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一、概述 在現(xiàn)代航空中，導(dǎo)航是一種十分重要的技術(shù)。通常，我們把引導(dǎo)運載體按既定航線航行的過程稱為導(dǎo)航。利用無線電技術(shù)對運載體航行的全部(或部分)過程實現(xiàn)導(dǎo)航，稱為無線電導(dǎo)航。到目前為止，無線電導(dǎo)航系統(tǒng)是世界上軍、民航使用最為廣泛的導(dǎo)航裝置，幾乎所有的軍、民航機場都裝有無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。當(dāng)前，我國民用和軍用航空中近程導(dǎo)航的現(xiàn)狀也仍是以無線電導(dǎo)航為主，并且由于現(xiàn)有的飛機著陸系統(tǒng)裝置仍不健全，因此，無線電導(dǎo)航系統(tǒng)對于保障飛機的歸航和進場引導(dǎo)就顯得尤為重要。目前廣泛應(yīng)用的民用機載無線電導(dǎo)航系統(tǒng)有自動定向機、甚高頻全向信標(biāo)系統(tǒng)、儀表著陸系統(tǒng)、氣象雷達、應(yīng)答機、測距機、低高度無線電高度表、多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)和奧米伽導(dǎo)航系統(tǒng)。 無線電導(dǎo)航系統(tǒng)由地面導(dǎo)航臺及機載設(shè)備組成，機載設(shè)備主要由環(huán)形天線、垂直天線、天線放大器、環(huán)匹配器、接收機、中央控制單元、無線電航向指示器、耳機及連接電纜等構(gòu)成，能自動地、連續(xù)地測量飛機相對地面導(dǎo)航臺的航向角，便于為飛機導(dǎo)航。 在實際導(dǎo)航測試中，為模擬無線電導(dǎo)航中組合天線的輸出射頻信號，經(jīng)常要求設(shè)計各種滿足導(dǎo)航系統(tǒng)性能和技術(shù)指標(biāo)要求的信號源。信號源所產(chǎn)生的信號形式、參數(shù)及工作方式等都要根據(jù)系統(tǒng)要求實時地進行靈活調(diào)整。因此，信號源必須具備信號產(chǎn)生方法靈活、參數(shù)變化速度快、信號頻譜純度高，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠等特點。而信號源的信號形式和參數(shù)實時可變的特點主要體現(xiàn)在信號產(chǎn)生器的技術(shù)上。以此為背景，為優(yōu)化配置系統(tǒng)軟硬件資源，提高處理速度，提高可重構(gòu)性，本無線電導(dǎo)航數(shù)字信號源應(yīng)用基于MicroBlaze軟核的嵌入式系統(tǒng)，以軟核作為信號源的控制核心，同上位機進行數(shù)據(jù)與命令通信，控制FPGA加載不同的軟件合成導(dǎo)航信號，從而充分發(fā)揮FPGA的設(shè)計特點，使設(shè)計的信號源能滿足實際應(yīng)用的各項要求。 二、無線電導(dǎo)航數(shù)字信號源總體設(shè)計方案 本無線電導(dǎo)航數(shù)字信號源總體設(shè)計思想采用直接數(shù)字頻率合成器(DDS)技術(shù)，設(shè)計精確的時鐘參考源精度、頻率和相位累加器字長和正弦波函數(shù)表，實現(xiàn)研制技術(shù)要求的輸出頻率變化范圍、頻率變化步長和頻率精度的調(diào)制正弦信號形式。 系統(tǒng)方案采用大規(guī)模FPGA精確實現(xiàn)DDS，采用ADC擴展外調(diào)制信號，采用嵌入式軟核MicroBlaze作為控制核心，控制RS422/232接口與上位機通信，圖1是無線電導(dǎo)航數(shù)字信號源組成總體方案。 圖1 無線電導(dǎo)航數(shù)字信號源總體方案圖 系統(tǒng)利用VC6.0編寫上位機軟件，通過RS422/232接口同信號源通信，完成主控單元命令和數(shù)據(jù)的發(fā)送以及信號源的工作參數(shù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換，控制導(dǎo)航信號頻率，方位，通道選擇，工作模式以及其他參數(shù)。