某型空管應(yīng)答機(jī)高度源模擬器電路設(shè)計(jì)

1、某型空管應(yīng)答機(jī)高度源模擬器電路設(shè)計(jì)摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte高 偉，陸海靜，鄭海波(1海軍航空工程學(xué)院 青島分院 山東 青島 266041；2海軍91372部隊(duì) 上海 200436)1引言某

2、型空管二次雷達(dá)應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)是一種全固態(tài)化的AC模式應(yīng)答機(jī)，用于空中交通管制。它與地面二次雷達(dá)站配合工作，能在各種氣候條件下，及時(shí)、連續(xù)、準(zhǔn)確地提供載機(jī)的距離、方位、飛機(jī)代碼、飛行高度、危急狀態(tài)等信息。實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)的有效跟蹤、監(jiān)視、管制、從而確保空域中各個(gè)飛機(jī)間的最小安全飛行距離，尤其在繁忙的大機(jī)場空域，保障飛行安全。某型空管二次雷達(dá)應(yīng)答機(jī)的基本組成為應(yīng)答機(jī)主機(jī)、應(yīng)答機(jī)控制盒、天線三部分，另有閉鎖信號交聯(lián)盒供不同裝機(jī)環(huán)境的需求選用。應(yīng)答機(jī)主機(jī)通過天線接收地面站的詢問信號，在機(jī)內(nèi)微處理器的控制管理下，對接收到的脈沖信號處理識別，根據(jù)詢問信號模式，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)答信號，經(jīng)功率放大后由天線發(fā)射至地面詢問站。

3、當(dāng)詢問信號模式為A模式時(shí)，回答飛機(jī)的代碼；當(dāng)詢問信號模式為C模式時(shí)，回答飛機(jī)的高度信息，其中回答的高度信息中的高度值是來自高度源的高度數(shù)據(jù)中的高度值。為了在工作房、實(shí)驗(yàn)室等沒有高度源的環(huán)境中測試應(yīng)答機(jī)主機(jī)高度信號接收和處理功能是否正常，需要設(shè)計(jì)高度源模擬器。模擬高度源向應(yīng)答機(jī)主機(jī)發(fā)送高度信號，其發(fā)送的高度值可以通過按鍵設(shè)置，并將高度值顯示出來，用于與應(yīng)答機(jī)比對。若應(yīng)答機(jī)控制盒面板上LED顯示器顯示的高度值與高度信號模擬器設(shè)置的高度值相同，則說明應(yīng)答機(jī)主機(jī)高度信號接收和處理功能正常。2高度編碼高度源向應(yīng)答機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)是先對高度值進(jìn)行編碼，再根據(jù)高度編碼按照一定的格式生成一條高度數(shù)據(jù)。其編碼方法如

4、下：(1)高度格雷碼編碼高度編碼由國際民航組織規(guī)定，高度范圍為-1 200126 700英尺，高度編碼增量為100英尺(100英尺=30.48 m)。高度編碼采用11位脈沖以格雷碼格式進(jìn)行，11位脈沖編成三組，其編排順序?yàn)椋篋2 D4 A1 A2 A4 B1 B2 B4 C1 C2 C4脈沖組D2 D4 A1 A2組成每8 000英尺高度增量的16個(gè)格雷碼；脈沖組A4 B1 B2 B4組成每500英尺高度增量的16個(gè)格雷碼；脈沖組C1 C2 C4組成每100英尺高度增量的5個(gè)“五周期循環(huán)碼”。為了便于負(fù)數(shù)高度值的編碼，以上在計(jì)算高度增量之前應(yīng)先把高度值加1 200英尺。(2)高度數(shù)據(jù)格式一條完

