CN115083225A - 一种无线电高度表仿真教学测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种无线电高度表仿真教学测试系统及方法，包括高度表教学仿真件、总线接口单元、综合显示器、电源和无线电高度表检测仪；高度表教学仿真件、综合显示器和无线电高度表检测仪均连接到总线接口单元；无线电高度表检测仪和高度表教学仿真件之间通过电缆通信；电源连接到总线接口单元和无线电高度表检测仪。本发明的系统机架用来放置高度表教学仿真件和总线接口单元，后续还可用于放置其他无线电导航模块教学仿真件，实现其他无线电导航设备的教学仿真功能，提高了整个系统的扩展性。

Description

一种无线电高度表仿真教学测试系统及方法

技术领域

本发明属于无线电高度表测试和仿真技术领域，特别涉及一种无线电高度表仿真教学测试系统及方法。

背景技术

近年来，随着我国低空空域开放的趋势，我国通航行业也进入了飞速发展阶段，机载无线电高度表是飞机多种电子设备中必备的、最基本的一种，它用来测量飞机离开地面的实际高度，提供预定高度或决断高度的声音和灯光信号，它是在进近和着陆过程中保证飞行安全的重要设备。无线电高度表需通过专用的无线电高度表检测设备进行性能指标的检测，保证装机前设备的完好性。

由于机载无线电高度表设备及相关检测设备内部电路复杂，尤其高频射频模块造价十分昂贵，不适用于各大航空院校的教学使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线电高度表仿真教学测试系统及方法，以解决现有技术内部电路复杂，尤其高频射频模块造价十分昂贵，不适用于各大航空院校的教学使用的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种无线电高度表仿真教学测试系统，包括高度表教学仿真件、总线接口单元、综合显示器、电源和无线电高度表检测仪；高度表教学仿真件、综合显示器和无线电高度表检测仪均连接到总线接口单元；无线电高度表检测仪和高度表教学仿真件之间通过电缆通信；电源连接到总线接口单元和无线电高度表检测仪。

进一步的，高度表教学仿真件包括总线驱动模块、信息处理模块、低频接口和电源转换模块；信息处理模块和低频接口均连接到总线驱动模块，电源转换模块连接到总线驱动模块、信息处理模块和低频接口；

信息处理模块为ARM CORTEX-M4处理器，用于处理总线接口模块的指令；总线驱动模块完成将信息处理模块生成的数据转换成总线信号并通过低频接口与总线接口单元通信。

进一步的，高度表教学仿真件还包括射频接口TX和射频接口RX，射频端口通过射频电缆连接无线电高度表检测仪，完成高度表功能和性能的仿真测试。

进一步的，总线接口单元包括总线数据解算模块、以太网数据解算模块和数据处理模块；数据处理模块连接若干总线数据解算模块，每个总线数据解算模块均连接高度表教学仿真件；数据处理模块还连接以太网数据解算模块，以太网数据解算模块连接无线电高度表检测仪；

总线数据解算模块通过RS422总线接收无线电高度表教学仿真件的总线数据，进行解析并融合，然后传送给数据处理模块；以太网数据解算模块通过以太网接收无线电高度表检测仪的以太网数据，并进行解析、发送给数据处理模块；数据处理模块为ARMCORTEX-M4处理器，实现高度表教学仿真件、综合显示器、无线电高度表检测仪的数据融合和处理，然后通过通讯总线上传到综合显示器进行显示。

进一步的，总线接口单元还连接有可扩展其他无线电导航设备教学仿真件，可扩展其他无线电导航设备教学仿真件通过总线数据解算模块连接到数据处理模块。

进一步的，综合显示器包括显控模块、电源转换模块、人机交互模块和显示屏；人机交互模块和显示屏连接显控模块，电源转换模块用于给显控模块和人机交互模块供电。

进一步的，人机交互模块连接前面板，前面板为指令输入面板；显控模块还连接有后面板，后面板用于对外连接器。

进一步的，显控模块为Apalis IMAX6Q作主处理器，人机交互模块中用ARMCORTEX-M4作为协处理器。

进一步的，高度表教学仿真件、总线接口单元、综合显示器、电源和无线电高度表检测仪均设置在系统机架上。

进一步的，一种无线电高度表仿真教学测试系统的测试方法，包括以下步骤：

总线接口单元通过接口与无线电高度表教学仿真件、综合显示器、无线电高度表检测仪进行数据交联，将无线电高度表教学仿真件等设备总线数据进行解析并融合，并通过RS422总线上传到综合显示器进行显示，并且可以把综合显示器的指令通过解析，下发到系统模块；

