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一種自動導(dǎo)航系統(tǒng)接口適配器研制
摘要：介紹了自動導(dǎo)航系統(tǒng)中多卜勒號航信號適配器和極坐標(biāo)指示器導(dǎo)航信號適配器的設(shè)計，并給出了具體的硬件電路和相關(guān)軟件流程。實現(xiàn)了導(dǎo)航計算機與多卜勒雷達、自動駕駛儀、真空速表和極坐標(biāo)指示器的交連，解決了ARINC429總線信號、ARINC407同步器信號、脈沖信號與模擬信號的相互轉(zhuǎn)換等技術(shù)難題。關(guān)鍵詞：雷達 極坐標(biāo)指示器 ARINC429總線 適配器
直升機自動導(dǎo)航系統(tǒng)與機上設(shè)備的交連關(guān)系如圖1所示。它主要由多卜勒雷達、導(dǎo)航計算機、自動駕駛儀、真空速度計算機、極坐標(biāo)指示器導(dǎo)航信號適配器和多卜勒導(dǎo)般信號適配器以及各種儀表、指示器構(gòu)成。本文主要介紹多卜勒導(dǎo)航信號適配器和極坐標(biāo)指示器導(dǎo)航信號適配器的設(shè)計。
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1 接口適配器的研制
1.1 多卜勒導(dǎo)航信號適配器
1.1.1 接口信號分析
多卜勒轉(zhuǎn)達輸出模擬和數(shù)字兩種制式的導(dǎo)航信息。模擬信號相對于水平面，它包括雷達輸出的速度信息（以直流電壓形式提供給速度指示器、400Hz交流電壓形式提供給自動駕駛儀）、導(dǎo)航信息（縱向和橫向速度的交流模擬電壓）；數(shù)字信號是相對于機體坐標(biāo)的縱向和橫向速度的數(shù)字信號。由于數(shù)字信號的脈沖寬度和信號靈敏度不符合導(dǎo)航計算機的要求，又因為多卜勒雷達給出的模擬信號質(zhì)量優(yōu)于數(shù)字信號，因此，將多卜勒雷達輸出的模擬信號進行交換，實現(xiàn)與導(dǎo)航計算機的脈沖數(shù)字接口相匹配。
1.1.2 適配器完成以下功能：
·將多卜勒雷達輸出的以靈敏度為30mV/Kt的400Hz交流信號表示的飛機縱向（Vy）、橫向（Vx）速度信號轉(zhuǎn)換為以脈沖頻率數(shù)表示的導(dǎo)航計算機的輸入信號；
·將雷達輸出的表示速度方向的離散信號轉(zhuǎn)換為滿足導(dǎo)航計算機需要的離散信號；
·將直升級真空速表輸出的以交流模擬電壓表示的真空速信號轉(zhuǎn)換為以直流模擬電壓表示的真空速信號送給導(dǎo)航計算機；
·將導(dǎo)航計算機輸出的側(cè)向控制信號和有效信號以及自動駕駛儀輸出的巡航功能控制信號轉(zhuǎn)換為自動導(dǎo)航的控制信號，實現(xiàn)自動駕駛儀的自動導(dǎo)航。
1.1.3 適配器設(shè)計
適配器主要由A/D轉(zhuǎn)換電路、AD/DC轉(zhuǎn)換電路、離散信號轉(zhuǎn)換電路、狀態(tài)控制電路和電源電路等組成。
A/D轉(zhuǎn)換電路由低通濾波器、緩沖隔離、梯度控制、A/D轉(zhuǎn)換、鉗位隔離等部分組成，如圖2（a）所示。該電路的輸入信號為雷達輸出的模擬信號，制式為400Hz交流，靈敏度為30mV/Kt；輸出為0.8V的脈沖信號，頻率靈敏度為35.7Hz/Kt（可調(diào)）。
AC/DC轉(zhuǎn)換電路由低通濾波、緩沖隔離、AC/DC轉(zhuǎn)換、梯度控制電路構(gòu)成，如圖2（b）所示。該電路的輸入信號為真空速表的輸出，信號制式為400Hz交流、靈敏度為90mV/Kt；輸出為直流電壓、靈敏度為75mV/Kt（可調(diào)）。
離散信號轉(zhuǎn)換電路由整形鉗位、電平轉(zhuǎn)換、反向器、緩沖器離電路組成，如圖2（c）所示。該電路的輸入信號為多卜勒雷達輸出的代表速度方向（相對機體）的離散量，其輸入高電平為+3.5V、低電平為+0.8V，輸出高電平為+8V，低電平為+2V。
自動導(dǎo)航信號處理及控制電路包括信號控制電路和狀態(tài)控制電路。信號控制電路由低通濾波、梯度控制、緩沖隔離電路等組成；而狀態(tài)控制電路由電平鉗位、邏輯控制、緩沖隔離及控制繼電器等組成，如圖2（d）所示。
上述所有功能電路，均經(jīng)反復(fù)調(diào)試，優(yōu)化設(shè)計，最后固化成模塊。整個電路由六個模塊組成，分別安裝在兩個印刷電路板上，如圖3（a）和3（b）所示。
圖中RGX-1A、RGX-1B為多卜勒雷達縱向速度信號和橫向速度信號的預(yù)處理電路，包括低通濾波、緩沖隔離和梯度控制；RGX-IC為真空速信號的AC/DC變換；RGX-2為多卜勒雷達速度信號的A/D轉(zhuǎn)換模塊；RGX-3為離散信號的處理模塊。
1.2 極坐標(biāo)指示器導(dǎo)航信號適配器
1.2.1 適配器功能