5、整的高度數(shù)據(jù)信息由4個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)組成，每個(gè)字節(jié)包含1個(gè)起始位(0)，8位數(shù)據(jù)位，1個(gè)奇校驗(yàn)位和1個(gè)終止位(1)。第1個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)為同步字節(jié)(01010010111)，第2個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的8位數(shù)據(jù)位為(C4C2C184B281A1A2)，第3個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的8位數(shù)據(jù)位為(A1D4D200000)，第4個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的8位數(shù)據(jù)位的每一位為前3個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)據(jù)位的相應(yīng)位取異或。每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的奇檢驗(yàn)位為本字節(jié)8位數(shù)據(jù)位奇檢驗(yàn)。詳細(xì)高度數(shù)據(jù)格式見表1。(3)串口發(fā)送方法一條完整的高度信息的發(fā)送方法：先低字節(jié)后高字節(jié)，先低位后高位。傳輸比特率為9 600 bs。數(shù)據(jù)刷新率為3515 ms。3硬件結(jié)構(gòu)和工作流程根據(jù)高度源模擬

6、器所要實(shí)現(xiàn)的功能，可以設(shè)計(jì)高度源模擬器由FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)、LCD顯示器、4個(gè)按鍵、RS 422驅(qū)動(dòng)器、時(shí)鐘信號、電源等組成。高度源模擬器原理框圖如圖1所示。其中，由于高度數(shù)據(jù)傳輸比特率為9 600 bs，因此所選初始時(shí)鐘頻率必須大于9 600 Hz，可選用19 200 Hz的時(shí)鐘。高度源高度范圍為001 000126 700英尺，高度編碼增量為100英尺，共有4位發(fā)生變化，因此可選4個(gè)按鍵分別控制高度值各位遞增，其中首位01遞增，其余3位09遞增。對于LCD顯示器，能顯示4位數(shù)字即滿足要求，普通LCD均可用。RS 422驅(qū)動(dòng)器用來完成發(fā)送數(shù)據(jù)的TTL電平與RS 422標(biāo)準(zhǔn)電平的轉(zhuǎn)換

7、。硬件電路主要進(jìn)行按鍵控制、LCD顯示、輸入高度數(shù)值編碼轉(zhuǎn)換和發(fā)送，使用基于FPGA采用VHDL(硬件描述語言)和邏輯綜合為基礎(chǔ)的自頂向下的電路設(shè)計(jì)方法，具有開發(fā)成本低、周期短、可靠性高、功能升級方便的優(yōu)點(diǎn)。高度源模擬器主要工作流程為：系統(tǒng)不停地等待按鍵動(dòng)作，若按鍵被操作，則系統(tǒng)將對應(yīng)的按鍵操作轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制高度值輸出至LCD，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為待發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文，每3515 ms發(fā)送一次串口數(shù)據(jù)報(bào)文，傳輸比特率為9 600 bs。4 FPGA功能模塊設(shè)計(jì)與仿真調(diào)試為了便于設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA內(nèi)部分為五個(gè)模塊進(jìn)行VHDL描述。分別為：時(shí)鐘分頻模塊，按鍵控制模塊，LCD顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、RS

8、422串口數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。如圖2所示。4.1 時(shí)鐘分頻模塊時(shí)鐘分頻模塊為把初始輸入時(shí)鐘信號分頻為各種需要的時(shí)鐘信號。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，共需產(chǎn)生3種頻率的時(shí)鐘信號(設(shè)初始時(shí)鐘頻率為19.2 kHz)：(1)9.6 kHz(104.1 ns)(2個(gè)初始時(shí)鐘周期)時(shí)鐘信號用于發(fā)送一位數(shù)據(jù)(串行通信的波特率9 600 bs)；(2)25 Hz(40 ms)(800個(gè)初始時(shí)鐘周期)用于按鍵去抖動(dòng)和發(fā)送一次數(shù)據(jù)報(bào)文；(3)2.5 Hz時(shí)鐘信號(400 ms)(8 000個(gè)初始時(shí)鐘周期)用于LCD刷新。4.2按鍵控制模塊共有4個(gè)按鍵，分別控制高度值十進(jìn)制的4位。首先應(yīng)對4個(gè)按鍵進(jìn)行防抖動(dòng)處理，然后控制最高位按

