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1引言 某型空管二次雷達應答機系統是一種全固態化的A／C模式應答機，用于空中交通管制。它與地面二次雷達站配合工作，能在各種氣候條件下，及時、連續、準確地提供載機的距離、方位、飛機代碼、飛行高度、危急狀態等信息。實現對飛機的有效跟蹤、監視、管制、從而確�？沼蛑懈鱾�飛機間的最小安全飛行距離，尤其在繁忙的大機場空域，保障飛行安全。某型空管二次雷達應答機的基本組成為應答機主機、應答機控制盒、天線三部分，另有閉鎖信號交聯盒供不同裝機環境的需求選用。 應答機主機通過天線接收地面站的詢問信號，在機內微處理器的控制管理下，對接收到的脈沖信號處理識別，根據詢問信號模式，產生相應的應答信號，經功率放大后由天線發射至地面詢問站。當詢問信號模式為A模式時，回答飛機的代碼；當詢問信號模式為C模式時，回答飛機的高度信息，其中回答的高度信息中的高度值是來自高度源的高度數據中的高度值。 為了在工作房、實驗室等沒有高度源的環境中測試應答機主機高度信號接收和處理功能是否正常，需要設計高度源模擬器。模擬高度源向應答機主機發送高度信號，其發送的高度值可以通過按鍵設置，并將高度值顯示出來，用于與應答機比對。若應答機控制盒面板上LED顯示器顯示的高度值與高度信號模擬器設置的高度值相同，則說明應答機主機高度信號接收和處理功能正常。 2高度編碼 高度源向應答機發送的數據是先對高度值進行編碼，再根據高度編碼按照一定的格式生成一條高度數據。其編碼方法如下： (1)高度格雷碼編碼 高度編碼由國際民航組織規定，高度范圍為-1 200～126 700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行，11位脈沖編成三組，其編排順序為： D2 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個格雷碼； 脈沖組A4 B1 B2 B4組成每500英尺高度增量的16個格雷碼； 脈沖組C1 C2 C4組成每100英尺高度增量的5個“五周期循環碼”。 為了便于負數高度值的編碼，以上在計算高度增量之前應先把高度值加1 200英尺。 (2)高度數據格式 一條完整的高度數據信息由4個數據字節組成，每個字節包含1個起始位(0)，8位數據位，1個奇校驗位和1個終止位(1)。第1個數據字節為同步字節(01010010111)，第2個數據字節的8位數據位為(C4C2C184B281A1A2)，第3個數據字節的8位數據位為(A1D4D200000)，第4個數據字節的8位數據位的每一位為前3個數據字節數據位的相應位取異或。每個數據字節的奇檢驗位為本字節8位數據位奇檢驗。詳細高度數據格式見表1。 (3)串口發送方法 一條完整的高度信息的發送方法：先低字節后高字節，先低位后高位。傳輸比特率為9 600 b／s。數據刷新率為35±15 ms。 3硬件結構和工作流程 根據高度源模擬器所要實現的功能，可以設計高度源模擬器由FPGA(現場可編程門陣列)、LCD顯示器、4個按鍵、RS 422驅動器、時鐘信號、電源等組成。高度源模擬器原理框圖如圖1所示。 其中，由于高度數據傳輸比特率為9 600 b／s，因此所選初始時鐘頻率必須大于9 600 Hz，可選用19 200 Hz的時鐘。高度源高度范圍為001 000～126 700英尺，高度編碼增量為100英尺，共有4位發生變化，因此可選4個按鍵分別控制高度值各位遞增，其中首位0～1遞增，其余3位0～9遞增。對于LCD顯示器，能顯示4位數字即滿足要求，普通LCD均可用。RS 422驅動器用來完成發送數據的TTL電平與RS 422標準電平的轉換。硬件電路主要進行按鍵控制、LCD顯示、輸入高度數值編碼轉換和發送，使用基于FPGA采用VHDL(硬件描述語言)和邏輯綜合為基礎的自頂向下的電路設計方法，具有開發成本低、周期短、可靠性高、功能升級方便的優點。 