基于C語(yǔ)言的導(dǎo)航控制盒設(shè)計(jì)

摘要：目前在導(dǎo)航接收系統(tǒng)中，通常需要控制盒來(lái)完成對(duì)機(jī)載設(shè)備的加電、工作頻率或波道的轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)音量、顯示亮度等功能的操作與控制。文中介紹某導(dǎo)航控制盒的應(yīng)用范圍、工作原理及電路實(shí)現(xiàn)，主要從頻率控制、關(guān)鍵器件HCMS2924點(diǎn)陣模塊的使用方法等方面進(jìn)行了詳細(xì)的論述。
關(guān)鍵詞：BCD碼；頻率控制；ARINC 429總線(xiàn)；看門(mén)狗；E2PROM；LED點(diǎn)陣顯示

    導(dǎo)航就是引導(dǎo)一個(gè)運(yùn)動(dòng)體從一點(diǎn)到達(dá)另一點(diǎn)的全過(guò)程。飛機(jī)導(dǎo)航的目的在于保證其從開(kāi)始起飛到著陸全過(guò)程安全、有效、經(jīng)濟(jì)的飛行。導(dǎo)航控制盒是機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備的操作控制機(jī)構(gòu)。本項(xiàng)目是基于ARINC 429總線(xiàn)數(shù)據(jù)格式的導(dǎo)航接收機(jī)的控制機(jī)構(gòu)，ARINC429串行總線(xiàn)具有傳輸速率高，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，符合航空數(shù)字信息傳輸系統(tǒng)的要求。
    該系統(tǒng)將導(dǎo)航接收機(jī)的所需的頻率以ARINC 429總線(xiàn)數(shù)據(jù)格式輸出，其中信號(hào)格式為BCD編碼格式，頻率范圍是108．00～117．95 MHz，頻率間隔50 kHz，通過(guò)它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的加電控制、可手動(dòng)控制頻率或工作波道的轉(zhuǎn)換、可完成系統(tǒng)音量調(diào)節(jié)、顯示亮度的調(diào)節(jié)并顯示當(dāng)前頻率，根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)分系統(tǒng)間控制盒的轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)交換功能。

1 實(shí)現(xiàn)過(guò)程
1．1 控制盒的電路實(shí)現(xiàn)
    控制盒通過(guò)“按鈕”對(duì)頻率進(jìn)行選擇，單片機(jī)在主程序中對(duì)按鈕的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行掃描，根據(jù)掃描到的情況實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的頻率控制。在控制盒中應(yīng)用了一個(gè)可編程看門(mén)狗E2PROM，防止萬(wàn)一因強(qiáng)烈干擾而使CPU程序運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)，它能在可編程的超時(shí)周期(200 ms)內(nèi)使CPU復(fù)位，回到正常的程序狀態(tài)。單片機(jī)還可以讀取存貯于看門(mén)狗電路的頻率，使控制盒能記憶上次關(guān)機(jī)的工作狀態(tài)。顯示窗口的亮度可以調(diào)節(jié)。頻率顯示采用了5×7點(diǎn)陣模塊來(lái)顯示。單片機(jī)將頻率代碼轉(zhuǎn)換成BCD碼格式，通過(guò)ARINC429數(shù)據(jù)的格式，送到導(dǎo)航接收機(jī)。
    原理框圖如圖1。

