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控制器电路电台基于ARM的某机载电台检测控制器的设计

 机载电台担负着空空和地空之间通信,为保证电台性能,需要对其进行定检。基于单片机的检测仪存在测量速度慢、可扩展性差的问题;而基于PXI仪器或VXI仪器的检测仪存在着功耗大、体积大、价格高等缺点。为解决上述问题,利用基于ARM处理器来实现电台检测控制器成为重要的发展方向,ARM是一种高性能、低功耗的RISC结构处理器,由于其出色的性能被广泛应用于工业控制、无线通讯、成像和安全、网络应用等方面,采用基于ARM的电台检测控制器具有可移植性强、可扩展性好、抗干扰能力强等优点。

1 硬件设计

  良好的硬件设计是是解决基于单片机、PXI、VXI等系统的电台检测仪问题的关键。为实现硬件结构的模块化设计,硬件主要分为两大部分:主控制器电路和调理电路。为设计一个具有高性能、低功耗、可扩展性好和低成本检测仪,主控制器的选择至关重要,为满足检测仪的可扩展性设计主控制器必须具备网络功能、 USB存储、串行通信、SPI通信、I2C通信、模数转换等功能模块,为满足人机交互设计的要求,还必须具备必要的频率预置电路、显示电路等。具备这么多功能的控制器以及满足高性能、低功耗等性能的控制器只有ARM处理器才能完成。根据某电台的电气特性,主控器和电台之间的通信还必须进行必要的电平转换,另外电台输出的响应信号不能直接送到主控制器,还必须进行必要的分压网络、阻抗匹配等电路设计,这就需要调理电路。主控制器电路和调理电路相配合来完成电台的检测工作,根据电台测试需求

  设计的硬件整体结构如图1所示。

硬件整体结构

  1.1 主控制器

  主控制是电台检测控制器的核心,担负着信息采集、存储、网络功能以及和电台通信等重要任务,主控制的好坏也直接决定了系统性能,经对比选择飞利浦公司的 LPC2388作为该电台的主控制器,该器件是基于ARM7TDMI-S内核的处理器,具有太网控制器、USB控制器、I2C、串行接口等丰富的外设,可以满足该检测仪的需求。

  1.2 存储电路

  为满足可扩展性、测试结果可存储的要求,检测控制器要把每次对某型电台测量的结果保存下来,这就需要有主控制器和无线电综合测试仪之间能进行通信,某无线电综合测试仪对外通信有串口通信方式,在测量时可以把通信控制接口连接到无线电综合的串口线上,这样就可以把测试结果读到控制系统内部,想把该信息存储下来,存储器就必须满足可擦写,为节省控制器的宝贵的通用I/O口,选择具有12C通信存储功能CAT24WC64作为E2PROM,该器件负责保存电台性能测试结果,最多保存50次电台测试结果,超过50次,系统自动把原来存储的测试结果擦除掉然后再存储。当需要查看系统电台测试结果时通过3种方法来实现:1)把USB存储设备插入USB存储接口电路,系统会自动识别该设备,然后选择存储测试结果按键就可以把保存测试结果保存到USB存储设备:2)通过网络接口和计算机相连接,然后用远程控制的方式来读取测试结果:3)利用串行通信方式把信息读到计算机中。

  1.3 USB存储接口电路

  USB接口电路是完成和USB存储设备通信的窗口,LPC2388内部具有兼容USB2.0协议的控制器,这种控制器为USB接口设计提供方便。为满足系统可靠性,在D+和D-线上分别串接上一只33 Ω的电阻,在D+上还要增加一只1.5 kΩ上拉电阻,为表明USB存储设备连接上,在Ul_UPLED引脚上增加一个指示灯,当USB存储设备连接,指示灯亮。

  1.4 网络接口电路

  为满足远程控制需要,检测控制器就应该具备网络控制接口。LPC2388具有10/100 Mb/s以太网通信速率,为保证可靠传输,通过内部集成了16 KB字节的以太网控制器专用SDRAM、以太网控制器和ARM7内核之间使用高速AHB总线通信,并且使用了专用DMA进行数据传输来实现。处理器内部使用的以太网控制器使用RMII接口,通过与外围电路PHY芯片DM916lA进行通信就可以实现以太网通信功能。

  1.5 频率形成电路

  电台检测仪要想充分地检测电台性能,应检测多个频率点处电台性能,这样就要求检测仪能够输出频率可变的控制码,频率控制码的形成就需要频率形成电路。频率形成电路就是通过脉冲整形、计数,最后进过缓冲送到主控制器。脉冲形成电路利用自复位开关来实现,整形电路利用MAX708计数和缓冲电路分别利用54HCl90和54LVC245来实现,为节省处理器宝贵的I/O口资源,采用模拟总线的方式来实现,通过锁存、译码电路来控制频率码的形成。

