一種有無線模塊的發(fā)射裝置外場測試儀設(shè)計

摘要 針對傳統(tǒng)的空空導(dǎo)彈發(fā)射裝置中外場測試儀與飛機(jī)座艙無法直接通信的問題，設(shè)計了一種具有無線模塊的外場測試儀。該測試儀可通過無線方式與座艙通信，提高了測試效率。同時無線模塊替代了顯示屏等人機(jī)接口，減小了測試儀的體積和重量，便于使用和運(yùn)輸。
關(guān)鍵詞 發(fā)射裝置；外場測試儀；無線模塊；單片機(jī)

    發(fā)射裝置外場測試儀(以下簡稱測試儀)是空空導(dǎo)彈發(fā)射裝置的專用外場檢測設(shè)備。在載機(jī)掛彈前，測試儀可模擬導(dǎo)彈部分的信號、負(fù)載和時序，完成對空空導(dǎo)彈發(fā)射裝置及飛機(jī)有關(guān)線路、信號和工作時序的定性檢查。
    載機(jī)掛彈前，使用測試儀檢測發(fā)射裝置是一個飛機(jī)座艙與測試儀間的互動過程：座艙要向測試儀下發(fā)命令，告知測試儀發(fā)射裝置的某個狀態(tài)；測試儀完成該狀態(tài)的測試后，需上報測試結(jié)果或故障信息。傳統(tǒng)的測試儀由一體化的工程機(jī)箱構(gòu)成，附帶按鈕、指示燈和顯示屏等實現(xiàn)人機(jī)交互，無法直接與座艙傳輸信息。測試中，上述交互過程是由座艙和地面的地勤人員通過對講機(jī)而實現(xiàn)的。由于每個發(fā)射裝置要測試多個狀態(tài)，多個掛點(diǎn)的發(fā)射裝置均要測試，因此耗時過長。
    文中在傳統(tǒng)測試儀上添加了無線通信模塊，設(shè)計了一種帶無線通信功能的測試儀。該測試儀可通過無線方式接收飛機(jī)座艙下發(fā)的測試命令，上報發(fā)射裝置的測試結(jié)果，多個掛點(diǎn)的測試儀可并列上傳數(shù)據(jù)，從而提高了發(fā)射裝置的外場測試效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案
    TMS320LF2407A是TI公司推出的一款高性能、低功耗的16位嵌入式處理器，可尋址192 kB×16位的外部存儲空間，有高達(dá)41個通用I／O引腳、5個外部中斷，并帶有串行通信接口模塊(SCI)和10位ADC轉(zhuǎn)換器等模塊。該款DSP功能較強(qiáng)，是傳統(tǒng)測試儀的核心芯片。在配合適當(dāng)?shù)耐鈬酒?，可對發(fā)射裝置下發(fā)的總線數(shù)據(jù)、離散信號等進(jìn)行準(zhǔn)確測試。
    AT89S52單片機(jī)是51系列單片機(jī)中應(yīng)用較為廣泛的芯片之一，具有低功耗、高速和抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
    nRF905單片無線收發(fā)器是挪威Nordic公司推出的射頻發(fā)射器芯片，可工作于433／868／915 MHz共3個ISM頻段，由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，使用SPI接口與微控制器通信，具有配置方便、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。
    文中采用TMS320LF2407A作為主處理芯片，使用AD、I／O、429等接口功能模塊完成信號轉(zhuǎn)換。測試儀通過電纜連接至發(fā)射裝置的下接口后，可接收并測試發(fā)射裝置下發(fā)的各種信號。采用AT89S52單片機(jī)與nRF905射頻芯片組成無線收發(fā)模塊，完成測試儀與座艙之間的信息交互，實現(xiàn)傳統(tǒng)測試儀上按鍵和顯示器的功能。由于測試儀所測發(fā)射裝置掛裝的掛點(diǎn)不同，飛機(jī)座艙可根據(jù)接收信息中的掛點(diǎn)號區(qū)分各測試儀，從而實現(xiàn)多個掛點(diǎn)發(fā)射裝置的并列測試。整個測試系統(tǒng)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計與實現(xiàn)
2．1 測試儀總體設(shè)計
    測試儀主要分為兩個模塊，一是以DSP為核心的發(fā)射裝置數(shù)據(jù)測試模塊；二是以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)無線收發(fā)模塊。
    數(shù)據(jù)測試模塊通過電纜與發(fā)射裝置的下接口相連，接收并檢測數(shù)據(jù)。發(fā)射裝置下發(fā)的信號主要為429總線數(shù)據(jù)和電壓、電流等離散量。文中使用429協(xié)議芯片HIS-3282轉(zhuǎn)換429總線數(shù)據(jù)，使用RS232、通用I／O、AD／DA等轉(zhuǎn)換離散的模擬信號，接口部件將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)統(tǒng)一交由DSP處理。另外，測試儀面板上裝有設(shè)置掛點(diǎn)號的波段開關(guān)，所設(shè)的掛點(diǎn)信息由數(shù)據(jù)測試模塊采集并處理。該開關(guān)由地勤人員根據(jù)所測發(fā)射裝置在載機(jī)下的掛點(diǎn)號設(shè)置。
    數(shù)據(jù)無線收發(fā)模塊有兩個數(shù)據(jù)傳輸通道：一是通過串口與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；二是通過nRF905與座艙實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)交聯(lián)。單片機(jī)完成對nRF905的控制、傳輸信息的轉(zhuǎn)換和打包等。另有頻點(diǎn)選擇電路為無線模塊設(shè)置通訊頻點(diǎn)。
    此外，測試儀內(nèi)有獨(dú)立的電源模塊為各部分供電。測試儀內(nèi)各模塊如圖2所示。

