CN102014310B - 机载选择呼叫信号发生器及其实现方法 - Google Patents

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本发明涉及一种机载选择呼叫信号发生器及其实现方法，以工控机上运行虚拟界面控制窗口为机载选择呼叫信号发生器的控制终端，经USB转换电路使虚拟界面控制软件与选择呼叫信号源硬件之间通信，从而控制选择呼叫信号源硬件；机载选择呼叫信号发生器无需改动硬件，只要修改单片机和FPGA内部部分程序即可实现任意波形函数，其信号呼叫源输出频带宽、频率分辨率高，输出频率的变化只改变相应函数曲线的斜率，对曲线本身的连续性无影响，可满足飞机多种系统管理组件的测试需求，在机载电子设备自动测试过程中，可以根据需要精确稳定地产生选择呼叫音频信号。

Description

机载选择呼叫信号发生器及其实现方法
技术领域
本发明涉及用于飞机维修的选呼信号发生装置，特别是涉及一种机载选择呼叫信号发生器及其实现方法。
背景技术
飞机选择呼叫信号用于地面塔台对空域中飞机的询问，进而实现塔台和飞机的联络，保障飞机圆满完成飞行任务。因此，在飞机放行前必须保证相关机载电子设备选择呼叫功能的正常。经统计，音频管理组件属于易出故障的关键装置，如果不能快速准确的进行维修，必将影响飞机的正常飞行。到目前为止，针对音频管理组件的自动测试装置还处于起步阶段，对音频管理组件(AMU)的测试工作普遍采用音频管理面板(Audio Control Panel，ACP)辅助调试的方式，处于一个较低的水平。
音频管理组件(AMU)自动测试装置实现的前提，需要一种可以稳定并且易于控制的信号源。同时，国内民航机群的AMU虽然有多个型号，但功能都基本相同，其接口都要遵守统一的国际标准规范，一种灵活的机载选择呼叫信号发生器，可通过适当的修改应用于其他类似部件的测试。因此，多通道数字式机载选择呼叫信号发生器的实现对针对音频管理组件的自动测试具有非常重要的意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供多通道数字式的机载选择呼叫信号发生装置的设计方案，从而获得一种可以稳定并且易于控制的信号源，以便在自动测试过程中为UUT(待测组件)提供选择呼叫音频信号。
本发明是通过这样的技术方案实现的：一种机载选择呼叫信号发生器的实现方法，其特征在于：所述方法是通过工控机上运行虚拟界面控制软件，以虚拟界面控制窗口为机载选择呼叫信号发生器的控制终端，经USB转换电路使工控机与选择呼叫信号源硬件之间通信，从而控制选择呼叫信号源硬件；
选择呼叫信号源硬件主要由USB转换电路、基于单片机的控制电路、基于FPGA芯片的信号发生器、D/A电路及滤波电路组成；其中控制电路主要用于控制USB模块，采用中断的方式从USB转换电路读取数据，数据经过处理后传送到基于FPGA芯片的信号发生器；FPGA芯片内部电路采用模块化设计，构成包括时序控制模块、DDS模块和解码器模块的信号通道；FPGA芯片内部电路设有多个信号通道；所述的方法包括如下步骤：
(1)选择呼叫信号使用不同的音调来编码，每一个特定频率的音调对应一个编码；选择呼叫信号源发出的每个选呼信号是两个宽度为1.0s的脉冲，每个脉冲由两个不同的音调(编码)叠加所组成，脉冲间隔为0.2s；对每个编码定义一个标识符及一个BCD码与其对应；
(2)在每个脉冲区，根据由单片机送来的BCD格式的8位选择呼叫代码，解码器都会输出2个不同的24位频率字，每个频率字经过不同通道的DDS模块处理后，再从正弦波查找表得到幅度序列值；两个幅度序列值之和即为两个不同音调叠加后的幅度值，此值和预设的幅度字相乘经幅度调整后输出；
(3)使FPGA芯片工作在一个可调、稳定的系统时钟下，分别在第一个脉冲区、间隔区和第二个脉冲区内设定计数参数，保证脉冲持续时间和脉冲间隔时间的准确无误；