1.6 显示、键盘电路

  显示电路是人机交互的窗口,直接显示了当前检测仪所处的状态和电台检测结果。当检测的电台不能满足性能要求时,直接显示错误结果;键盘电路完成检测仪部分功能的输入。为保证检测仪显示结果的可靠性,检测仪显示电路采用抗干扰性强的LED数码管显示,LED数码管的驱动器选用 ZLG7290,ZLG7290利用三线串行码与ARM处理器进行信息交互,其动态显示功能降低了系统功耗。ZLG7290除了用来驱动显示数码管外,电台检测的部分输入也通过其键盘接口来实现,其电路图如图2所示。

电路图

  1.7 其他电路

  一个系统能可靠工作,必须有一系列诸如晶体振荡、看门狗、电源等电路保证,提供系统工作所必需的时钟、监视电路,晶体振荡电路提供必须的时钟信号,看门狗电路在程序运行出现异常时,把微控制器提供复位信号,增加了系统的鲁棒性:电源电路为整个系统电源,采用转换效率高的DC/DC开关电源,按功能为系统设计供电,即为控制电路电源和调理电路独立供电:增加了系统的抗干扰性。

  1.8 调理电路

  检测控制器的工作状态和工作时序由主控制器来完成,然而这只是检测控制器检能正常工作的一个方面,另外一个重要方面就是调理电路,其主要由继电器阵列、分压网络、模拟开关、电平转换等部分组成。控制器输出的信号一般不能直接加到电台内部,这主要有两方面原因:1)检测控制器输出的串口数据为单端输出,而该电台所需要的信号为差分信号;2)控制器输出的信号电平和格式完全正确,为保证系统的抗干扰性,在控制器的输出端和电台输入端一般要加一个缓冲器,增加系统模块之间的隔离度。检测控制器面板的所有控制信息经过处理器处理后通过串口发送给电台,而电台所需要的为差分信号,利用DSl6F95来实现信号电平方式的转换。检测控制器除了测试收发机性能外还可以测试控制盒的性能,另外也可以利用控制来控制收发机,从而模拟机上控制盒控制收发机,在控制盒控制和检测控制器本身信号不能同时发送到电台,这就需要继电器阵列来完成检测仪和控制盒之间的转换。另外,为监控电台工作电压,检测仪要分时显示出工作电压,而工作电台27V以及内部收发控制电压等也要显示,这些电压需要分压网络经过分压后送到数控模拟开关,控制器轮流监视各路电压。

2软件架构设计

  电台检测控制器属于典型的嵌入式控制系统,其性能设计的好坏直接关系到系统是否能够可靠工作。嵌入式软件设计和普通的PC机软件差别较大,由于检测仪控制关系复杂,再加上网络接口、USB存储驱动、中断时间控制、定时器设计、串行通信等因素,对软件架构的要求较高,必须考虑软件和硬件检测协调,另外软件还必须满足可测性、可移植性、健壮性等设计,要综合考虑多种因素。该电台检测控制器的软件流程如图3所示。系统上电后经过初始化配置,然后选择测量控制方式,若是远程控制则启动网络连接,用计算机来控制检测控制器进行工作,进入收发机性能测试,测试的结果通过网络存储到远程计算机中;若是手动测试,则判断测量方式是测控、外控还是测控,如果是内控,则由检测控制器控制收发机,在无线电综合测试仪的配合下测量收发机主要性能,通过读取无线电综合测试仪的测试结果可以把结果保存下来,在保存结果时,如果USB存储设备存在,则把结果存在其中,反之,则存于内部的可擦写的E2PROM中;若是测控,则检测控制器测量控制盒状态,并把结果保存起来;如果是外控,则在控制盒的控制下测量收发机性能,检测控制器通过读无线电综合测试仪结果同样把测试结果保存下来。

软件架构设计

3 结束语

  基于ARM实现的电台检测控制器硬件设计灵活,软件架构设计良好,实现了软件与硬件平台的无缝结合,具有高性能、低功耗、可移植性好、可扩展性好,实现了对电台的检测与控制。通过网络接口,可以实现远程控制,并可以实时读取测量结果:通过增加USB存储接口,在手动测试的情况下还可以把测量数据直接保存下来,极大地提高了测试结果的处理速度,具有广阔的经济效益和军事效益。


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