 
2．2 DSP與AT89S52接口設(shè)計
    DSP與單片機(jī)通過RS232串口通信。由于測試儀串口需接收發(fā)射裝置下發(fā)的串口碼，故DSP要將串口在發(fā)射裝置和無線模塊兩路之間切換。這里使用DSP的一個通用I／O口位控制某固體繼電器，根據(jù)測試時序恰當(dāng)切換繼電器的公共端，從而保證DSP可適時從發(fā)射裝置或無線模塊接收數(shù)據(jù)。
2．3 ATB9S52與nRF905接口設(shè)計
    單片機(jī)與nRF905配合使用作為無線模塊的應(yīng)用較多。nRF905使用SPI接口與單片機(jī)通信，具有發(fā)送模式、接收模式和兩種省電模式。單片機(jī)使用I／O口控制TX_EN等幾個引腳，可方便地配置芯片和控制數(shù)據(jù)收發(fā)。
    單片機(jī)的P3.1～P3.3口連接至面板上的頻點(diǎn)選擇波段開關(guān)，單片機(jī)可根據(jù)使用者的設(shè)置切換nRF905在不同的頻點(diǎn)工作。RXD與TXD連接DSP2407的串口，部分原理電路如圖3所示。

2．4 掛點(diǎn)和頻點(diǎn)選擇電路
    面板上有掛點(diǎn)選擇和頻點(diǎn)選擇兩個波段開關(guān)，開關(guān)內(nèi)部包括一個公共端子和若干個選擇端子。公共端子一端與系統(tǒng)地相連，另一端隨旋鈕的轉(zhuǎn)動與某一選擇端選通，從而將地信號傳遞至該選擇端子對應(yīng)的1／O口位。
    頻點(diǎn)選擇開關(guān)為無線模塊通信設(shè)置頻點(diǎn)，使用時要確保各模塊選擇同一頻點(diǎn)。設(shè)計可選擇3個頻點(diǎn)，單片機(jī)通過P3.1～P3.3口采集后，設(shè)置nRF905按選擇的頻點(diǎn)通訊。
    掛點(diǎn)信息是區(qū)別各無線模塊的唯一信息，可作為無線模塊的識別地址，飛機(jī)座艙默認(rèn)為0掛點(diǎn)。使用時，操作人員要根據(jù)發(fā)射裝置在載機(jī)的掛點(diǎn)設(shè)置波段開關(guān)。掛點(diǎn)信息通過光耦傳送至DSP的I／O口位，由DSP采集并發(fā)送至單片機(jī)中，控制無線信號發(fā)送或接收的地址。
 
3 軟件設(shè)計
3．1 DSP程序設(shè)計
3．1．1 DSP程序流程
    DSP2407的程序主要分為初始化、接收座艙指令、測試發(fā)射裝置及上報測試結(jié)果4個階段：初始化時，DSP要為無線模塊設(shè)置通信地址，設(shè)置好則表示DSP與單片機(jī)正常握手。接收指令和上報結(jié)果階段，DSP通過串口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。在上述階段，DSP通過I／O口切換繼電器，保證DSP串口與單片機(jī)串口保持連通。軟件流程如圖4所示。

3．1．2 無線數(shù)據(jù)格式設(shè)置
    DSP通過串口讀寫無線通訊的數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕贫艘韵乱?guī)則：(1)數(shù)據(jù)以打包形式傳輸，每個數(shù)據(jù)包有同步頭、數(shù)據(jù)包頭和包數(shù)據(jù)3部分。(2)數(shù)據(jù)按照主機(jī)字節(jié)序(小端模式)存放。(3)數(shù)據(jù)傳輸采用流方式，通過同步字查找數(shù)據(jù)包頭。(4)在數(shù)據(jù)包中添加2 Byte的校驗和，通過校驗和判斷數(shù)據(jù)包是否有效。數(shù)據(jù)包格式如表1所示。

