孟明星，鄭喜鳳，陳 宇

無線電經(jīng)緯儀訓(xùn)練模擬器主控電路的設(shè)計與實現(xiàn)

孟明星1,2，鄭喜鳳1，陳 宇1

(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院 研究生院, 北京 100039)

利用真實無線電經(jīng)緯儀對氣象操作員進行訓(xùn)練存在著成本高、效率低等諸多問題，研制相關(guān)訓(xùn)練模擬器是一種理想的解決方案。針對真實無線電經(jīng)緯儀的系統(tǒng)組成特點和操作過程，提出了訓(xùn)練模擬器的仿真原理和主控電路的結(jié)構(gòu)，重點分析了主控電路中各個功能模塊的實現(xiàn)方法并給出了軟件控制流程。調(diào)試結(jié)果驗證了設(shè)計方案的可行性。

訓(xùn)練模擬器；無線電經(jīng)緯儀；主控電路

無線電經(jīng)緯儀是一種全自動高空氣象探測儀，它和氣象探測氣球配合，通過對氣象探測氣球的跟蹤，能夠探測一定高度和水平距離空間內(nèi)的氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象信息[1]。氣象探測氣球上綁定有特定型號的探空儀，探空儀中裝有溫度、濕度、壓力等傳感器，它在探測過程中以一定的時間間隔將原始氣象信息傳給地面探空接收天線[2]。探空接收天線將接收到的原始氣象信息送入探空信號接收機，進行放大、濾波、解碼等處理，轉(zhuǎn)換成有效的氣象信息。最后探空信號接收機將處理后的氣象信息送入上位機軟件，由上位機軟件輸出直觀的高空氣象信息以供使用。無線電經(jīng)緯儀和普遍使用的氣象雷達探測系統(tǒng)相比，集成度更高，操作界面更直觀，更適合于機動探測。

無線電經(jīng)緯儀的操作流程復(fù)雜并且對操作員的操作順序有嚴格的要求，因此需要對操作員進行大量嚴格的訓(xùn)練。但利用真實系統(tǒng)對操作員進行培訓(xùn)，存在著很多局限性：探空儀成本高，利用真實系統(tǒng)進行訓(xùn)練開銷巨大；受外界環(huán)境因素影響大，難以對訓(xùn)練成績進行客觀的評價；一旦操作失誤，整個操作過程可能無法繼續(xù)進行，訓(xùn)練效率低。因此，研制一套操作現(xiàn)象、操作流程、數(shù)據(jù)參數(shù)界面與真實無線電經(jīng)緯儀完全一致的訓(xùn)練模擬系統(tǒng)，是非常必要的。

1 無線電經(jīng)緯儀

1.1 系統(tǒng)組成

無線電經(jīng)緯儀系統(tǒng)主要由三部分組成：數(shù)據(jù)處理計算機，探空信號接收機和探空接收天線，如圖1所示。

圖1 無線電經(jīng)緯儀系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Composition block diagram of radio theodolite

其中，數(shù)據(jù)處理計算機中的上位機軟件用于探測前探空儀信息的錄入，探測過程中氣象信息的顯示和相應(yīng)氣象圖表的繪制，以及探測結(jié)束后氣象報告的生成。

探空信號接收機除了內(nèi)建的信號處理電路外，主要有6大功能模塊組成。其中，顯示模塊由兩組5位LED數(shù)碼管組成，分別顯示當(dāng)前探空接收天線的方位角和俯仰角；信號發(fā)聲儀(語音模塊)在探測過程中播放探空信號電碼聲音，使操作員能識別所用探空儀類型(不同的探空儀發(fā)出的探空信號被接收后發(fā)出的電碼聲音是不同的)；微安表用來指示當(dāng)前探空信號的強度，當(dāng)天線偏離探空氣球較多時，微安表示數(shù)急劇下降，操作員根據(jù)微安表示數(shù)控制天線方向以跟蹤氣球；指示燈組用來指示無線電經(jīng)緯儀各個模塊的工作狀態(tài)；開關(guān)組用來開/關(guān)無線電經(jīng)緯儀的各個模塊以及控制探測過程；天線控制模塊用來改變探空天線的方位。

