双通道舰船信号发生仪的研制
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摘 要： 研制一台双通道舰船信号发生仪，为雷达稳定平台提供舰船信号，以测试稳定平台的工作状态。从设计指标要求着手，给出设计方案，从结构设计、硬件设计、软件设计等方面进行仪表的具体设计。完成仪表设计方案，实现设计功能，满足设计指标。结果表明仪表使用方便、操作简单、显示清晰、输出稳定可靠，在测试稳定平台的工程实践应用中表现良好。
关键词： 双通道； 舰船信号； 信号发生仪； 16位精度
中图分类号： TN957.51?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0072?05
0 引 言
舰艇在海面上会受到风浪的作用而产生摇摆运动。雷达天线随同舰艇摇摆，就会使雷达波束偏离目标，降低作用距离，加大测量误差，甚至会丢失目标，因此在工程实践中，必须设法稳定雷达天线的波束。
舰载雷达天线波束的稳定方法大致分为机械稳定、电气补偿或两者相结合。常见的舰载雷达的机械稳定平台系统是由以舰船艏艉方向为轴向的横摇轴和在水平面上与之垂直的舰左右舷方向为轴向的纵摇轴叠加组成，加上方位轴，形成一个三轴系统。
在雷达装舰后，由平台罗经为雷达提供横摇轴和纵摇轴的角度信号。而在雷达装舰前的生产、调试和各项试验中，各型雷达稳定平台均需要1台替代平台罗经的设备作为信号源，才能进入工作状态。同时在调试中同时还需要提供航向（原由导航提供）、航速（原由计程仪提供）两种对外接口信号。随着技术改造对雷达精度要求的提高，平台罗经、导航等设备从14位精度单通道信号升级了16位精度双通道信号，相应的雷达也将接收模块升级为16位精度双通道。因此，原先的单通道舰船信号发生器已经无法满足需求，于是，设计研制多路输出多功能的双通道信号发生器的任务迫在眉睫。
1 总体设计
1.1 设计要求
双通道舰船信号发生仪在科研生产中的作用如图1所示。
雷达伺服分机在工作状态需要平台罗经提供舰船摇摆信号，导航提供航向信号，计程仪提供航速信号，而这些对外接口信号只有在全舰所有系统联调时才能提供。因此在内部设备调试阶段中，需要由双通道舰船信号发生仪来模拟这些对外接口信号。天线稳定转台对摇摆信号进行跟踪，测试系统能够定量测试稳定平台跟踪精度，并与相关考核指标比对。航向信号和航速信号也需要比对输入信号与解算出的显示值进行验证，也有相关精度要求。
该仪表的设计要求如下：能够模拟自整角机，产生纵摇、横摇、航向三路双通道模拟信号（16位有效数字量）以及航速一路单通道模拟信号（13位有效数字量），便于相关产品的调试使用；要求纵、横摇摇摆信号周期1～99 s可调、幅值0°～180°可调，具备暂停、复位功能；航向能0°～360°连续变化，具备暂停在任一所需角度并保持稳定输出的功能；航速能连续变化，0～55节，具备稳定在某一航速并保持稳定输出；所有参数的设定、实时数据通过LCD液晶屏显示；
根据以上设计要求和指标，可以绘制出系统需求的基本功能框图，如图2所示。
工程实践中舰船信号的传输方式一般是三相自整角信号。双通道舰船信号发生仪主要作用在于产生纵横摇信号。纵横摇信号一般近似正弦信号，根据不同的海况，常见的周期幅值有纵摇3°，周期5 s和横摇10°，周期9.5 s等等。对于正弦信号发生器，一般有函数发生器、单片机、PC/104、DDS相位叠加合成波形等几种实现方式。其中前两种方案缺陷较多，技术相对落后，无法满足本次项目的需求，先予以排除。由于本项目需要产生的正弦波波形频率相当低，对精度要求却较高，最后一种方案却更适合高频率信号发生器的方案。对于接口输出方面，PC/104方案易于实现数字信号和自整角信号的直接输出转换。另外PC/104方案广泛应用在各型装备中，软硬件功能实现相对成熟，因此决定采用PC/104嵌入式开发来实现本仪表的研制。
1.2 功能分解
双通道舰船运动信号发生器是一个软硬件相结合的系统，系统主要需要完成的任务是产生正弦信号数字量以及将其转换为模拟量输出。按功能大致可以分为信号发生模块、数模转换模块、配电模块、显示模块和其他部分五个部分。
在信号发生模块部分，纵摇横摇信号由PC/104根据设定值实时运算产生，分时输出至双通道数模转换器即可实现数字量到模拟量的转换。对于航向，提供固定值输出和航向匀速增大两种输出形式，输出至双通道数模转换器。对于航速，PC/104提供固定值输出，输出至单通道数模转换器。
数模转换模块由3块双通道数模转换器和1块单通道数模转换器组成，可以将数字信号直接转换成自整角信号输出，输出幅值0～90 V，无需外接放大器。