該系統(tǒng)方案中，MicroBlaze是主控單元，F(xiàn)PGA是底層合成單元，所有的命令(包括邏輯狀態(tài)數(shù)據(jù))和數(shù)據(jù)均通過MicroBlaze同上位機進行交換，系統(tǒng)的時鐘信號由一個外部振蕩器(穩(wěn)補型或恒溫型)提供時鐘，在FPGA內(nèi)部進行時鐘鎖相，產(chǎn)生系統(tǒng)所需頻率的多個時鐘信號。MicroBlaze接收上位機數(shù)據(jù)與命令并解析后將頻率、方位等參數(shù)回傳給FPGA，F(xiàn)PGA利用預(yù)設(shè)參數(shù)產(chǎn)生精確導(dǎo)航信號并將其傳至高速DA輸出。 三、無線電導(dǎo)航數(shù)字信號源處理任務(wù)設(shè)計 根據(jù)不同導(dǎo)航信號的技術(shù)要求，激勵器主要的處理任務(wù)是產(chǎn)生不同形式的射頻信號，比如自動定向機(ADF)導(dǎo)航信號形式為： 其中，E表示信號幅度， 表示常值，M表示調(diào)制指數(shù)，Ω表示低頻調(diào)制信號頻率，θ表示方位角，Va表示音頻調(diào)制信號，ωc表示載波頻率。根據(jù)各導(dǎo)航信號設(shè)計的不同，低頻信號按整倍數(shù)周期進行相位翻轉(zhuǎn)，等效于在θ前乘上一個符號函數(shù)U(t)。 甚高頻全向信標(biāo)(VOR)系統(tǒng)導(dǎo)航信號形式為： 其中， 表示基準(zhǔn)相位信號幅度， 表示方位角， 表示30Hz角頻率， 表示9960Hz角頻率， 表示調(diào)頻指數(shù)， 表示基準(zhǔn)相位信號的調(diào)幅度， 表示載波信號角頻率。 分析上述不同信號格式，信號源信號輸出基本主要由載波信號、低頻調(diào)制信號和音頻調(diào)制信號構(gòu)成。因此，在設(shè)計方案中，載波信號、音頻信號均由FPGA來實現(xiàn)，而低頻信號來自外部主控單元。在FPGA中實現(xiàn)方位信息θ與低頻調(diào)幅信號合成，以及載波信號的調(diào)幅。MicroBlaze負責(zé)與控制臺通信，解析控制臺命令并控制FPGA的信號生成。 3.1 硬件平臺搭建 FPGA芯片選擇Xilinx公司的Spartan-6平臺系列中的XC6SLX16，工作時鐘最高可達500MHz，片內(nèi)有32個DSP運算單元，有14579個邏輯單元，存儲器單元達576Kbits，具有較強的運算能力和高速數(shù)據(jù)吞吐能力。 MicroBlaze軟核是XILINX 公司開發(fā)的一種非常簡化卻具有較高性能的嵌入式處理器軟核, 該軟核的性能具有高度的可配置性, 允許設(shè)計者根據(jù)自己的設(shè)計需要進行適當(dāng)?shù)倪x擇, 以搭建自己的硬件平臺。快速單連接(FSL)總線是一個單向的點對點通信總線，可用來連接FPGA上的任意兩個帶有FSL總線接口的設(shè)計元素并提供兩者間的快速通信信道。在XPS的集成開發(fā)環(huán)境下BSB向?qū)?chuàng)建一個以MicroBlaze為核心的硬件系統(tǒng)，按照向?qū)崾局苯犹砑铀璧耐庠O(shè)UART IP核，通過FSL總線同MicroBlaze軟核相互通信。利用平臺產(chǎn)生器根據(jù)硬件描述文件(.MHS)生成嵌入式系統(tǒng)模塊的網(wǎng)表文件(.NGC)，然后使用綜合工具XST進行綜合，構(gòu)成整個應(yīng)用系統(tǒng)的硬件模型。 A/D轉(zhuǎn)換器主要用于外部低頻調(diào)制信號輸入，選用ADI公司雙通道10位AD9218，采用+2.7 V ~ +3.6V單電源供電，采樣頻率在40MHz以上。 D/A轉(zhuǎn)換器主要用于射頻信號輸出，選擇ADI公司單通道電流輸出型10位芯片AD9760，更新頻率120MSPS，單電源+5V供電，使用方便。 3.2 軟件設(shè)計 3.2.1上位機軟件設(shè)計。 上位機軟件任務(wù)主要是產(chǎn)生可供信號源識別的頻率、方位、工作模式、通道選擇以及其他控制信息，加上規(guī)定的標(biāo)頭以區(qū)分控制命令，通過RS422/232串口將控制命令傳送至信號源，以產(chǎn)生相應(yīng)的導(dǎo)航數(shù)字信號。 3.2.2 FPGA處理任務(wù)設(shè)計 FPGA硬件任務(wù)主要是產(chǎn)生高精度的調(diào)制射頻信號，F(xiàn)PGA主要任務(wù)包括： 讀取MicroBlaze解析的載波頻率、方位角信息及其他相關(guān)信息; 產(chǎn)生音頻信號，載波信號與方位角信號; 接收兩路AD采樣低頻信號; 合成激勵信號并傳送至DA轉(zhuǎn)換器輸出。 