該適配器完成導(dǎo)航計算機輸出的地速串行數(shù)據(jù)（12.5±0.1kbit/s）中的目標(biāo)方位、偏流角和待飛距離信號計算，并將目標(biāo)方位和偏流角信號調(diào)整為極坐標(biāo)指示器能夠接收的符合ARINC407標(biāo)準的同步器信號，將等飛距離信號調(diào)整為四位LED顯示器的顯示信號。
1.2.2 硬件設(shè)計
以8031單片機為信心，結(jié)合相應(yīng)的外圍電路設(shè)計，構(gòu)成一個ARINC429總線信號的求解和信號匹配系統(tǒng)。硬件設(shè)計框圖如圖4所示。
圖中，8031作為核心芯片，它與27256程序存儲器和61256數(shù)據(jù)存儲器組成單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)，完成對導(dǎo)航計算機輸出的ARINC429總線信號進行采集、轉(zhuǎn)換、計算和信號匹配等操作并進行控制。
3282板以HS-3228、8255等芯片構(gòu)成處理電路，現(xiàn)將導(dǎo)航計算機的32位ARINC429串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合8031單片機8位數(shù)據(jù)總線要求的并行數(shù)據(jù)，由單片機最小系統(tǒng)控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和采集。
SZZ板以高精度數(shù)字/軸角轉(zhuǎn)換模塊和8155等芯片為核心，構(gòu)成目標(biāo)方位角和偏流角的數(shù)字/軸角轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)將3282板采集來的目標(biāo)方位角和偏流角的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為符合ARINC407標(biāo)準的同步器信號，送給極坐標(biāo)指示器，使其指示相應(yīng)的參數(shù)。
8279板以8279芯片為核心，構(gòu)成鍵盤和顯示器驅(qū)動電路，實現(xiàn)待飛距離的顯示數(shù)據(jù)的處理和四位LED顯示器的功率驅(qū)動。
1.2.3 軟件設(shè)計
為了便于程序的調(diào)試和修改，軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法。程序模塊主要包括主程序模塊、中斷服務(wù)（數(shù)據(jù)采集）子程序模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序模塊、信號匹配子程序模塊、數(shù)碼顯示子程序模塊等。其中數(shù)據(jù)采集子程序和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序流程圖如圖5（a）、(b)所示。
2 系統(tǒng)調(diào)試
兩種適配器的主要元器件均采用軍品，并經(jīng)篩選，電路參數(shù)經(jīng)反復(fù)計算和調(diào)整，保證了輸出信號的精度。系統(tǒng)連機后，通過地面開車實驗，長時間工作性能穩(wěn)定。雷達輸出的30mV/Kt、400Hz交流模擬電壓信號為例，經(jīng)多卜勒導(dǎo)航信號適配器轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號輸出，其模/數(shù)轉(zhuǎn)換精度如表1所示，滿足了工作精度要求。
表1 多卜勒導(dǎo)航信號適配器模/數(shù)轉(zhuǎn)換精度
Vx通道 30mV/Kt
30mV/Kt 36脈沖/Kt±1脈沖/Kt
18脈沖/Kt±1脈沖/Kt
極坐標(biāo)指示器導(dǎo)航信號適配器將導(dǎo)航計算機輸出的ARINC429總線信號的應(yīng)飛航向、偏流角、待飛距離信號轉(zhuǎn)換成模擬信號供極坐標(biāo)指示器使用。其轉(zhuǎn)換精度和響應(yīng)時間如表2所示，完全滿足指示器指示精度和靈敏度的要求。到目前為止，研制的自動導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)過鑒定并裝機飛行4000多小時，性能優(yōu)良。
表2 極坐標(biāo)指示器導(dǎo)航信號適配器數(shù)/模轉(zhuǎn)換精度和響應(yīng)時間
性能指標(biāo)
參量名稱
精 度
響應(yīng)時間
應(yīng)飛航向
偏流角
待飛距離
±0.9度
±0.9度
±0.1海里
10ms
10ms
1ms
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