1．2 信號(hào)BCD碼在ARINC 429中的位置及格式

    在發(fā)送ARINC 429數(shù)據(jù)時(shí)，首先把頻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成BCD碼的格式，再進(jìn)行相應(yīng)的判斷和計(jì)算后保存到發(fā)送ARINC 429數(shù)據(jù)的數(shù)組里，最后循環(huán)發(fā)送出去。相反，在接收ARINC 429數(shù)據(jù)后，先保存在接收ARINC 429的數(shù)組里，然后進(jìn)行計(jì)算判斷，如接收的數(shù)據(jù)正確，再把信號(hào)數(shù)據(jù)提取出來(lái)，進(jìn)行相應(yīng)的處理和顯示。
1．3 頻率的控制
    控制盒剛開(kāi)機(jī)時(shí)，記憶并顯示上次斷電時(shí)的頻率，此功能通過(guò)讀寫(xiě)看門(mén)狗來(lái)實(shí)現(xiàn)。X25045是有4 kB的串行E2PROM，由一個(gè)用四線(xiàn)構(gòu)成的SPI總線(xiàn)方式進(jìn)行操作，其擦寫(xiě)周期至少有l(wèi) 000 000次，其特有的看門(mén)狗功能具有總線(xiàn)監(jiān)控和電壓監(jiān)控功能，具有良好的性能價(jià)格比。
    頻率選擇采用按鈕輸入法，按MHz／kHz選擇按鈕，選擇M位或k位，被選擇位處于閃爍狀態(tài)，再按“↑”或“↓”按鈕，相應(yīng)位的數(shù)據(jù)進(jìn)行增減。當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到最大值時(shí)，再按“↑”按鈕，顯示頻率回到最小值。同樣，當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到最小值時(shí)，再按“↓”按鈕，顯示頻率回到最大值。M位時(shí)數(shù)據(jù)步進(jìn)量為1 MHz，k位時(shí)數(shù)據(jù)步進(jìn)量為50 kHz。在以上操作過(guò)程中，控制盒不發(fā)送ARINC429數(shù)據(jù)(即默認(rèn)上一狀態(tài))，若5 s內(nèi)沒(méi)有按以上提到的任何按鈕，控制盒開(kāi)始發(fā)送現(xiàn)在顯示的頻率的ARINC429數(shù)據(jù)。
1．4 顯示模塊的電路實(shí)現(xiàn)
    用2塊5×7 HCMS2924點(diǎn)陣模塊顯示108．00～117．95MHz范圍的頻率，該產(chǎn)品采用低功耗的CMOS工藝。它與TTL電平兼容，可以直接與微處理器和微控制器相連而無(wú)需接口電路和元件。該顯示屏的特點(diǎn)是可以在水平和垂直方向靈活組合，2塊點(diǎn)陣模塊的連接關(guān)系，如圖2所示。  P3.7、P2.6和P3.4口線(xiàn)分別控制HCMS2924的DIN端、CE端和RS端。首先，RS置低以選擇點(diǎn)陣寄存器，接著將CE也置為低。然后在每一個(gè)時(shí)鐘上升沿將數(shù)據(jù)從DIN移入點(diǎn)陣寄存器，移入的數(shù)據(jù)是高電平時(shí)，相應(yīng)的點(diǎn)被點(diǎn)亮。當(dāng)所有160位都被移入時(shí)，CE置高。當(dāng)CLK的下降沿到來(lái)時(shí)，新的數(shù)據(jù)將被鎖存到顯示點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)電路。待前面的數(shù)據(jù)顯示完成后，再將數(shù)據(jù)裝載進(jìn)點(diǎn)陣寄存器。重復(fù)5×8×8次后，數(shù)據(jù)通過(guò)DIN端寫(xiě)入到寄存器中。

    在4 bit的顯示屏中，160位二進(jìn)制數(shù)可由20列8行的矩陣構(gòu)成。每個(gè)字符一般被定義成5×8的點(diǎn)陣，但8行中只有7行有LED點(diǎn)，第0行實(shí)際上從不顯示，如圖3所示。字符一般通過(guò)順序方式載入，首先被載入的是最左邊的數(shù)據(jù)，最后被載入的是最右邊的數(shù)據(jù)。
    顯示亮度可以用軟件編程修改控制字的方法實(shí)現(xiàn)。該控制寄存器由兩個(gè)獨(dú)立的7位控制字(控制字0和控制字1)組成，由寄存器的D7位決定選擇哪一個(gè)控制寄存器，D7位為L(zhǎng)時(shí)選擇控制字0，D7位為H時(shí)選擇控制字1?？刂谱?的D0～D3位通過(guò)脈寬調(diào)制(PWM)來(lái)調(diào)整顯示亮度，D4～D5位通過(guò)控制像素的峰值電流來(lái)調(diào)整顯示亮度，D6位選擇正常操作模式(D6=H)或睡眠模式(D6=L)?？刂谱?有兩個(gè)功能；D0位用于選擇串行／并行數(shù)據(jù)輸出模式；D1位用于外部振蕩器前定標(biāo)。
1．5 部分子程序
    接收和發(fā)送子程序如下所示。
1．5．1 從X25045接收1 bit
   
1．5．2 向X25045發(fā)送1 bit
   
2 導(dǎo)航控制盒的應(yīng)用效果
    該控制盒與原同類(lèi)設(shè)備的控制盒相比較，有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：
    (1)采用了先進(jìn)的微處理機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)存貯技術(shù)，使得產(chǎn)品具有功能強(qiáng)、操作方便、技術(shù)先進(jìn)、可靠性高等特點(diǎn)；本次控制盒的頻率選擇功能通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，原同類(lèi)控制盒大多采用多層波段開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率選擇，電路復(fù)雜且可靠性差。
    (2)頻率顯示采用兩塊點(diǎn)陣模塊顯示，若按原控制盒的設(shè)計(jì)方法，完成同樣功能，則需要14個(gè)數(shù)碼管；
    (3)鑒于以上兩點(diǎn)，該控制盒硬件電路簡(jiǎn)化，重量是原來(lái)的1／2，體積減小到原來(lái)的2／3，這對(duì)于機(jī)載設(shè)備的減重及小型化有益。

3 結(jié)束語(yǔ)
    文中闡述了控制盒的工作原理和軟硬件設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)思想新穎、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明。將控制盒與系統(tǒng)連接進(jìn)行了功能測(cè)試。結(jié)果表明該系統(tǒng)具有反應(yīng)速度快、可靠性高、可維護(hù)性，較好地滿(mǎn)足了系統(tǒng)的工作要求，對(duì)需要實(shí)現(xiàn)此功能的同類(lèi)控制裝置，具有一定的借鑒意義。