bit
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1．5．2 向X25045发送1 bit
   
2 导航控制盒的应用效果
    该控制盒与原同类设备的控制盒相比较，有以下几项优点：
    (1)采用了先进的微处理机技术和数据存贮技术，使得产品具有功能强、操作方便、技术先进、可靠性高等特点；本次控制盒的频率选择功能通过软件实现，原同类控制盒大多采用多层波段开关来实现频率选择，电路复杂且可靠性差。
    (2)频率显示采用两块点阵模块显示，若按原控制盒的设计方法，完成同样功能，则需要14个数码管；
    (3)鉴于以上两点，该控制盒硬件电路简化，重量是原来的1／2，体积减小到原来的2／3，这对于机载设备的减重及小型化有益。

3 结束语
    文中阐述了控制盒的工作原理和软硬件设计方案，设计思想新颖、结构简明。将控制盒与系统连接进行了功能测试。结果表明该系统具有反应速度快、可靠性高、可维护性，较好地满足了系统的工作要求，对需要实现此功能的同类控制装置，具有一定的借鉴意义。