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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(yùn)載體按既定航線航行的過(guò)程稱為導(dǎo)航。利用無(wú)線電技術(shù)對(duì)運(yùn)載體航行的全部(或部分)過(guò)程實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，稱為無(wú)線電導(dǎo)航。到目前為止，無(wú)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(jī)場(chǎng)都裝有無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)。當(dāng)前，我國(guó)民用和軍用航空中近程導(dǎo)航的現(xiàn)狀也仍是以無(wú)線電導(dǎo)航為主，并且由于現(xiàn)有的飛機(jī)著陸系統(tǒng)裝置仍不健全，因此，無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)于保障飛機(jī)的歸航和進(jìn)場(chǎng)引導(dǎo)就顯得尤為重要。目前廣泛應(yīng)用的民用機(jī)載無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)有自動(dòng)定向機(jī)、甚高頻全向信標(biāo)系統(tǒng)、儀表著陸系統(tǒng)、氣象雷達(dá)、應(yīng)答機(jī)、測(cè)距機(jī)、低高度無(wú)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(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)由地面導(dǎo)航臺(tái)及機(jī)載設(shè)備組成，機(jī)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(jī)、中央控制單元、無(wú)線電航向指示器、耳機(jī)及連接電纜等構(gòu)成，能自動(dòng)地、連續(xù)地測(cè)量飛機(jī)相對(duì)地面導(dǎo)航臺(tái)的航向角，便于為飛機(jī)導(dǎo)航。 在實(shí)際導(dǎo)航測(cè)試中，為模擬無(wú)線電導(dǎo)航中組合天線的輸出射頻信號(hào)，經(jīng)常要求設(shè)計(jì)各種滿足導(dǎo)航系統(tǒng)性能和技術(shù)指標(biāo)要求的信號(hào)源。信號(hào)源所產(chǎn)生的信號(hào)形式、參數(shù)及工作方式等都要根據(jù)系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)地進(jìn)行靈活調(diào)整。因此，信號(hào)源必須具備信號(hào)產(chǎn)生方法靈活、參數(shù)變化速度快、信號(hào)頻譜純度高，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。而信號(hào)源的信號(hào)形式和參數(shù)實(shí)時(shí)可變的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在信號(hào)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(wú)線電導(dǎo)航數(shù)字信號(hào)源應(yīng)用基于MicroBlaze軟核的嵌入式系統(tǒng)，以軟核作為信號(hào)源的控制核心，同上位機(jī)進(jìn)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(hào)，從而充分發(fā)揮FPGA的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，使設(shè)計(jì)的信號(hào)源能滿足實(shí)際應(yīng)用的各項(xiàng)要求。 二、無(wú)線電導(dǎo)航數(shù)字信號(hào)源總體設(shè)計(jì)方案 本無(wú)線電導(dǎo)航數(shù)字信號(hào)源總體設(shè)計(jì)思想采用直接數(shù)字頻率合成器(DDS)技術(shù)，設(shè)計(jì)精確的時(shí)鐘參考源精度、頻率和相位累加器字長(zhǎng)和正弦波函數(shù)表，實(shí)現(xiàn)研制技術(shù)要求的輸出頻率變化范圍、頻率變化步長(zhǎng)和頻率精度的調(diào)制正弦信號(hào)形式。 系統(tǒng)方案采用大規(guī)模FPGA精確實(shí)現(xiàn)DDS，采用ADC擴(kuò)展外調(diào)制信號(hào)，采用嵌入式軟核MicroBlaze作為控制核心，控制RS422/232接口與上位機(jī)通信，圖1是無(wú)線電導(dǎo)航數(shù)字信號(hào)源組成總體方案。 圖1 無(wú)線電導(dǎo)航數(shù)字信號(hào)源總體方案圖 系統(tǒng)利用VC6.0編寫(xiě)上位機(jī)軟件，通過(guò)RS422/232接口同信號(hào)源通信，完成主控單元命令和數(shù)據(jù)的發(fā)送以及信號(hào)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(hào)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(guò)MicroBlaze同上位機(jī)進(jìn)行交換，系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)由一個(gè)外部振蕩器(穩(wěn)補(bǔ)型或恒溫型)提供時(shí)鐘，在FPGA內(nèi)部進(jìn)行時(shí)鐘鎖相，產(chǎn)生系統(tǒng)所需頻率的多個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。MicroBlaze接收上位機(jī)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(hào)并將其傳至高速DA輸出。 三、無(wú)線電導(dǎo)航數(shù)字信號(hào)源處理任務(wù)設(shè)計(jì) 根據(jù)不同導(dǎo)航信號(hào)的技術(shù)要求，激勵(lì)器主要的處理任務(wù)是產(chǎn)生不同形式的射頻信號(hào)，比如自動(dòng)定向機(jī)(ADF)導(dǎo)航信號(hào)形式為： 其中，E表示信號(hào)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(hào)頻率，θ表示方位角，Va表示音頻調(diào)制信號(hào)，ωc表示載波頻率。根據(jù)各導(dǎo)航信號(hào)設(shè)計(jì)的不同，低頻信號(hào)按整倍數(shù)周期進(jìn)行相位翻轉(zhuǎn)，等效于在θ前乘上一個(gè)符號(hào)函數(shù)U(t)。 甚高頻全向信標(biāo)(VOR)系統(tǒng)導(dǎo)航信號(hào)形式為： 其中， 表示基準(zhǔn)相位信號(hào)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(hào)的調(diào)幅度， 表示載波信號(hào)角頻率。 分析上述不同信號(hào)格式，信號(hào)源信號(hào)輸出基本主要由載波信號(hào)、低頻調(diào)制信號(hào)和音頻調(diào)制信號(hào)構(gòu)成。因此，在設(shè)計(jì)方案中，載波信號(hào)、音頻信號(hào)均由FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，而低頻信號(hào)來(lái)自外部主控單元。在FPGA中實(shí)現(xiàn)方位信息θ與低頻調(diào)幅信號(hào)合成，以及載波信號(hào)的調(diào)幅。