CN103033800B - 一种精密测距监测单元电路及功能的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精密测距监测单元电路及实现方法。包括轨至轨单端变差分电路、AD模数转换电路、FPGA电路、ARM电路、DA数模转换电路、RS232串口电路，FPGA电路分别与DA数模转换电路、ARM电路、AD模数转换电路连接，DA数模转换电路通过轨至轨单端变差分电路与AD模数转换电路连接，ARM电路与RS232串口电路连接。特点是：该监测单元能够实现测距设备在常规和精密模式下各项技术指标的精确测量，符合各项指标参数的测量精度，具备系统参数的调试能力，能够完成询问脉冲数、脉冲间隔和回波抑制的设置和接收机带宽、邻波道抑制、接收机灵敏度等各项参数的测试并且能够产生待测高斯脉冲，模拟整机状态下信号输入，实现单元自检。

Description

一种精密测距监测单元电路及功能的实现方法

技术领域

本发明涉及一种飞机着陆用测距设备，特别涉及一种精密测距监测单元电路及实现方法。

背景技术

精密测距就是在常规测距的基础上引入精密模式，从而进一步提高测距精度。机载设备和地面信标机的通讯信号是伪高斯波形脉冲对，其第一个脉冲上升沿的多径反射容易造成失真，导致在使用50%半幅探测时，地面信标机和机载设备在检测脉冲的到达时间时产生误差。这种误差在着陆的最后阶段对飞机的影响非常大。

因此，精密测距设备的脉冲有一个非常陡峭的上升沿，5%～30%之间部分上升时间为（250±50）ns ，该段是直线形状。

目前已有的精密测距设备，主要为仿制意大利的，由于软件没有被破译以及电路器件的落后导致在生产中调试设备困难，增加调机时间,延长了生产周期，并且不利于故障的排除，因此，有必要研制我们自己的精密测距设备。

发明内容

鉴于现有测距设备存在的不足，本发明提供了一种精密测距监测单元电路及实现方法，实现以下目的：

1、增加精密模式下各项指标参数的测量并能够和常规模式兼容，精密/常规模式应答延时（测量精度为±20ns）、精密/常规模式应答效率（±2%）、应答编码间隔（±20ns）、部分上升时间（±10ns）、上升沿时间（±10ns）、峰值功率输出（±0.5dB）、发射速率（±20pps）、识别信号（当码群延时大于9s或75s内无摩尔斯码，告警）等参数。

2、具备系统参数的测试能力，设置询问脉冲数、设置询问脉冲间隔、设置回波抑制、接收机带宽测试、邻波道抑制测试、过载抑制测试、远距回波抑制测试、近距回波抑制测试、接收机灵敏度测试、译码电路鉴别力测试、译码电路性能测试等。

本发明为实现以上目的，所采用的技术方案是：一种精密测距监测单元电路，其特征在于：包括轨至轨单端变差分电路、AD模数转换电路、FPGA电路、ARM电路、DA数模转换电路、RS232串口电路，所述FPGA电路分别与DA数模转换电路、ARM电路、AD模数转换电路连接，所述DA数模转换电路通过轨至轨单端变差分电路与AD模数转换电路连接，所述ARM电路与RS232串口电路连接。

一种精密测距监测单元电路功能的实现方法，其特征在于：实现方法如下：

FPGA和ARM整体实现方法：

    上电后，FPGA和ARM开始初始化：FPGA对AD模数转换后的数据进行处理，生成方波信号进而测量各项参数指标，这些数据会在ARM执行外部中断时发送过去。通过地址数据总线，FPGA能接收到ARM传送的频率、脉冲间隔和回波抑制等数据指标，完成询问方波的生成。为了能够实现单元板自检，FPGA能够产生待测高斯脉冲，模拟整机状态下信号输入；ARM从RAM中读取掉电保存的数据并初始化各管脚工作模式，然后进入while函数进行功率、带宽、过载抑制、灵敏度、译码能力和近远回波抑制等测试，在此过程中会出现外部中断和串口中断，分别用来读取从FPGA传送的数据和主控单元的协议命令，以此完成控制作用。

第一、FPGA工作的具体步骤：

这部分主要用于完成对AD的输出信号进行数字处理，完成半幅探测、各项指标参数测量、待测高斯脉冲和询问方波生成； 

第一部分：数据的预处理部分，这一部分包括发射（询问）信号的延时模块、半幅、5%、10%、30%、90%门限模块和发射（询问）的比较器模块，AD采样得到的数据最先进入这一部分，目的是生成发射（询问）方波以及发射信号的部分上升时间和上升沿；