高度源模擬器主要工作流程為：系統不停地等待按鍵動作，若按鍵被操作，則系統將對應的按鍵操作轉換成十進制高度值輸出至LCD，同時進行數據轉換，轉換為待發送的數據報文，每35±15 ms發送一次串口數據報文，傳輸比特率為9 600 b／s。 4 FPGA功能模塊設計與仿真調試 為了便于設計，FPGA內部分為五個模塊進行VHDL描述。分別為：時鐘分頻模塊，按鍵控制模塊，LCD顯示模塊、數據處理模塊、RS 422串口數據發送模塊。如圖2所示。 4.1 時鐘分頻模塊 時鐘分頻模塊為把初始輸入時鐘信號分頻為各種需要的時鐘信號。根據系統設計需求，共需產生3種頻率的時鐘信號(設初始時鐘頻率為19.2 kHz)： (1)9.6 kHz(104.1 ns)(2個初始時鐘周期)時鐘信號用于發送一位數據(串行通信的波特率9 600 b／s)； (2)25 Hz(40 ms)(800個初始時鐘周期)用于按鍵去抖動和發送一次數據報文； (3)2.5 Hz時鐘信號(400 ms)(8 000個初始時鐘周期)用于LCD刷新。 4.2按鍵控制模塊 共有4個按鍵，分別控制高度值十進制的4位。首先應對4個按鍵進行防抖動處理，然后控制最高位按鍵按動使高度值最高位0～1遞增，其余3個按鍵使高度值相應位0～9遞增，且應滿足高度值范圍為0000～1267。得到高度值后輸出至LCD顯示模塊和數據處理模塊。 4.3 LCD顯示模塊 將4個按鍵控制的高度數值顯示在LCD顯示器上，并增加2個“0”，以還原真實6位高度值，并實時刷新。一般字符型LCD顯示器都附帶ASCII碼字符，只需直接調用顯示即可。 4.4數據處理模塊 根據前面敘述的高度編碼和數據格式，可以將數據處理模塊分為3個子過程，每個過程進行優化簡化后得到最后算法，用偽代碼表示如下： (1)高度數值轉換為自然二進制編碼 高度數值／100+12→得到新高度數值 (新高度數值／5)→進行8位二進制轉換→得到自然二進制高度編碼前8位 (2)自然二進制高度編碼轉換為格雷碼二進制高度編碼 自然二進制高度編碼前8位→格雷碼轉換(左移1位，與移位前異或)→高度編碼前8位 新高度數值的個位→對應的五周期循環碼→高度編碼后3位 (3)高度格雷碼二進制編碼按照高度數據格式生成高度數據 11位高度編碼→填入高度數據相應位置 高度數據前3 B的相應位→異或運算→填人高度數據第4 B相應位 高度數據每個字節的數據位→奇檢驗→填入高度數據每個字節的奇檢驗位 至此，高度數據計算完畢。 4.5 RS 422串口數據發送模塊 根據高度數據按9 600 p／s的速率異步發送，每40 ms裝入新高度數據。 4.6仿真調試 使用Active HDL 6.1仿真軟件進行仿真，仿真結果與理論設計結果完全吻合。圖3所示的是高度值為123 700英尺的仿真截圖，圖中，轉換后的二進制格雷碼高度編碼為1000 0101 001，高度數據為1110001000010000001000 10001010010 11101001010，這是為了下一步串口發送提供方便而經過反轉處理的，實際高度數據信號應為01010010111 01001010001 0001000000100001000111，串口發送數據為：0101001011101001010001 00010000001 00001000111(圖中用紅色標注)，與高度數據一致。經驗證高度編碼、高度數據和串口發送數據都是正確的。 5結 語 本文介紹了基于FPGA的空管應答機高度源信號模擬器的電路設計過程，包括飛機高度數據的編碼和格式、系統硬件結構和工作流程以及PGA功能模塊設計和VHDL編程實現等。文中提出的數據轉換算法經仿真后驗證正確，且經過優化，節約了FPGA芯片資源，轉換速度快、延時小。在設計過程中由于采用了FPGA和硬件描述語言，在硬件電路不加改變的前提下，功能改進和升級十分方便，穩定性好、可靠性高、成本低廉。 |