(4)FPGA芯片内部电路的DDS模块，采用相位累加振荡方法构成直接数字合成系统，其输出频率正比于时钟频率和相位增量之积；采用数字相位圆周上的时钟频率，每隔M个点读取一个值，(M＝fp/fclk×224，fp为所需要的频率，fclk为系统时钟频率)，以此值作为地址去读取ROM中相应的数据，此数据即正弦波的幅度，然后经D/A重构正弦波。
根据所述方法，无需改动硬件，只要修改单片机和FPGA内部的部分程序即可获得任意波形函数，即多通道数字式机载选择呼叫信号，从而构成多通道数字式机载选择呼叫信号发生器。
一种机载选择呼叫信号发生器，包括工控机和选择呼叫信号源硬件，所述选择呼叫信号源硬件主要由USB转换电路、控制电路、信号发生器、D/A转换器及滤波电路组成；所述控制电路主要由AVR单片机及其外围电路构成；AVR单片机连接和控制USB转换电路和信号发生器；AVR单片机采用Atmega16；
所述信号发生器主要由FPGA芯片构成，FPGA芯片内部电路采用模块化设计，构成包括时序控制模块、DDS模块和解码器模块的信号通道；FPGA芯片内部电路设有多个信号通道；
解码器模块将由单片机送来的BCD格式的选择呼叫代码解码生成相应的频率字，供DDS模块使用；由时序控制模块控制DDS模块的输出信号的时序，DDS模块输出信号经D/A转换器进行D/A转换后，其输出的幅度码转变成模拟信号，再经滤波电路滤波后输出。
所述USB转换电路主要由FT245BM芯片构成，USB转换电路与控制电路的接口包括8位数据总线和4条通信握手信号，用于虚拟界面与硬件控制电路之间的控制代码传送；
所述用于运行虚拟面板软件的工控机通过USB端口连接USB转换电路，USB转换电路连接AVR单片机控制电路，Atmega16用于控制USB模块和FPGA模块；
所述FPGA模块内部的直接数字频率合成器DDS模块包括频率字同步输入、相位累加器、正弦查找表和幅度调节器；经由Atmega16将呼叫代码输入到FPGA的呼叫代码输入寄存器，并通过解码器解码后得到频率字，将这一频率字输入到直接数字合成器产生所需要的呼叫代码音调信号，信号的输出受选择呼叫脉冲时序控制器控制；
所述D/A转换器电路用于将信号发生器输出的幅度码转变成模拟信号，经低通滤波器电路滤波后输出；
Atmega16中预装软件程序，产生多通道数字式机载选择呼叫信号，为自动测试装置提供稳定和便于使用的信号源。
本发明的机载选择呼叫信号发生器无需改动硬件，只要修改单片机和FPGA内部部分程序即可实现任意波形函数，所设计的信号呼叫源输出频带宽、频率分辨率高，输出频率的变化只改变相应函数曲线的斜率，对曲线本身的连续性无影响，可满足飞机多种系统管理组件的测试需求。在机载电子设备自动测试过程中，可以根据需要精确稳定地产生选择呼叫音频信号，提高自动测试系统的可靠性。
附图说明
图1为机载选择呼叫信号发生器系统框图；
图2为工控机的虚拟界面控制软件控制面板示意图；
图3为FPGA模块状态转移方式示意图；
图4为FPGA模块内部功能框图；
图5为呼叫代码图表；
图6为音调编码图表。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明提供的多通道数字式机载选择呼叫信号发生器的实现方法进行详细说明。
如图1所示，一个运行于工控机上的虚拟界面控制软件向硬件电路发送选择呼叫代码，通过USB转换电路将选呼信号传送至控制单片机，单片机对读到的数据按照事先规定好的格式进行解码、校验，得到幅度控制字和选择呼叫代码，然后将这些信息与控制信号一起传输给FPGA芯片。AVR单片机控制器主要用于控制USB模块，采用中断的方式从USB转换电路读取数据，经过处理后传送到基于FPGA芯片的信号发生器。