探空接收天線在天線控制按鈕的控制下跟蹤氣球，并將探空儀發(fā)回的氣象信息送入探空信號接收機中。

1.2 探測過程

在探測前，操作員需將所用探空儀參數(shù)以及地面的氣溫、氣壓、濕度等氣象信息錄入上位機軟件，并完成探空信號接收機的開機操作。然后，將探空儀固定在氫氣球上并進行探空天線初始狀態(tài)的調(diào)整。探空天線初始狀態(tài)調(diào)整正確后，將探空儀升空，開始探測過程。探空儀以一定的時間間隔發(fā)送當(dāng)前所在高度的氣象信息至探空接收天線。

探測過程中，操作員根據(jù)微安表示數(shù)來判斷天線和氣球的偏離程度，以調(diào)整天線方向跟蹤氣球。若由于一些突發(fā)原因，操作員未跟上氣球，計算機上位機軟件將停止顯示氣象信息，相應(yīng)氣象圖表的繪制也將中斷，操作員應(yīng)在最短的時間內(nèi)重新跟上氣球，否則可能失去目標(biāo)。對操作員的訓(xùn)練就是不僅要使其完全掌握操作流程，還要能夠?qū)ν话l(fā)狀況進行及時正確的處理[2]。最后，當(dāng)氣球超過探空儀的極限探測高度后，操作員應(yīng)結(jié)束探測，并輸出氣象探測結(jié)果。

2 訓(xùn)練模擬器設(shè)計原理

訓(xùn)練模擬器的外形必須和真實系統(tǒng)完全相同，并且模擬真實系統(tǒng)的全部操作現(xiàn)象和操作流程。其中，放球操作、探空天線的初始化和探測中控制由上位機軟件和主控電路聯(lián)合模擬完成。因此，訓(xùn)練模擬器和真實系統(tǒng)相比，少了探空接收天線的部分，如圖2所示。

圖2 訓(xùn)練模擬器組成框圖Fig.2 Composition block diagram of training simulator

在訓(xùn)練模擬器中，氣象探測信息由預(yù)置在上位機軟件中的數(shù)據(jù)庫提供，送入探空信號接收機中按規(guī)定算法進行處理，然后送回計算機。因此，訓(xùn)練模擬器不需要重現(xiàn)探空信號接收機中的信號處理電路。同時，訓(xùn)練模擬器的硬件系統(tǒng)還監(jiān)控操作員的操作流程，若操作員出現(xiàn)操作錯誤，主控電路會產(chǎn)生錯誤信息并送入上位機軟件。上位機軟件會給出錯誤提示并定量評價訓(xùn)練結(jié)果。

3 主控電路設(shè)計

訓(xùn)練模擬器主控電路主要模擬探空信號接收機的功能?？紤]到對計算性能和控制性能的要求，采用DSP+CPLD的結(jié)構(gòu)。其中， DSP作為核心控制器，主要完成氣象信息的計算和對外圍電路的控制，CPLD完成開關(guān)組信號的提取。主控電路的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 主控電路結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of main control circuit

3.1 主控芯片的選擇

DSP選用TI公司的定點DSP芯片TMS320LF2407A 。LF2407A的指令執(zhí)行速度為40MIPS[3]，能夠滿足模擬器實時處理氣象數(shù)據(jù)的要求。同時，LF2407A外設(shè)資源豐富，兩個事件管理器(EV)每個包含2個16位通用定時器、3個比較單元、3個定時捕獲單元，此外還具有串行外設(shè)接口(SPI)、串行通信接口(SCI)、CAN2.0B模塊、41個可單獨編程或復(fù)用的通用I/O接口、五個外部中斷等[3]。這些片上資源能夠幫助模擬器快速、方便地完成對各個功能模塊的控制任務(wù)。

CPLD采用Altera公司MAX II系列芯片中的EPM240T100C5。該芯片具有功耗低、延時小等特點[4]。在訓(xùn)練模擬器主控電路中，CPLD主要完成I/O擴展的功能，該芯片足以滿足要求。

3.2 顯示模塊的實現(xiàn)

顯示模塊用來控制兩組5位LED數(shù)碼管的顯示，為減小電路規(guī)模，每組5位數(shù)碼管可由一個四位一體數(shù)碼管和一個一位數(shù)碼管代替。DSP的SPI模塊將顯示數(shù)據(jù)(包括四位一體數(shù)碼管的選通信號)串行輸出至74HC595芯片組，由74HC595芯片組并行輸出后送入數(shù)碼管顯示，如圖4所示：