信号延时模块：半幅、5%、10%、30%、90%门限会因为脉冲峰值的判断产生延时，需要将输入的信号延时6μs；

门限模块：根据脉冲的峰值，经过计算形成半幅门限、5%、10%、30%、90%门限；

比较器模块：延时后的发射（询问）信号和半幅、5%、10%、30%、90%门限电平进入这个模块，发射（询问）信号和半幅门限进行比较产生发射（询问）方波，发射信号和5%、30%门限比较生成部分上升时间，发射信号和10%、90%门限比较生成上升沿；

第二部分：数据的处理部分，这一部分主要是计数器模块，发射（询问）方波、部分上升时间、上升沿、接收机输出信号和识别信号等都进入这一部分，目的是测量发射速率、应答延时、应答效率、应答编码间隔、部分上升时间、上升沿时间、接收机输出等参数，待测量完成后通过数据总线发给ARM；这一部分包括若干小模块分别用来测量以上参数，主要思路是利用一个1秒的门电平，用50MHz（2MHz）的时钟计数测量以上参数；

第三部分：询问方波生成部分，这一部分包括频率设置模块、脉冲间隔设置模块、回波抑制设置模块、数量设置模块、同步抑制模块、询问方波生成模块，ARM通过数据总线传送生成询问方波所需要的参数，这些数据分别输入到频率设置模块、脉冲间隔设置模块、回波抑制设置模块、数量设置模块；

频率设置模块、脉冲间隔设置模块、回波抑制设置模块、数量设置模块：这几个模块主要用于从数据总线上读取生成询问方波所需要的参数；

同步抑制模块：这个模块的信号是另外一块监测单元板产生的，在整机的两块监测单元板之间起到一个同步抑制的作用；

询问方波生成模块：以上几个模块的信号都会进入这个模块，根据IAFA工作模式、编码方式等参数，会生成脉宽4μs，脉冲间隔可调的询问方波；

第四部分：高斯脉冲生成部分，这一部分的输出数据会送到DA数模转换电路，从而生成高斯脉冲，主要思路是用IP核建立一个数据库，用50MHz的时钟顺序循环地从中读取数据。

第二、ARM工作的具体步骤：

第一部分、while函数：这部分主要用于完成发射功率的计算和各项指标参数的调整；

1、上电后，ARM开始初始化，从RAM中读取掉电保存的数据（包括IA/FA测距模式、编码方式、波道频点、衰减值）并初始化各管脚工作模式；

2、然后进行63M置频设置，主要目的是为生成询问方波提供置频参数；

3、接着进入while函数，while(1)会顺序循环执行，依次判断test_flag的值：=0时，执行功率测试，发射功率与脉冲的峰值存在一定的关系，使用相应的算法能够计算出发射功率；=1时，执行带宽测试，首先会判断应答效率，若>75，衰减值++，若<65，衰减值--，否则当前衰减值+偏移量；以此类推，不同的test_flag，进入相应的功能测试；

执行while函数的过程中会发生外部中断和串口中断；

第二部分、串口中断函数：这部分主要用于完成检测单元与主控单元之间的协议。

1、while函数执行过程中，如果发生串口中断，程序会跳转到这里，首先判断temp的值是否=00，如果不是，跳出中断；如果是，进行下面的判断；

2、然后继续判断temp的值，根据不同的值依次进入相应功能模块，例如当temp=01时，这是主控单元与监测单元之间的握手协议，当监测单元收到主控协议 00 01 ff时，会回复00 01 ff，以此完成两个单元之间的握手通信。再比如temp=02，这是主控读取监测数据的指令，当监测单元收到主控协议 00 02 ff时，会回复00 02 data1 data2 … dataN ff，完成监测数据的传送；有的功能模块对test_flag有置数操作，用来完成相应监测功能；

3、中断函数执行完毕，跳转回while函数；

第三部分、外部中断函数：这部分主要用于ARM从FPGA中取各项指标参数的数据；

1、while函数执行过程中，如果发生外部中断，程序会跳转到这里。这个中断是由FPGA将指标数据测量完成后发送一个高电平触发的；

2、首先，关闭总中断，屏蔽其他一切中断源的中断触发；

3、ARM发送读取数据指令，fetch=0；

4、根据不同的物理地址，从FPGA中读取相应数据，包括应答延时、应答效率、应答编码间隔、部分上升时间、发射速率等；

5、中断函数执行完毕，清除中断屏蔽，跳转回while函数。

本发明的特点是：该监测单元能够实现测距设备在常规和精密模式下各项技术指标的精确测量，符合各项指标参数的测量精度，具备系统参数的调试能力，能够完成询问脉冲数、脉冲间隔和回波抑制的设置和接收机带宽、邻波道抑制、接收机灵敏度等各项参数的测试并且能够产生待测高斯脉冲，模拟整机状态下信号输入，实现单元自检。