高度表教学仿真件通过相应的适配电缆连接至总线接口单元，与总线接口单元进行数据交互，将射频端口通过配套射频电缆连接无线电高度表检测仪，完成高度表功能和性能的仿真测试。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明的高度表教学仿真件采用总线模拟的方式完成高度表检测和仿真教学，内部并无射频模块，大大降低了整个系统的开发成本。

本发明的系统机架用来放置高度表教学仿真件和总线接口单元，后续还可用于放置其他无线电导航模块教学仿真件，实现其他无线电导航设备的教学仿真功能，提高了整个系统的扩展性；

本发明无线电高度表检测仪既能完成无线电高度表教学仿真件的仿真功能检查，也能完成无线电高度表成品的功能、性能检测，实现对无线电高度表设备的射频激励。具有以太网口远程控制和通信功能，具有很强的扩展性和兼容性。

附图说明

图1为本发明的无线电高度表教学系统组成框图；

图2为本发明的无线电高度表教学仿真件原理图；

图3为本发明的总线接口单元原理图；

图4为本发明的综合显示器原理图；

图5为本发明的无线电高度表检测仪原理图；

图6为本发明的射频模块工作原理图；

图7DRFM模块工作原理图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

参见图1，无线电高度表教学系统由高度表教学仿真件、总线接口单元、系统机架、综合显示器、无线电高度表检测仪以及配套电缆组成。

高度表教学仿真件的数据传输总线符合航空总线传输数据标准。通过相应的适配电缆连接至总线接口单元，与总线接口单元进行数据交互。将射频端口通过配套射频电缆连接无线电高度表检测仪，完成高度表功能和性能的仿真测试。

总线接口单元具有RS422、以太网等接口，通过上述接口与无线电高度表教学仿真件、综合显示器、无线电高度表检测仪进行数据交联。将无线电高度表教学仿真件等设备总线数据进行解析并融合，并通过RS422总线上传到综合显示器进行显示，并且可以把综合显示器的指令通过解析，下发到系统模块。

综合显示器具有RS422接口，通过RS422接口与总线接口单元交联，主要功能包括信息显示、控制管理、数据通讯、系统管理配置、电子地图、飞行计划等功能。PFD模式下，综合显示器主要显示地平仪、高度表、空速表、水平方位指示器、指点信标、仪表着陆、小尺寸航图等，后续可扩展功能增加MFD模式。其中高度表数据为高度表教学仿真件总线数据，其他数据为总线接口单元仿真数据，并提供扩展接口，后续在机架上可扩展其他无线电导航设备，将导航数据在综合显示器上进行实时显示。

系统机架用来安装固定无线电高度表教学仿真件模块，后续还可用于放置其他无线电导航模块教学仿真件。

配套电缆包含射频电缆、通讯电缆、电源电缆和以太网电缆组成。

高度表教学仿真件工作原理

参见图2，无线电高度表教学仿真件主要用来模拟无线电高度表，无线电高度表教学仿真件的数据传输总线符合航空总线传输数据标准。

无线电高度表教学仿真件主要由信息处理模块、总线驱动模块、电源转换模块组成。

信息处理模块选用ARM CORTEX-M4处理器，主要负责处理总线接口模块的指令，如系统自检，高度值下发等，并且解算出设备状态、高度值等信息传输给总线驱动模块。

总线驱动模块完成将信息处理模块生成的数据，转换成总线信号并通过低频电缆与总线接口单元通信。

电源转换模块将输入的电源进行保护、滤波、电源转换，转换成信息处理模块和总线驱动模块需要的供电电压。

射频接口为标准SMA接口，仿真高度表射频连接器，实际并不具备射频输入输出功能。

总线接口单元工作原理

参见图3，总线接口单元具有RS422、以太网等总线接口，通过上述接口与无线电高度表教学仿真件、综合显示器、无线电高度表检测仪进行数据交联。

总线接口单元主要由总线数据解算模块、以太网数据解算模块、数据处理模块组成。

总线数据解算模块通过RS422总线接收无线电高度表教学仿真件以及后续扩展的其他无线电导航模块等设备的总线数据，进行解析并融合，然后传送给数据处理模块。同时可以将数据处理模块发送给教学仿真件模块的数据进行解析和打包，通过相应的总线发送给教学仿真件设备。

以太网数据解算模块通过以太网接收无线电高度表检测仪的以太网数据，并进行解析、发送给数据处理模块。同时可以将数据处理模块发送给无线电高度表检测仪的数据进行解析和打包，通过以太网线传送给无线电高度表检测仪。

数据处理模块选用ARM CORTEX-M4处理器，实现高度表教学仿真件、综合显示器、无线电高度表检测仪的数据融合和处理，然后通过通讯总线上传到综合显示器进行显示。同时可以将综合显示器的下发指令进行解析，并通过总线数据解算模块下发到高度表教学仿真件设备。