圖4 顯示模塊實現(xiàn)框圖Fig.4 Block diagram of display module

74HC595芯片是一種8位串行輸入/輸出或者并行輸出的移位寄存器，其串行移位和并行輸出需要不同的時鐘信號。在74HC595芯片組中，前一個74HC595芯片的串行輸出接下一個的串行輸入，各個芯片共用串行移位時鐘、并行輸出時鐘及并行輸出使能信號。SPI模塊的SPISIMO引腳串行輸出顯示數(shù)據(jù)，SPICLK引腳提供74HC595芯片組的串行移位時鐘。另外，DSP的兩個I/O引腳輸出LACK和OE信號，分別作為74HC595芯片組的并行輸出時鐘和并行輸出使能信號。在一組完整的顯示數(shù)據(jù)串行移入74HC595芯片組后，LACK引腳輸出一個高電平脈沖，顯示數(shù)據(jù)并行輸出并送至數(shù)碼管顯示。整個顯示模塊的控制可在定時器周期中斷服務(wù)程序中完成[5]，以保證數(shù)碼管組不間斷的顯示天線方位。

3.3 微安表模塊的實現(xiàn)

微安表模塊根據(jù)當(dāng)前探空信號強度輸出相應(yīng)的電流至微安表。其中探空信號強度由DSP根據(jù)從上位機軟件接收到的氣象數(shù)據(jù)真值和顯示模塊指示的當(dāng)前探空天線方位，按照規(guī)定的算法計算得到，它與電流值成正比。在具體實現(xiàn)時，DSP比較單元輸出寬度與探空信號強度成線性關(guān)系的PWM脈沖，送至電平轉(zhuǎn)換電路。電平轉(zhuǎn)換電路輸出幅值與PWM脈沖寬度成線性關(guān)系的直流電壓信號，通過負載后便可輸出適當(dāng)?shù)碾娏髦廖脖?。微安表模塊的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 微安表模塊實現(xiàn)框圖Fig.5 Block diagram of micro-ammeter module

其中，探空信號強度和PWM脈沖寬度的線性關(guān)系是通過對PWM脈沖寬度、輸出電流值的采樣，由最小二乘法擬合得出。電平轉(zhuǎn)換電路主要有三部分組成：積分電路、包絡(luò)檢波器和電壓跟隨器[6]，其輸出不是純粹的直流分量，而是帶有一定的紋波。負載除了阻值適當(dāng)?shù)碾娮柰猓€包括一個整流二極管，以減少紋波。

3.4 語音模塊的實現(xiàn)

模擬器的語音電路采用語音錄放芯片加上功放芯片的實現(xiàn)方案。其中語音錄放芯片采用ISD1760，其獨立按鍵工作模式即可滿足要求。ISD1760的兩個喇叭輸出信號SP+、SP-經(jīng)過放大、濾波電路后送入功放芯片。功放芯片采用TI公司的TPA1517，它能持續(xù)提供平均5～6W輸出功率。TPA1517輸出的音頻信號直接送至喇叭輸出。在實際使用時，先利用麥克電路將需要播放的探空儀電碼聲音錄入ISD1760，然后由DSP輸出播放控制信號。

3.5 開關(guān)組模塊的實現(xiàn)

在模擬器中，開關(guān)組采用機械開關(guān)連接信號線的方案實現(xiàn)。由于開關(guān)數(shù)量眾多，采用一片CPLD對DSP進行IO擴展，由CPLD完成對開關(guān)組狀態(tài)的提取，然后送入DSP中。開關(guān)組信號線由5V電源上拉，經(jīng)8總線雙向三態(tài)緩沖器74LVC4245芯片后，接至CPLD引腳。CPLD和DSP主要通過兩組I/O引腳相連，以引腳的高低電平狀態(tài)來分別傳遞提取碼和開關(guān)狀態(tài)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 開關(guān)組模塊實現(xiàn)框圖Fig.6 Block diagram of switching group module

在時鐘信號的驅(qū)動下，CPLD主控邏輯不斷檢測開關(guān)組信號狀態(tài)。若檢測到有開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，CPLD首先執(zhí)行延時消抖操作，然后重新檢測開關(guān)組狀態(tài)。確認開關(guān)組狀態(tài)發(fā)生變化后，CPLD向DSP的XINT1引腳輸出10個CLKOUT周期的低電平，以觸發(fā)DSP的外部引腳中斷[7]。