附图说明

图1为本发明电路连接框图；

图2为本发明 FPGA流程框图；

图3为本发明while函数流程图；

图4 为本发明串口中断函数流程图；

图5为本发明 外部中断函数流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种精密测距监测单元电路，包括轨至轨单端变差分电路、AD模数转换电路、FPGA电路、ARM电路、DA数模转换电路、RS232串口电路， FPGA电路分别与DA数模转换电路、ARM电路、AD模数转换电路连接， DA数模转换电路通过轨至轨单端变差分电路与AD模数转换电路连接， ARM电路与RS232串口电路连接。

工作原理：

轨至轨单端变差分电路：输入信号经过LM6172射随电路进入轨至轨单端变差分电路，由单端信号转换为差分输入信号。

AD模数转换电路：通过AD9245高速AD对输入信号进行采样，将模拟信号转换成数字信号。

FPGA（现场可编程门阵列）电路：采用Xilinx的Spartan-6系列的FPGA对AD的输出信号进行数字处理，完成半幅探测、各项指标参数测量、相关单元需要的方波信号生成和单元自检需要的待测高斯脉冲等。

ARM（嵌入式处理器）电路：应用基于ARM920T核的Samsung公司生产的S3C2410完成整个单元的控制操作，包括单元板内部各个功能电路之间和单元板之间数据的传输等。

DA数模转换电路：通过AD9752数模转换电路将从FPGA得到的数据转换成待测高斯脉冲，模拟整机状态下信号输入，实现单元板自检。

RS232串口电路：MAX3232E的串口电路主要用于单元板之间协议的传输。

如图2、3、4、5所示，一种精密测距监测单元电路功能的实现方法如下：

FPGA和ARM整体实现方法：

    上电后，FPGA和ARM开始初始化：FPGA对AD模数转换后的数据进行处理，生成方波信号进而测量各项参数指标，这些数据会在ARM执行外部中断时发送过去。通过地址数据总线，FPGA能接收到ARM传送的频率、脉冲间隔和回波抑制等数据指标，完成询问方波的生成。为了能够实现单元板自检，FPGA能够产生待测高斯脉冲，模拟整机状态下信号输入；ARM从RAM中读取掉电保存的数据并初始化各管脚工作模式，然后进入while函数进行功率、带宽、过载抑制、灵敏度、译码能力和近远回波抑制等测试，在此过程中会出现外部中断和串口中断，分别用来读取从FPGA传送的数据和主控单元的协议命令，以此完成控制作用。

第一、FPGA工作的具体步骤：

这部分主要用于完成对AD的输出信号进行数字处理，完成半幅探测、各项指标参数测量、待测高斯脉冲和询问方波生成； 

第一部分：数据的预处理部分，这一部分包括发射（询问）信号的延时模块、半幅、5%、10%、30%、90%门限模块和发射（询问）的比较器模块，AD采样得到的数据最先进入这一部分，目的是生成发射（询问）方波以及发射信号的部分上升时间和上升沿；

信号延时模块：半幅、5%、10%、30%、90%门限会因为脉冲峰值的判断产生延时，需要将输入的信号延时6μs；

门限模块：根据脉冲的峰值，经过计算形成半幅门限、5%、10%、30%、90%门限；

比较器模块：延时后的发射（询问）信号和半幅、5%、10%、30%、90%门限电平进入这个模块，发射（询问）信号和半幅门限进行比较产生发射（询问）方波，发射信号和5%、30%门限比较生成部分上升时间，发射信号和10%、90%门限比较生成上升沿；

第二部分：数据的处理部分，这一部分主要是计数器模块，发射（询问）方波、部分上升时间、上升沿、接收机输出信号和识别信号等都进入这一部分，目的是测量发射速率、应答延时、应答效率、应答编码间隔、部分上升时间、上升沿时间、接收机输出等参数，待测量完成后通过数据总线发给ARM；这一部分包括若干小模块分别用来测量以上参数，主要思路是利用一个1秒的门电平，用50MHz（2MHz）的时钟计数测量以上参数；