综合显示器工作原理

参见图4，综合显示器主要功能包括信息显示、控制管理、数据通讯、系统管理配置、电子地图、飞行计划等功能。

综合显示器由显控模块、电源转换模块和人机交互模块组成。

显控模块是综合显示器的核心，包括处理器、存储器、显示接口、视频采集单元、数据记录和通信接口。显控模块用Apalis IMAX6Q作主处理器，综合显示器主要的计算、绘制都是在此处理器完成，部分标准的接口也是通过此处理器扩展。

人机交互模块中用ARM CORTEX-M4作为协处理器，其中的按键电路板有按键和旋钮，连接至显控模块后，通过显控模块上的ARM处理器来进行按键和旋钮扫描。

电源转换模块将输入的电源进行保护、滤波并进行电源转换，为显控模块和人机交互模块供电。

无线电高度表检测仪工作原理

参见图5，无线电高度表检测仪采用模块化设计，设备采用主控计算机通过总线接口控制无线电高度表射频模块实现对无线电高度的静态模拟和动态模拟，实现与无线电高度表之间的交互信号测试；

无线电高度表检测仪主要分为三个模块、分别为显控单元、射频单元和电源单元。

显控单元包括计算机主板、触摸屏、键盘和无线电高度表检测仪软件。主控计算机作为无线电高度表检测仪的核心控制单元，通过USB接口与工业键盘及触摸板连接，通过LVDS接口与显示屏连接，通过以太网口与总线接口单元通信，通过RS232接口与无线电高度表射频模块进行通信，控制射频模块产生射频激励信号、实现对被测机载设备的功能、性能测试。

显示屏选用三菱公司8.4英寸的电容式触摸屏，亮度可调，最大亮度800cd/m2,阳光下可视。

电容式触摸屏和键盘为人机交互的双备份操作接口。实现对仪器相关功能的选择、参数设定等操作。

电源单元主要包括电源模块和电源保护板。电源模块将输入的AC220V电源转换为DC12V，然后进入电源保护板；电源保护板对输入的DC12V电源进行短路保护、过压保护、过流保护和反接保护。电源保护板输出的DC12V电源分别为计算机主板、无线电高度表射频模块独立供电，每路输出具有独立的短路保护、过流保护和反接保护措施。

射频单元包括无线电高度表射频模块、固定衰减器以及射频连接器组成。无线电高度表射频模块通过RS232接口与主控计算机连接，通过主控计算机控制，接收高度表射频输出信号，并产生高度表激励信号，实现对被测高度表主机的功能、性能测试。固定衰减器用来衰减高度表发射信号功率，保护高度表射频模块不因接收信号功率过大造成损坏。

无线电高度表射频模块工作原理

参见图6，射频模块由微波组件、数字射频存储器(DRFM)组成：

射频模块的控制板通过UART总线与FPGA建立通信连接，控制板通过人机交互界面获取高度模拟信息，通过RS232接口进行远程控制。控制板将高度模拟信息控制命令字等字节通过总线传输到DRFM，实时性要求在5ms内。FPGA选用Xilinx公司的Z7系列芯片，性能强大，开发便捷。

DRFM接收微波组件的射频信号进行模数转换(ADC)、数字信号延迟和多普勒叠加处理，然后，DRFM通过DAC和混频器对处理后信号进行数模转换和上变频，将上变频后的射频信号再发送给微波组件；DRFM通过从控制板接收的指令控制微波绕线组的链路接入控制和微波链路总衰减量。

微波组件从外部接收射频输入信号发送到DRFM，同时从DRFM接收射频信号通过功率控制后输出。当模拟近距离高度(1m～10m)微波链路直接将射频信号接入微波绕线组，不通过DRFM处理。

1)工作方式

射频模块基于射频信号转发的工作模式，接收无线电高度表的射频发射信号，经过信号处理增加时间延迟、叠加多普勒速度信息和控制信号功率产生模拟回波信号输出到无线电高度表的射频接收通道。

2)微波组件

微波组件通过衰减器和放大器控制通道功率.放大衰减总控制值由控制板根据距离决定。微波接收通道接收无线电高度表的发射信号,经过放大衰减后,接收通道将射频信号发送到DRFM的采样电路和高速ADC处。微波发射通道从DRFM的DAC处接收处理后的回波信号，经过滤波、放大和衰减后发送到无线电高度表的接收端口。