配电模块方面，由于本系统各器件需要提供的电平信号种类众多，对输入电平稳定性要求又比较高，下文将详细叙述。
显示模块PC/104一体化解决方案中推荐的6.4寸64×480分辨率显示屏。5 V电平，PC/104内置显卡直接驱动，无需其他电路辅助。
其他部分包括仪表结构、散热、接插件等等，仪表机箱采用外购定制，其他尽可能采用现有元器件配件，并委托结构工艺及车间电装人员辅助完成相关设计安装工作。
2 硬件设计
2.1 主要元器件
本仪表拟采用的SCM/SPT2E（PC/104模块）是一款“all?in?one”模块。它在板集成了10/100 Base?T以太网接口和高性能图形处理器。采用X86兼容处理器，运行速度300 MHz，在板内存支持最大128 MHz，3.3 V SDRAM。图形处理器可支持各种LCD和TFT显示屏，1M显存。同时在板支持PS/2键盘、PS/2鼠标、IDE接口、Floppy接口、两个串口一个并口、USB接口以及看门狗。
数模转换器SZZ双速系列数字?同步转换器是杰瑞公司生产的一种高精度的同步模拟输出装置，该系列转换器输入数字角度量为16～19位自然并行二进制数码，兼容TTL/CMOS电平：输入参考信号为400 Hz频率的正弦波；输出轴角模拟信号为粗、精双路同步信号。
在电源模块选型阶段，调研过同类仪表所用方案，一般采用开关电源进行AC?DC转换，特点是小型、轻量和高效率。然而在本仪表的应用中，由于输入端电压特殊（400 Hz），输出端电平种类多样且电流大，对输出波形要求高要求电流稳定纹波小，仪表本身工作环境严苛。完全没有符合条件的市售成品，因此排除了使用开关电源的方案。相比而言，线性电源的主要特点为线技术成熟，定制成本较低，高稳定度，纹波小，工作环境温度宽等特点几乎完全是为本仪表量身定做，因此采用朝阳公司的4NIC?X定制型线性整流电源线性电源方案。
FPGA芯片采用XC2S100EPQ208，这是Xilinx公司的一款100万门的FPGA，有208个引脚，核心电压3.3 V，参考电压1.8 V，用于信号处理电路。
2.2 信号发生与处理电路
信号发生与处理电路是一块四层印制板，安装在机箱前部的上层。四层PCB的正面与背面走信号线，中间层分别为电源和地线层，信号与供电分离，保证信号不受干扰。
本仪表的核心器件选用盛博公司的SCM/SPT2E型PC/104，系统核心模块对外接口通过大量的跳线进行连接，包括显示、键盘输入、串口、USB口。根据器件手册，这些跳线定义见表1。
J8口通过一个扁平电缆与机箱前面板上的液晶显示屏连接。另外从线性整流电源提供一路5 V送给液晶屏的逆变器，作为液晶屏的电源驱动。液晶屏采用的是盛博公司的台湾元太屏PD064VT5N1，该液晶屏与盛博公司的PC/104完美匹配，使用中无需配置。J2口提供了一个集成了喇叭、复位键、键盘、鼠标四种功能的连接线，提供输入输出功能。J3和J13分别通过随机电缆连接到机箱后面板，为本仪表提供预留的串口输出和USB输出功能。
在印制板上设计了大量的发光二极管，用于仪表调试阶段逐位分别显示纵摇、横摇、航向、航速的数字信号，并且方便观察变化规律。由于PC/104的数据位输出驱动能力有限，因此需要将每一路数据输出到FPGA中转锁存。同时，负责处理仪表的众多旋钮和按钮的按键响应以及与PC/104的交互也需要FPGA分担一部分工作。
纵摇、横摇、航向、航速四路信号分别使用一块FPGA芯片，其中航向的FPGA芯片还负责与PC/104通信以及采集前面板按键信息。由于FPGA本身特性是掉电后配置文件和程序会丢失，因此每块FPGA需要配备一块对应的加载芯片，以在重新上电时为FPGA加载配置文件和程序。
2.3 数/模转换电路
数/模转换电路板设计为4层印制板，安装在机箱前部的下层，在信号发生与处理电路板下方。在信号发生电路产生纵摇、横摇、航向、航速数字信号后，通过数据排线输出到数/模转换电路，由3块17位双通道数字?自整角信号转换器，1块14位单通道数字?自整角信号转换器分别进行数/模转换，并以三相自整角信号形式输出。
以纵摇信号为例，首先对17SZZ349B?S36转换器的EN脚置高电平，该转换器即开始工作。从PC/104产生的16位数字信号经FPGA锁存后送至转换器的1～16脚（17脚无数据，始终置0），转换器实时将数字信号转换成精粗双通道自整角信号，由FS1/FS2/FS3输出精通道数据，CS1/CS2/CS3输出粗通道数据，送至DB25插头上，经连接电缆送至机箱后面板输出。
航速数/模转换电路采用的是14SZZ349B单通道转换器，航速数据只有单通道，S1/S2/S3送到机箱后面板的XS4输出。
2.4 配电部分