FPGA模塊處理單元組成如圖2所示。 圖2 FPGA 模塊處理單元組成示意圖 3.2.3 MicroBlaze處理任務(wù)核心設(shè)計： MicroBlaze系統(tǒng)的軟件設(shè)計需要先配置軟件描述文件(.MSS)，生成的軟件描述文件列出了所有外設(shè)的驅(qū)動信息。函數(shù)庫產(chǎn)生器利用這些配置信息，配置相應(yīng)的驅(qū)動程序函數(shù)庫，利用這些函數(shù)庫可以在SDK集成環(huán)境中編寫相應(yīng)的接收解析程序以實現(xiàn)MicroBlaze的控制功能。最后將基于MicroBlaze的UART控制器的硬件結(jié)構(gòu)和應(yīng)用軟件工程打包導(dǎo)入到ISE中，作為ISE工程的子模塊使用，即可完成MicroBlaze控制器的軟件設(shè)計。其軟件處理流程如下圖3所示： 圖3 MicroBlaze軟件處理流程 四、本設(shè)計要點 無線電導(dǎo)航系統(tǒng)是實現(xiàn)民機和軍機近程導(dǎo)航的主要設(shè)備，而在具體調(diào)試時需要各種導(dǎo)航信號，來測試導(dǎo)航設(shè)備的定向靈敏度，定向精度和定向速度。由于各種導(dǎo)航信號有所不同，很少有通用的設(shè)備平臺能夠同時產(chǎn)生不同導(dǎo)航信號。并且由于傳統(tǒng)信號源都是機械、旋鈕式，無法將信號精度、大小做到令人滿意。傳統(tǒng)的信號源一般采用RC振蕩電路、LC振蕩電路、石英晶體振蕩電路或波形發(fā)生集成電路來實現(xiàn)，很難在較寬的頻帶內(nèi)實現(xiàn)高質(zhì)量、高頻率精度和高穩(wěn)定性波形的輸出，且一般頻率調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)電阻、電感、電容參數(shù)或變?nèi)?a href="http://m.qingdxww.cn/keyword/二極管" target="_blank" class="relatedlink">二極管的電容量來實現(xiàn)，難于實現(xiàn)高精度和數(shù)控調(diào)節(jié)。本設(shè)計采用了嵌入式系統(tǒng)的思想，具有以下兩個顯著特點： 靈活性：能通過更換程序或模塊來適應(yīng)多種工作頻段和多種工作方式; 通用性：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通用，功能實現(xiàn)靈活。不同的通信系統(tǒng)可由相對一致的硬件利用不同的軟件來實現(xiàn)，系統(tǒng)功能的改進和升級也很方便。 本設(shè)計同時采用了大規(guī)模FPGA，可將信號源的定向精度提高至0.1度，輸出波形頻率分辨率達到0.01Hz，并且由于使用了高速DA芯片，最高數(shù)據(jù)率可達125MHz。 五、本設(shè)計主要應(yīng)用 無線電導(dǎo)航系統(tǒng)是實現(xiàn)民機和軍機近程導(dǎo)航的主要設(shè)備，而在具體調(diào)試時需要各種導(dǎo)航信號，來測試導(dǎo)航設(shè)備的定向靈敏度，定向精度和定向速度。由于各種導(dǎo)航信號有所不同，很少有通用的設(shè)備平臺能夠同時產(chǎn)生不同導(dǎo)航信號。并且由于傳統(tǒng)信號源都是機械、旋鈕式，無法將信號精度、大小做到令人滿意。本文設(shè)計了一整套無線電導(dǎo)航數(shù)字信號源方案，以產(chǎn)生各種無線電導(dǎo)航信號，上位機控制具體命令，能保證較高的信號頻率精度、方位精度和頻率大小，使得信號源平臺具備信號產(chǎn)生方法靈活、參數(shù)變化速度快、信號頻譜純度高，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠等特點，完全能滿足一般無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)要求，為無線電導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計與測試提供了新思路，可以推廣至民/軍機的無線電導(dǎo)航調(diào)試使用。 |