当仿真高度低于10m时，微波组件将接收信号直接送入微波绕线组，通过实际电缆长度来模拟地面高度。

3)DRFM单元

a)数字和模拟信号间转换

DRFM单元利用采样率为2.4GHz的高速ADC采集中频信号，在FPGA中进行信号的处理变换，加入各种调制和对时序进行各种控制，得到的数字回波信号送入采样率为500MHz的高速DAC，经过IQ混频后得到模拟中频信号。

b)延迟方法

无线电高度表需要得到低至1m的回波，单一使用存储转发的方式无法满足低高度(10米以内)的回波实现，所以,模块在10米内的延迟通过绕线直接实现,10米以上通过信号存储转发回放的方式实现。

c)多普勒叠加

通过直接数字式频率合成器(DDS)产生多普勒频率后复乘叠加到接收信号后生成地面回波信号。数字射频存储器(DRFM)模块的工作原理图如图7所示。

Claims (10)

1.一种无线电高度表仿真教学测试系统，其特征在于，包括高度表教学仿真件、总线接口单元、综合显示器、电源和无线电高度表检测仪；高度表教学仿真件、综合显示器和无线电高度表检测仪均连接到总线接口单元；无线电高度表检测仪和高度表教学仿真件之间通过电缆通信；电源连接到总线接口单元和无线电高度表检测仪。

2.根据权利要求1所述的一种无线电高度表仿真教学测试系统，其特征在于，高度表教学仿真件包括总线驱动模块、信息处理模块、低频接口和电源转换模块；信息处理模块和低频接口均连接到总线驱动模块，电源转换模块连接到总线驱动模块、信息处理模块和低频接口；

信息处理模块为ARM CORTEX-M4处理器，用于处理总线接口模块的指令；总线驱动模块完成将信息处理模块生成的数据转换成总线信号并通过低频接口与总线接口单元通信。

3.根据权利要求2所述的一种无线电高度表仿真教学测试系统，其特征在于，高度表教学仿真件还包括射频接口TX和射频接口RX，射频端口通过射频电缆连接无线电高度表检测仪，完成高度表功能和性能的仿真测试。

4.根据权利要求1所述的一种无线电高度表仿真教学测试系统，其特征在于，总线接口单元包括总线数据解算模块、以太网数据解算模块和数据处理模块；数据处理模块连接若干总线数据解算模块，每个总线数据解算模块均连接高度表教学仿真件；数据处理模块还连接以太网数据解算模块，以太网数据解算模块连接无线电高度表检测仪；

总线数据解算模块通过RS422总线接收无线电高度表教学仿真件的总线数据，进行解析并融合，然后传送给数据处理模块；以太网数据解算模块通过以太网接收无线电高度表检测仪的以太网数据，并进行解析、发送给数据处理模块；数据处理模块为ARM CORTEX-M4处理器，实现高度表教学仿真件、综合显示器、无线电高度表检测仪的数据融合和处理，然后通过通讯总线上传到综合显示器进行显示。

5.根据权利要求4所述的一种无线电高度表仿真教学测试系统，其特征在于，总线接口单元还连接有可扩展其他无线电导航设备教学仿真件，可扩展其他无线电导航设备教学仿真件通过总线数据解算模块连接到数据处理模块。

6.根据权利要求1所述的一种无线电高度表仿真教学测试系统，其特征在于，综合显示器包括显控模块、电源转换模块、人机交互模块和显示屏；人机交互模块和显示屏连接显控模块，电源转换模块用于给显控模块和人机交互模块供电。

7.根据权利要求6所述的一种无线电高度表仿真教学测试系统，其特征在于，人机交互模块连接前面板，前面板为指令输入面板；显控模块还连接有后面板，后面板用于对外连接器。

8.根据权利要求6所述的一种无线电高度表仿真教学测试系统，其特征在于，显控模块为Apalis IMAX6Q作主处理器，人机交互模块中用ARM CORTEX-M4作为协处理器。

9.根据权利要求1所述的一种无线电高度表仿真教学测试系统，其特征在于，高度表教学仿真件、总线接口单元、综合显示器、电源和无线电高度表检测仪均设置在系统机架上。

10.一种无线电高度表仿真教学测试系统的测试方法，其特征在于，基于权利要求1至9任意一项所述的无线电高度表仿真教学测试系统，包括以下步骤：

总线接口单元通过接口与无线电高度表教学仿真件、综合显示器、无线电高度表检测仪进行数据交联，将无线电高度表教学仿真件等设备总线数据进行解析并融合，并通过RS422总线上传到综合显示器进行显示，并且可以把综合显示器的指令通过解析，下发到系统模块；

高度表教学仿真件通过相应的适配电缆连接至总线接口单元，与总线接口单元进行数据交互，将射频端口通过配套射频电缆连接无线电高度表检测仪，完成高度表功能和性能的仿真测试。

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