如图4所示，FPGA模块内部采用模块化设计方法，主要分为时序控制模块、直接数字合成器DDS模块和解码器模块。应用状态机实现选择呼叫编码格式。D/A转换器和低通滤波器将基于FPGA芯片的信号发生器输出的幅度码转变成模拟信号。USB转换电路，它与控制器之间的典型接口包括8位数据总线和4条通信握手信号，用于虚拟界面与硬件控制电路之间的控制代码传送。
USB转化电路主要由FT245BM芯片构成，芯片的主要功能是进行USB和并行I/O口之间的协议转换。芯片一方面可从主机通过USB串行总线接收数据，并将其转换为并行I/O口的数据流格式发送给外设；另一方面外设可通过并行I/O口将数据转换为USB串行数据格式传回主机。中间的转换工作全部由芯片自动完成，开发者无须考虑固件的设计。该芯片提供了通用的并行I/O口方便与微控制器、FPGA或其他外设接口。在PC机端安装了FTDI公司提供的驱动程序，只需熟悉简单的VB、VC编程，就可很容易地进行上位机软件开发。
如图2所示，选择呼叫代码的虚拟界面控制软件控制面板是在PC机Windows环境下应用VC++编程虚拟实现的。控制面板上4×4的键盘用于设置当前空域中特定飞机的呼叫代码(4位)。
如图5所示，呼叫代码中前两位不能相同，后两位也不能相同，且每一位代码只能是A～S字母中的一个；待4位代码全部设置好后“发送”按钮才会有效。按下“发送”后，PC机将需要发送的信息按照事先定义好的格式进行数据打包，并通过USB口送给选择呼叫信号源，“清空”用于重设或者修改选择呼叫代码。
如图3所示，在每个脉冲区，根据8位选择呼叫代码解码器都会输出2个不同的频率字(24位)，每个频率字经过不同的DDS模块后，再从正弦波查找表得到幅度序列值。这样，两个幅度序列值之和为两个不同音调叠加后的幅度值，此值和预设的幅度字相乘经幅度调整后输出。由于FPGA在一个可调、稳定的系统时钟下工作，分别在第一个脉冲区、间隔区和第二个脉冲区内设定计数参数，从而保证脉冲持续时间和脉冲间隔时间的准确无误。FPGA内部最主要的模块是DDS模块。DDS是一种新型的频率合成技术和信号产生方法。其电路系统具有较高的频率分辨率，可在保持相位连续的情况下快速切换频率，很容易实现频率、相位和幅度的数控调制。采用相位累加振荡方法构成直接数字合成系统，其输出频率正比于时钟频率和相位增量之积。采用数字相位圆周上的时钟频率，每隔M个点读取一个值，以此值作为地址去读取ROM中相应的数据(正弦波的幅度)，然后经D/A重构正弦波。DDS由相位累加器、相位调制器和正弦波查找表组成。相位累加器实现了DDS原理中的相位累加功能；相位调制器实现了改变输出信号相位、获得任意相位正弦信号的功能；正弦波查找表主要完成了相位序列向幅度序列的转换。
如图6所示，选择呼叫信号使用不同的音调来编码，每一个特定频率的音调对应一个编码；选择呼叫信号源发出的每个选呼信号是两个宽度为1.0s的脉冲，每个脉冲由两个不同的音调(编码)叠加所组成，脉冲间隔为0.2s；对每个编码定义一个标识符及一个BCD码与其对应。
根据上述说明，结合本技术领域专业知识即可再现本发明的技术方案。

Claims (2)

1.一种机载选择呼叫信号发生器的实现方法，其特征在于，所述方法是通过工控机上运行虚拟界面控制软件，以虚拟界面控制窗口为机载选择呼叫信号发生器的控制终端，经USB转换电路使工控机与选择呼叫信号源硬件之间通信，从而控制选择呼叫信号源硬件；选择呼叫信号源硬件包括USB转换电路、基于单片机的控制电路、基于FPGA芯片的信号发生器、D/A电路及滤波电路；其中控制电路能够控制USB模块，采用中断的方式从USB转换电路读取数据，数据经过处理后传送到基于FPGA芯片的信号发生器；FPGA芯片内部电路采用模块化设计，构成包括时序控制模块、DDS模块和解码器模块的信号通道；FPGA芯片内部电路设有多个信号通道；所述的方法包括如下步骤：