    (1)包類型。包類型代表該數(shù)據(jù)包的狀態(tài)，共分為4類：單片機(jī)與DSP握手時，DSP發(fā)給單片機(jī)數(shù)據(jù)的包類型為01，單片機(jī)返回數(shù)據(jù)的包類型為02；無線模塊間通訊時，控制命令和測試結(jié)果等數(shù)據(jù)的包類型為05，測試儀查出發(fā)射裝置故障時，需向座艙傳輸故障的總線數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的包類型定義為06。
    (2)校驗和。校驗和占2 Byte，采用二進(jìn)制反碼求和算法計算。該算法廣泛應(yīng)用于IP／TCP／UDP等校驗和的計算中，具體步驟為：(1)將數(shù)據(jù)包的校驗和字段置為0。(2)將數(shù)據(jù)看作以16位為單位的字組成，依次進(jìn)行二進(jìn)制反碼求和。(3)將得到的結(jié)果存入校驗和字段中。
    接收時按步驟(2)計算數(shù)據(jù)包，若得出校驗和為0，則數(shù)據(jù)包是正確的。反之，數(shù)據(jù)包發(fā)生錯誤。
    (3)包數(shù)據(jù)。是傳輸?shù)臏y試數(shù)據(jù)，長度是包長度減去包頭的4 Byte，格式為：掛點(diǎn)號(1 Byte)+數(shù)據(jù)。其中，DSP在初始化中為無線模塊設(shè)置地址時，包數(shù)據(jù)只含掛點(diǎn)號，后面就無數(shù)據(jù)。
3．2 單片機(jī)程序設(shè)計
3．2．1 nRF905芯片配置
    nRF905內(nèi)部有多個配置寄存器，單片機(jī)可在待機(jī)模式下通過SPI對寄存器進(jìn)行配置。其重要參數(shù)設(shè)置如下：
    (1)頻點(diǎn)。根據(jù)頻點(diǎn)選擇電路采集結(jié)果，單片機(jī)設(shè)置寄存器中的參數(shù)CH_NO和HFREQ_PLL，在902．2、902．7或927．8 MHz 3者中選擇通訊頻點(diǎn)。
    (2)功率。參數(shù)PA_PWR設(shè)為00，代表輸出功率為10 dBm。
    (3)接收和發(fā)送的地址及數(shù)據(jù)。本設(shè)計使用掛點(diǎn)號作為通訊地址，因掛點(diǎn)號可用1 Byte表示，故設(shè)置參數(shù)RX_AFW和TX_AFW為001，即接收和發(fā)送地址寬度為1 Byte。就接收而言，單片機(jī)與DSP握手時，DSP將測試儀所在掛點(diǎn)號發(fā)送至單片機(jī)，此為接收地址，單片機(jī)將其寫入RX_AD DRESS參數(shù)。因飛機(jī)下達(dá)的指令碼只占1 Byte，故接收數(shù)據(jù)寬度參數(shù)RX_PW設(shè)為000001，即1 Byte。發(fā)送時，測試儀要向座艙返回測試信息，發(fā)送地址TX_ADDRESS設(shè)為0掛點(diǎn)。發(fā)送數(shù)據(jù)的寬度TX_PW根據(jù)每次發(fā)送數(shù)據(jù)包的長度進(jìn)行設(shè)置。
3．2．2 單片機(jī)程序流程
    單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)配置nRF905芯片和控制數(shù)據(jù)收發(fā)的功能，主要包括以下4個步驟：
    (1)單片機(jī)與DSP握手，通過串口接收掛點(diǎn)號。
    (2)單片機(jī)通過SPI接口對nRF905進(jìn)行器件配置。
    設(shè)置頻點(diǎn)、輸出功率及接收發(fā)送地址等信息。(3)設(shè)置nRF905為接收模式。接收座艙指令后，校驗數(shù)據(jù)包并傳至DSP。(4)接收DSP的測試結(jié)果，打包后經(jīng)無線傳遞給座艙。

4 結(jié)束語
    發(fā)射裝置外場測試儀裝有無線模塊后，飛機(jī)座艙可遠(yuǎn)距離控制外場測試儀，省去了座艙和地面地勤人員配合操作測試儀的過程，簡化了測試程序；多個發(fā)射裝置可并行測試，提高了測試效率。另外，無線模塊的使用省去了顯示屏和多個開關(guān)，同時測試儀體積變小、重量減輕，方便了運(yùn)輸和使用。