双通道舰船信号发生仪的配电部分由我单位自制的变压器和从朝阳公司定制的4NIC?X线性整流电源两部分组成。整个仪表需要供电的模块包括信号发生与处理电路、数/模转换电路、液晶显示屏、散热风扇。除数模转换电路上所需的400 Hz，115 V交流电由变压器输出端提供外，其他的直流电均由线性整流电源提供输出，各路输出去向列表见表2。
3 软件设计
3.1 设计要求
设计双通道舰船信号发生仪的软件，要求能在液晶屏上显示菜单界面，实现纵摇、横摇、航向、航速分路输出（可以独立输出也可以同时输出）：纵横摇设定周期和幅值后，具备启动、暂停和复位功能；航向的输出提供固定值输出和顺时针匀速转动两种方式，匀速转动时具备启动、暂停和回零功能；航速的输出提供固定值输出和匀速提速两种方式，匀速提速时具备启动、暂停和回零功能。
3.2 开发环境
信号发生程序由PC/104编译执行。盛博SCM/SPT2E型PC/104板载一片64M的固态电子盘，最大可以扩充到1G容量。它可以安装操作系统，使得PC/104无需挂接驱动器即可启动工作。该固态电子盘预装了MS?DOS 6.22，内置Borland C 3.1。该开发环境相当成熟，已应用多年。程序使用C语言编写。
信号处理程序在FPGA中执行，使用VHDL语言编写，编辑和编译的环境是Xilinx公司推荐的ISE 7.0程序。
3.3 舰船信号发生程序
分析信号发生程序的设计需求，纵摇、横摇、航向、航速四路信号产生在原理上类似，代码复用率很高；在功能上又相互独立，适合采用模块化设计的方法来简化设计。
程序的大致流程如下：首先采集纵摇、横摇、航向、航速设定值（未设定的默认为零），随后监视按键（键盘）指令输入，根据按键指令调用纵摇发生子程序、横摇发生子程序、航向发生子程序或是航速发生子程序的相应功能；然后统一将各子程序产生的数据送信号处理电路以及送液晶屏显示。根据设计思路，画出流程示意图如图3所示。
以纵摇信号产生子程序为例。首先，判断纵摇是否启动。启动键按下后，向数/模转换电路的纵摇输出数/模转换器的EN位输出高电平。检测到暂停键被按下时，输出锁存并保持。在暂停状态下，检测到复位键被按下时，将输出置零，并等待启动信号。在暂停状态下，检测到退出键被按下，向数/模转换电路的纵摇输出数/模转换器的EN位输出低电平，然后退出纵摇子程序。非暂停状态下屏蔽复位信号和退出信号。根据以上设计，画出纵摇子程序系统框图如图4所示。
航向发生子程序首先获取初始航向设定值，向数/模转换电路的航向输出数/模转换器的EN位输出高电平。然后，按设定值输出并保持。检测到启动键按下时，航向按照每秒10°的速度匀速增大，到360°归零并继续循环。检测到暂停键被按下时，输出锁存并保持。在暂停状态下，检测到复位键被按下时，将输出置为设定值，并等待启动信号。
在暂停状态下，检测到退出键被按下，向数/模转换电路的纵摇输出数模转换器的EN位输出低电平，然后退出航向子程序。非暂停状态下屏蔽复位信号和退出信号。根据以上设计，画出航向子程序系统框图如图5所示。
航速发生子程序与航向类似。不同之处在于检测到启动键按下时，航速按照5节/s的速度匀速增大，最大值为55节，到55节归零并继续循环。
PC/104的中断控制由两片8259A芯片级联，构成16级的向量优先级中断系统。在本仪表中，由于PC/104的数据线只有16位，而纵摇、横摇、航向每路数据都有16位，航速数据有14位，不可能实现同时并行输出。同时需要监视按键信号，读取外部数据，因此必须利用中断服务程序，配合使能中断和关断中断的函数，来实现信号的分时输出。
3.4 信号处理程序
在本仪表中，信号处理模块中的FPGA起着承上启下，沟通内外信号的重要作用。它负责监听前面板按键信号，实时传送给PC/104，而PC/104实时产生的大量数据也必须送到FPGA，进行分配后分两路，一路送数/模转换电路进行D/A转换成最终的自整角输出信号，一路送到印制板的发光二极管，以便于调试时自检数据输出的正确性。根据以上要求，FPGA输入输出信号流程图如图6所示，FPGA程序的系统框图如图7所示。
4 结 语
本研制项目采用PC/104嵌入式设计双通道舰船信号的发生，用自整角数/模转换器实现了数/模转换与信号放大输出舰船信号，完全满足设计要求，完成了双通道舰船信号发生仪的设计开发，及时填补了科研生产实践在该领域的空白，并已投入使用。该仪表具有使用方便、操作简单、显示清晰明了、输出稳定可靠等优点，在工程实践中应用表现良好。此外，本仪表硬件电路不复杂，硬件性能留有大量裕度，软件程序模块化编写，便于后期进一步开发，增加功能，提高仪表性能和适用性。
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