由于開關(guān)數(shù)量眾多而DSP的I/O引腳有限，CPLD不能一次性地將全部開關(guān)狀態(tài)都送入DSP中，因此，開關(guān)狀態(tài)的傳送采用分組傳遞的方式實現(xiàn)。在DSP的外部引腳中斷服務(wù)程序中，DSP向CPLD傳送提取碼，CPLD根據(jù)提取碼傳送相應(yīng)組別的開關(guān)狀態(tài)至DSP，直至所有開關(guān)狀態(tài)傳送完畢。在中斷服務(wù)程序中，DSP除了完成開關(guān)狀態(tài)的提取，還需判斷是哪些開關(guān)的狀態(tài)發(fā)生了變化并執(zhí)行相應(yīng)處理。

3.6 其他功能模塊的實現(xiàn)

模擬器指示燈組由DSP的I/O引腳直接控制。對于顯示狀態(tài)獨立的單個LED燈，控制信號經(jīng)74LVC4245芯片后直接送至LED燈；對于顯示狀態(tài)一致的一組LED燈，控制信號經(jīng)74LVC4245芯片后送至一個三極管開關(guān)電路，由三極管開關(guān)電路驅(qū)動并聯(lián)LED燈組(大電流負載)。

天線控制模塊用來調(diào)節(jié)探空天線的方位，有“上”、“下”、“左”、“右”4個按鈕。這4個按鈕的外部電路和開關(guān)組相同，但由于其功能的特殊性，將其信號線直接接至DSP的I/O引腳。在主程序中，DSP循環(huán)檢測并記錄這四個按鈕的狀態(tài)。在定時器周期中斷服務(wù)程序中，根據(jù)各個按鈕的當(dāng)前狀態(tài)，程序按照規(guī)定的角速度調(diào)整當(dāng)前探空天線的方位值并送顯示[8]。

最后，在模擬器中，計算機和DSP采用RS-232標(biāo)準(zhǔn)的通用異步串口(UART)進行通信。DSP的SCI模塊通過一片MAX232芯片與計算機串口相連。SCI模塊采用全雙工通信，波特率為9600Baud。

4 軟件控制流程

在CCS3.3平臺下，利用C語言進行控制程序的開發(fā)，其軟件控制流程如圖7所示。

圖7 軟件控制流程Fig.7 Process of software control

DSP上電后，首先進行系統(tǒng)的初始化和外設(shè)模塊的初始化，然后第一次讀取開關(guān)組各個開關(guān)的狀態(tài)，以獲得開關(guān)狀態(tài)的初始值。在打開中斷和定時器后，DSP循環(huán)執(zhí)行以下操作：讀取并記錄天線控制按鈕的狀態(tài)；接收計算機傳來的控制信息和氣象數(shù)據(jù)，進行相應(yīng)處理后，得到狀態(tài)指示燈的亮暗信息、探空信號強度并送顯示，將氣象數(shù)據(jù)處理結(jié)果和操作員的一些操作錯誤信息發(fā)送給計算機。在外部引腳中斷中，DSP讀取開關(guān)組狀態(tài)并進行處理，得到相關(guān)指示燈的亮暗信息和操作錯誤信息；串口中斷完成串行數(shù)據(jù)的收發(fā)；在定時器周期中斷中，DSP根據(jù)規(guī)定的角速度調(diào)節(jié)天線方位并送顯示模塊顯示，同時完成軟件計時、語音控制和看門狗等操作。

5 結(jié)束語

按照上述方案設(shè)計的系統(tǒng)樣機，通過對主控電路各個功能模塊的分步調(diào)試以及和上位機軟件的聯(lián)合調(diào)試，其預(yù)期功能全部得到實現(xiàn)，從而驗證了設(shè)計方案的可行性。目前，無線電經(jīng)緯儀訓(xùn)練模擬器已投入實際使用，并取得了良好的訓(xùn)練效果。

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Design and implementation of control circuit in radio theodolite training simulator

MENG Ming-xing1,2, ZHENG Xi-feng1, CHEN Yu1
(1.Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, Jilin, China;2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

An efficient and economical way to train operators of radio theodolite is to take advantage of relative simulators.A design of radio theodolite simulator was provided.At first the construction and the operation process of radio theodolite were introduced.Then the design principle of the simulator and the construction of its control circuit were given.At last each module of the control circuit was described in detail and the software control procedure was also given.The test results show that the design scheme is viable.

training simulator；radio theodolite；control circuit

P204; PM93

A

1673-923X (2012)03-0198-05

2011-11-01

孟明星(1987—)，男，河南孟州人，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式技術(shù)應(yīng)用等；E-mail：mengmingxing@sina.cn

[本文編校：邱德勇]