第三部分：询问方波生成部分，这一部分包括频率设置模块、脉冲间隔设置模块、回波抑制设置模块、数量设置模块、同步抑制模块、询问方波生成模块，ARM通过数据总线传送生成询问方波所需要的参数，这些数据分别输入到频率设置模块、脉冲间隔设置模块、回波抑制设置模块、数量设置模块；

频率设置模块、脉冲间隔设置模块、回波抑制设置模块、数量设置模块：这几个模块主要用于从数据总线上读取生成询问方波所需要的参数；

同步抑制模块：这个模块的信号是另外一块监测单元板产生的，在整机的两块监测单元板之间起到一个同步抑制的作用；

询问方波生成模块：以上几个模块的信号都会进入这个模块，根据IAFA工作模式、编码方式等参数，会生成脉宽4μs，脉冲间隔可调的询问方波；

第四部分：高斯脉冲生成部分，这一部分的输出数据会送到DA数模转换电路，从而生成高斯脉冲，主要思路是用IP核建立一个数据库，用50MHz的时钟顺序循环地从中读取数据。

第二、ARM工作的具体步骤：

第一部分、while函数：这部分主要用于完成发射功率的计算和各项指标参数的调整；

1、上电后，ARM开始初始化，从RAM中读取掉电保存的数据（包括IA/FA测距模式、编码方式、波道频点、衰减值）并初始化各管脚工作模式；

2、然后进行63M置频设置，主要目的是为生成询问方波提供置频参数；

3、接着进入while函数，while(1)会顺序循环执行，依次判断test_flag的值：=0时，执行功率测试，发射功率与脉冲的峰值存在一定的关系，使用相应的算法能够计算出发射功率；=1时，执行带宽测试，首先会判断应答效率，若>75，衰减值++，若<65，衰减值--，否则当前衰减值+偏移量；以此类推，不同的test_flag，进入相应的功能测试；

执行while函数的过程中会发生外部中断和串口中断；

第二部分、串口中断函数：这部分主要用于完成检测单元与主控单元之间的协议。

1、while函数执行过程中，如果发生串口中断，程序会跳转到这里，首先判断temp的值是否=00，如果不是，跳出中断；如果是，进行下面的判断；

2、然后继续判断temp的值，根据不同的值依次进入相应功能模块，例如当temp=01时，这是主控单元与监测单元之间的握手协议，当监测单元收到主控协议 00 01 ff时，会回复00 01 ff，以此完成两个单元之间的握手通信。再比如temp=02，这是主控读取监测数据的指令，当监测单元收到主控协议 00 02 ff时，会回复00 02 data1 data2 … dataN ff，完成监测数据的传送；有的功能模块对test_flag有置数操作，用来完成相应监测功能；

3、中断函数执行完毕，跳转回while函数；

第三部分、外部中断函数：这部分主要用于ARM从FPGA中取各项指标参数的数据；

1、while函数执行过程中，如果发生外部中断，程序会跳转到这里。这个中断是由FPGA将指标数据测量完成后发送一个高电平触发的；

2、首先，关闭总中断，屏蔽其他一切中断源的中断触发；

3、ARM发送读取数据指令，fetch=0；

4、根据不同的物理地址，从FPGA中读取相应数据，包括应答延时、应答效率、应答编码间隔、部分上升时间、发射速率等；

5、中断函数执行完毕，清除中断屏蔽，跳转回while函数。

Claims (1)

1.一种精密测距监测单元电路功能的实现方法，其特征在于：实现方法如下：

FPGA和ARM整体实现方法，

    上电后，FPGA和ARM开始初始化：FPGA对AD模数转换后的数据进行处理，生成方波信号进而测量各项参数指标，这些数据会在ARM执行外部中断时发送过去；

通过地址数据总线，FPGA能接收到ARM传送的频率、脉冲间隔和回波抑制等数据指标，完成询问方波的生成；

为了能够实现单元板自检，FPGA能够产生待测高斯脉冲，模拟整机状态下信号输入；ARM从RAM中读取掉电保存的数据并初始化各管脚工作模式，然后进入while函数进行功率、带宽、过载抑制、灵敏度、译码能力和近远回波抑制等测试，在此过程中会出现外部中断和串口中断，分别用来读取从FPGA传送的数据和主控单元的协议命令，以此完成控制作用；

第一、FPGA工作的具体步骤：

这部分主要用于完成对AD的输出信号进行数字处理，完成半幅探测、各项指标参数测量、待测高斯脉冲和询问方波生成； 

第一部分：数据的预处理部分，这一部分包括发射/询问信号的延时模块、半幅、5%、10%、30%、90%门限模块和发射/询问的比较器模块，AD采样得到的数据最先进入这一部分，目的是生成发射/询问方波以及发射信号的部分上升时间和上升沿；