(1)选择呼叫信号使用不同的音调来编码，每一个特定频率的音调对应一个编码；选择呼叫信号源发出的每个选呼信号是两个宽度为1.0s的脉冲，每个脉冲由两个不同的音调编码叠加所组成，脉冲间隔为0.2s；对每个编码定义一个标识符及一个BCD码与其对应；
(2)在每个脉冲区，根据由单片机送来的BCD格式的8位选择呼叫代码，解码器都会输出2个不同的24位频率字，每个频率字经过不同通道的DDS模块处理后，再从正弦波查找表得到幅度序列值；两个幅度序列值之和即为两个不同音调叠加后的幅度值，此值和预设的幅度字相乘经幅度调整后输出；
(3)使FPGA芯片工作在一个可调、稳定的系统时钟下，分别在第一个脉冲区、间隔区和第二个脉冲区内设定计数参数，保证脉冲持续时间和脉冲间隔时间的准确无误；
(4)FPGA芯片内部电路的DDS模块，采用相位累加振荡方法构成直接数字合成系统，其输出频率正比于时钟频率和相位增量之积；采用数字相位圆周上的时钟频率，每隔M个点读取一个值，M＝fp/fclk×224，fp为所需要的频率，fclk为系统时钟频率，以此值作为地址去读取ROM中相应的数据，此数据即正弦波的幅度，然后经D/A重构正弦波。
2.一种机载选择呼叫信号发生器，包括工控机和选择呼叫信号源硬件，其特征在于：所述选择呼叫信号源硬件包括USB转换电路、控制电路、信号发生器、D/A转换器及滤波电路；所述控制电路包括AVR单片机及其外围电路；AVR单片机连接和控制USB转换电路和信号发生器；AVR单片机采用Atmega16；
所述信号发生器包括FPGA芯片，FPGA芯片内部电路采用模块化设计，构成包括时序控制模块、DDS模块和解码器模块的信号通道；FPGA芯片内部电路设有多个信号通道；解码器模块将由单片机送来的BCD格式的选择呼叫代码解码生成相应的频率字，供DDS模块使用；由时序控制模块控制DDS模块的输出信号的时序，DDS模块输出信号经D/A转换器进行D/A转换后，其输出的幅度码转变成模拟信号，再经滤波电路滤波后输出；
所述USB转换电路包括FT245BM芯片，USB转换电路与控制电路的接口包括8位数据总线和4条通信握手信号，用于虚拟界面与硬件控制电路之间的控制代码传送；
所述用于运行虚拟面板软件的工控机通过USB端口连接USB转换电路，USB转换电路连接AVR单片机控制电路，Atmega16用于控制USB模块和FPGA模块；
Atmega16中预装软件程序，产生多通道数字式机载选择呼叫信号，为自动测试装置提供稳定和便于使用的信号源；
选择呼叫信号使用不同的音调来编码，每一个特定频率的音调对应一个编码；选择呼叫信号源发出的每个选呼信号是两个宽度为1.0s的脉冲，每个脉冲由两个不同的音调编码叠加所组成，脉冲间隔为0.2s；对每个编码定义一个标识符及一个BCD码与其对应；
在每个脉冲区，根据由单片机送来的BCD格式的8位选择呼叫代码，解码器都会输出2个不同的24位频率字，每个频率字经过不同通道的DDS模块处理后，再从正弦波查找表得到幅度序列值；两个幅度序列值之和即为两个不同音调叠加后的幅度值，此值和预设的幅度字相乘经幅度调整后输出；
使FPGA芯片工作在一个可调、稳定的系统时钟下，分别在第一个脉冲区、间隔区和第二个脉冲区内设定计数参数，保证脉冲持续时间和脉冲间隔时间的准确无误；
FPGA芯片内部电路的DDS模块，采用相位累加振荡方法构成直接数字合成系统，其输出频率正比于时钟频率和相位增量之积；采用数字相位圆周上的时钟频率，每隔M个点读取一个值，M＝fp/fclk×224，fp为所需要的频率，fclk为系统时钟频率，以此值作为地址去读取ROM中相应的数据，此数据即正弦波的幅度，然后经D/A重构正弦波。
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