MicroBlaze負(fù)責(zé)與控制臺(tái)通信，解析控制臺(tái)命令并控制FPGA的信號(hào)生成。 3.1 硬件平臺(tái)搭建 FPGA芯片選擇Xilinx公司的Spartan-6平臺(tái)系列中的XC6SLX16，工作時(shí)鐘最高可達(dá)500MHz，片內(nèi)有32個(gè)DSP運(yùn)算單元，有14579個(gè)邏輯單元，存儲(chǔ)器單元達(dá)576Kbits，具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力和高速數(shù)據(jù)吞吐能力。 MicroBlaze軟核是XILINX 公司開(kāi)發(fā)的一種非常簡(jiǎn)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(jì)者根據(jù)自己的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇, 以搭建自己的硬件平臺(tái)。快速單連接(FSL)總線是一個(gè)單向的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信總線，可用來(lái)連接FPGA上的任意兩個(gè)帶有FSL總線接口的設(shè)計(jì)元素并提供兩者間的快速通信信道。在XPS的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下BSB向?qū)?chuàng)建一個(gè)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(guò)FSL總線同MicroBlaze軟核相互通信。利用平臺(tái)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(jìn)行綜合，構(gòu)成整個(gè)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(hào)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(hào)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(jì) 3.2.1上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。 上位機(jī)軟件任務(wù)主要是產(chǎn)生可供信號(hào)源識(shí)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(guò)RS422/232串口將控制命令傳送至信號(hào)源，以產(chǎn)生相應(yīng)的導(dǎo)航數(shù)字信號(hào)。 3.2.2 FPGA處理任務(wù)設(shè)計(jì) FPGA硬件任務(wù)主要是產(chǎn)生高精度的調(diào)制射頻信號(hào)，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(hào)，載波信號(hào)與方位角信號(hào); 接收兩路AD采樣低頻信號(hào); 合成激勵(lì)信號(hào)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(jì)： MicroBlaze系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)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(dòng)信息。函數(shù)庫(kù)產(chǎn)生器利用這些配置信息，配置相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)庫(kù)，利用這些函數(shù)庫(kù)可以在SDK集成環(huán)境中編寫(xiě)相應(yīng)的接收解析程序以實(shí)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(jì)。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(jì)要點(diǎn) 無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)民機(jī)和軍機(jī)近程導(dǎo)航的主要設(shè)備，而在具體調(diào)試時(shí)需要各種導(dǎo)航信號(hào)，來(lái)測(cè)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(hào)有所不同，很少有通用的設(shè)備平臺(tái)能夠同時(shí)產(chǎn)生不同導(dǎo)航信號(hào)。并且由于傳統(tǒng)信號(hào)源都是機(jī)械、旋鈕式，無(wú)法將信號(hào)精度、大小做到令人滿意。傳統(tǒng)的信號(hào)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(lái)實(shí)現(xiàn)，很難在較寬的頻帶內(nèi)實(shí)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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)，難于實(shí)現(xiàn)高精度和數(shù)控調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)采用了嵌入式系統(tǒng)的思想，具有以下兩個(gè)顯著特點(diǎn)： 靈活性：能通過(guò)更換程序或模塊來(lái)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(shí)現(xiàn)靈活。不同的通信系統(tǒng)可由相對(duì)一致的硬件利用不同的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)功能的改進(jìn)和升級(jí)也很方便。 本設(shè)計(jì)同時(shí)采用了大規(guī)模FPGA，可將信號(hào)源的定向精度提高至0.1度，輸出波形頻率分辨率達(dá)到0.01Hz，并且由于使用了高速DA芯片，最高數(shù)據(jù)率可達(dá)125MHz。 五、本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用 無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)民機(jī)和軍機(jī)近程導(dǎo)航的主要設(shè)備，而在具體調(diào)試時(shí)需要各種導(dǎo)航信號(hào)，來(lái)測(cè)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(hào)有所不同，很少有通用的設(shè)備平臺(tái)能夠同時(shí)產(chǎn)生不同導(dǎo)航信號(hào)。并且由于傳統(tǒng)信號(hào)源都是機(jī)械、旋鈕式，無(wú)法將信號(hào)精度、大小做到令人滿意。本文設(shè)計(jì)了一整套無(wú)線電導(dǎo)航數(shù)字信號(hào)源方案，以產(chǎn)生各種無(wú)線電導(dǎo)航信號(hào)，上位機(jī)控制具體命令，能保證較高的信號(hào)頻率精度、方位精度和頻率大小，使得信號(hào)源平臺(tái)具備信號(hào)產(chǎn)生方法靈活、參數(shù)變化速度快、信號(hào)頻譜純度高，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，完全能滿足一般無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)要求，為無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試提供了新思路，可以推廣至民/軍機(jī)的無(wú)線電導(dǎo)航調(diào)試使用。 |