信号延时模块：半幅、5%、10%、30%、90%门限会因为脉冲峰值的判断产生延时，需要将输入的信号延时6μs；

门限模块：根据脉冲的峰值，经过计算形成半幅门限、5%、10%、30%、90%门限；

比较器模块：延时后的发射/询问信号和半幅、5%、10%、30%、90%门限电平进入这个模块，发射/询问信号和半幅门限进行比较产生发射/询问方波，发射信号和5%、30%门限比较生成部分上升时间，发射信号和10%、90%门限比较生成上升沿；

第二部分：数据的处理部分，这一部分主要是计数器模块，发射/询问方波、部分上升时间、上升沿、接收机输出信号和识别信号等都进入这一部分，目的是测量发射速率、应答延时、应答效率、应答编码间隔、部分上升时间、上升沿时间、接收机输出等参数，待测量完成后通过数据总线发给ARM；这一部分包括若干小模块分别用来测量以上参数，主要思路是利用一个1秒的门电平，用50MHz的时钟计数测量以上参数；

第三部分：询问方波生成部分，这一部分包括频率设置模块、脉冲间隔设置模块、回波抑制设置模块、数量设置模块、同步抑制模块、询问方波生成模块，ARM通过数据总线传送生成询问方波所需要的参数，这些数据分别输入到频率设置模块、脉冲间隔设置模块、回波抑制设置模块、数量设置模块；

频率设置模块、脉冲间隔设置模块、回波抑制设置模块、数量设置模块：这几个模块主要用于从数据总线上读取生成询问方波所需要的参数；

同步抑制模块：这个模块的信号是另外一块监测单元板产生的，在整机的两块监测单元板之间起到一个同步抑制的作用；

询问方波生成模块：以上几个模块的信号都会进入这个模块，根据IAFA工作模式、编码方式等参数，会生成脉宽4μs，脉冲间隔可调的询问方波；

第四部分：高斯脉冲生成部分，这一部分的输出数据会送到DA数模转换电路，从而生成高斯脉冲，主要思路是用IP核建立一个数据库，用50MHz的时钟顺序循环地从中读取数据；

第二、ARM工作的具体步骤：

第一部分、while函数：这部分主要用于完成发射功率的计算和各项指标参数的调整；

1、上电后，ARM开始初始化，从RAM中读取掉电保存的数据并初始化各管脚工作模式，所述掉电保存的数据包括IA/FA测距模式、编码方式、波道频点、衰减值；

2、然后进行63M置频设置，主要目的是为生成询问方波提供置频参数；

3、接着进入while函数，while(1)会顺序循环执行，依次判断test_flag的值：=0时，执行功率测试，发射功率与脉冲的峰值存在一定的关系，使用相应的算法能够计算出发射功率；=1时，执行带宽测试，首先会判断应答效率，若>75，衰减值++，若<65，衰减值--，否则当前衰减值+偏移量；以此类推，不同的test_flag，进入相应的功能测试；

执行while函数的过程中会发生外部中断和串口中断；

第二部分、串口中断函数：这部分主要用于完成检测单元与主控单元之间的协议；

1、while函数执行过程中，如果发生串口中断，程序会跳转到这里，首先判断temp的值是否=00，如果不是，跳出中断；如果是，进行下面的判断；

2、然后继续判断temp的值，根据不同的值依次进入相应功能模块，当temp=01时，这是主控单元与监测单元之间的握手协议，当监测单元收到主控协议 00 01 ff时，会回复00 01 ff，以此完成两个单元之间的握手通信；

当temp=02，这是主控读取监测数据的指令，当监测单元收到主控协议 00 02 ff时，会回复00 02 data1 data2 … dataN ff，完成监测数据的传送；有的功能模块对test_flag有置数操作，用来完成相应监测功能；

3、中断函数执行完毕，跳转回while函数；

第三部分、外部中断函数：这部分主要用于ARM从FPGA中取各项指标参数的数据；

1、while函数执行过程中，如果发生外部中断，程序会跳转到这里；

这个中断是由FPGA将指标数据测量完成后发送一个高电平触发的；

2、首先，关闭总中断，屏蔽其他一切中断源的中断触发；

3、ARM发送读取数据指令，fetch=0；

4、根据不同的物理地址，从FPGA中读取相应数据，包括应答延时、应答效率、应答编码间隔、部分上升时间、发射速率等；

5、中断函数执行完毕，清除中断屏蔽，跳转回while函数。