9、鍵按動(dòng)使高度值最高位01遞增，其余3個(gè)按鍵使高度值相應(yīng)位09遞增，且應(yīng)滿足高度值范圍為00001267。得到高度值后輸出至LCD顯示模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。4.3 LCD顯示模塊將4個(gè)按鍵控制的高度數(shù)值顯示在LCD顯示器上，并增加2個(gè)“0”，以還原真實(shí)6位高度值，并實(shí)時(shí)刷新。一般字符型LCD顯示器都附帶ASCII碼字符，只需直接調(diào)用顯示即可。4.4數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)前面敘述的高度編碼和數(shù)據(jù)格式，可以將數(shù)據(jù)處理模塊分為3個(gè)子過程，每個(gè)過程進(jìn)行優(yōu)化簡化后得到最后算法，用偽代碼表示如下：(1)高度數(shù)值轉(zhuǎn)換為自然二進(jìn)制編碼高度數(shù)值100+12得到新高度數(shù)值(新高度數(shù)值5)進(jìn)行8位二進(jìn)制轉(zhuǎn)換得到自然二進(jìn)制高度

10、編碼前8位(2)自然二進(jìn)制高度編碼轉(zhuǎn)換為格雷碼二進(jìn)制高度編碼自然二進(jìn)制高度編碼前8位格雷碼轉(zhuǎn)換(左移1位，與移位前異或)高度編碼前8位新高度數(shù)值的個(gè)位對應(yīng)的五周期循環(huán)碼高度編碼后3位(3)高度格雷碼二進(jìn)制編碼按照高度數(shù)據(jù)格式生成高度數(shù)據(jù)11位高度編碼填入高度數(shù)據(jù)相應(yīng)位置高度數(shù)據(jù)前3 B的相應(yīng)位異或運(yùn)算填人高度數(shù)據(jù)第4 B相應(yīng)位高度數(shù)據(jù)每個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)位奇檢驗(yàn)填入高度數(shù)據(jù)每個(gè)字節(jié)的奇檢驗(yàn)位至此，高度數(shù)據(jù)計(jì)算完畢。4.5 RS 422串口數(shù)據(jù)發(fā)送模塊根據(jù)高度數(shù)據(jù)按9 600 ps的速率異步發(fā)送，每40 ms裝入新高度數(shù)據(jù)。4.6仿真調(diào)試使用Active HDL 6.1仿真軟件進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果與理論

11、設(shè)計(jì)結(jié)果完全吻合。圖3所示的是高度值為123 700英尺的仿真截圖，圖中，轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制格雷碼高度編碼為1000 0101 001，高度數(shù)據(jù)為1110001000010000001000 10001010010 11101001010，這是為了下一步串口發(fā)送提供方便而經(jīng)過反轉(zhuǎn)處理的，實(shí)際高度數(shù)據(jù)信號應(yīng)為01010010111 01001010001 0001000000100001000111，串口發(fā)送數(shù)據(jù)為：0101001011101001010001 00010000001 00001000111(圖中用紅色標(biāo)注)，與高度數(shù)據(jù)一致。經(jīng)驗(yàn)證高度編碼、高度數(shù)據(jù)和串口發(fā)送數(shù)據(jù)都是正確的。5結(jié) 語本文介紹了基于FPGA的空管應(yīng)答機(jī)高度源信號模擬器的電路設(shè)計(jì)過程，包括飛機(jī)高度數(shù)據(jù)的編碼和格式、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和工作流程以及PGA功能模塊設(shè)計(jì)和VHDL編程實(shí)現(xiàn)等。文中提出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法經(jīng)仿真后驗(yàn)證正確，且經(jīng)過優(yōu)化，節(jié)約了FPGA芯片資源，轉(zhuǎn)換速度快、延時(shí)小。在設(shè)計(jì)過程中由于采用了FPGA和硬件描述語言，在硬件電路不加改變的前提下，功能改