（控制理论与控制工程专业论文）基于tms320vc5416的tacan信号模拟源的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 导航己经成为现代生活中不可或缺的重要组成部分，它在国民经济和现 代科学技术等各个领域均发挥着重要作用。导航是一门综合性很强的技术， 它通过测量并确定运动载体当前所处的位置及其航行参数，引导运动载体沿 既定航线准确、安全地航行。塔康( t a c a n ) 又称战术空中导航系统，是为适 应舰载、移动台而开发的军用战术空中导航系统。可用于军用和联航机场的 近距导航方面。 本文的工作主要是使用t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 为核心器件，设计并调试完成了 t a c a n 信号模拟源。文中首先介绍了t a c a n 信号的基本形式以及空地测距和 测位的基本原理，还描述了形成t a c a n 信号的基准脉冲群在系统中的作用； 其次介绍了系统的软硬件设计原理，硬件电路的设计是以d s p 和c p l d 为核 心，在上位机通过串口的控制下操作外围器件产生所需要的t a c a n 信号，系 统软件分为上位机软件和d s p 片上软件，上位机软件主要是发送控制命令给 下位机并接收下位机原样回传的命令进行对比以判断命令是否完整、正确地 发出，d s p 片上软件是整个系统的核心，主要是通过其i o 地址控制c p l d 进 行译码产生相应的信号来管理整个系统的运行；最后介绍了系统调试过程中 所遇到的一些问题和解决方法，主要包括d s p 片上程序跑飞的问题、1 0 数据 操作的长短问题和基准脉冲在实际产生时遇到的问题。 关键字：t a c a n ；d s p ；c p l d 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 l 页 a b s t r a c t n a v i g a t i o ni s a l l i n d i s p e n s a b i l i t yp a r t i nm o d e r nl i v e s i t p l a y s a n i m p o r t a n tr o l ei nn a t i o n a le c o n o m ya n dm o d e r ns c i e n c et e c h n o l o g y n a v i g a t i o n i sa h i g h l yc o m p r e h e n s i v et e c h n o l o g y i td e t e r m i n e d b ym e a s u r i n gt h e m o v e m e n ta n dt h ec u r r e n tc a r r i e ra n dt h ep o s i t i o no fn a v i g a t i o np a r a m e t e r st o g u i d em o v e m e n ta l o n ge s t a b l i s h e dr o u t e sc a r r i e r a c c u r a t ea n ds a f en a v i g a t i o n t h et a c t i c a la i rn a v i g a t i o n ( t a c a n ) s y s t e mi sd e s i g n e df o rs h i p b a s e d ，m o b i l e s t a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fm i l i t a r yt a c t i c a la i rn a v i g a t i o ns y s t e m i tc a nb e u s e df o rm i l i t a r ya i r c r a f ta n dt h ea i r p o r ti nt h es h o r t r a n g en a v i g a t i o n i nt h i sp a p e r t h ew o r ki sm a i n l yo nh w o t ou s et h et m s 3 2 0 v c 5 4 1 6t o d e s i g na n dc o m p l e t eat a c a n s i m u l a t e ds i g n a ls o u r c e s w ef i r s ti n t r o d u c e dt h e t a c a n s i g n a l si nt h eb a s i cf o r ma n d t h er a n g i n ga n dl o c a t i o no ft h eb a s i ct e n e t s f r o mg r o u n dt os k y s e c o n d ，w ed e s c r i b e dt h e f o r m a t i o no ft h eb a s e l i n es i g n a l p u l s eo ft a c a ng r o u pi nt h er o l eo fs y s t e m t h i r d ，w ei n t r o d u c e dt h ed e s i g n p r i n c i p l e so ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fs y s t e m t h eh a r d w a r ed e s i g n i n gi s a tt h ec o r ed s pa n dc p l d t h eh o s tp cc o n t r o l e dt h ep e r i p h e r a ld e v i c e st o p r o d u c et h es i g n a lt a c a nt h r o u g ht h es e r i a lp o r t s y s t e m s o f t w a r ew a sm a k e u po fp cs o f t w a r ea n do n c h i pd s p s o f t w a r e p cs o f t w a r ew a ss e n ta l lo r d e rt o d s pa n dr e c e i v et h e s a m eo r d e rr e t u r n i n gf r o mt h ed s pt od e t e r m i n ew h e t h e r t h eo r d e rw a sc o m p l e t ea n dc o r r e c t t h ed s po i l - c h i ps o f t w a r em a i n l yc o n t r o l t h ed e v i c e so ft h es y s t e mw i t hc p l d f i n a l l y , w ei n t r o d u c e ss o m eo fp r o b l e m s a n ds o l u t i o n si nt e s t i n g ，i n c l u d i n gd s ps o f t w a r ei l l so v e r ，t h ew i d t ho fi od a t a a n dp u l s eg e n e r a t e db e n c h m a r kp r o b l e m se n c o u n t e r e db y k e yw o r d ：t a c a n ；d s p ：c p l d 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学曲南爻逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密圈，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作孝签名：幸勿栖勿 日期： w 它6 6 1 指导老师签名： 藩v 湟 日期： 2 0o g d6 7 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 使甩t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 实现了t a c a n 模拟信号源的设计。 2 解决了d s p 片上程序跑飞的问题。 3 对于1 0 数据操作的长短问题和高斯基准脉冲在实际产生时遇到的问 题进行了探讨。 学位论文作者签名：井移场勿 签字日期：吵略年莎月7 7 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 无线电导航系统的背景及研究意义 导航己经成为现代生活中不可或缺的重要组成部分，它在国民经济和现 代科学技术等各个领域均发挥着重要作用，例如飞机舰船导航、空海港管理、 大地测绘、地震测绘、海洋工程、空海搜索救援以及导弹发射等等方面，具 有广阔的应用前景，人们早已对它越来越关注。导航是一门综合性很强的技 术，它通过测量并确定运动载体当前所处的位置及其航行参数，引导运动载 体沿既定航线准确、安全地航行。导航系统获取导航信息依据的原理有多种， 诸如惯性原理、无线电导航、天文导航、地形辅助导航等。 导航系统的基本定位原理，归纳起来有三种。一是航位推算法，也称推 测航位法，它是最基本的导航定位方法，即从己知的位置开始，根据运动载 体在该点的航向、航速和时间推算出下一点的位置。二是无线电定位法，即 利用无线电波测得运动载体相对于导航台的一些几何参数来确定被导航的运 动载体，在运动过程中的运动参数( 位置、速度、加速度等) 。三是地形辅助 导航定位法，也就是在航行过程中，地形辅助导航系统预先存储有运动载体 所要经过地区的三维数字地形模型。在航行中将运动载体的气压高度( 海拔高 度) 和由雷达高度表测出的运动载体正下方地表的相对高度相减，得出地面上 的地形剖面图，再将存储的地形模型与测得的地形剖面相比较，当达到匹配 时便定出了运动载体所在点的位置。 无线电导航首先应用于测向方面，其后又出现测高、测距和着陆装置。 它的发展大致经历了三个时期： 1 无线电测向时期 这个时期包括从无线电发明到第二此世界大战前。在这个时期中，无线 电测向的发展从理论和试验研究开始并制成设备，最后得到广泛应用。1 9 2 6 年出现第一个无线导航台，它可供装有无线电罗盘的用户进行测向用，三十 年代全向和定向无线电信标得到了广泛的应用。1 9 2 5 年，美国的m o o s l y 提 出了自动定向的概念，从而出现了飞机普遍使用的无线电罗盘。1 9 3 0 年左右， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 无线电在航空方面开始运用，1 9 2 9 年装设航向指点标和下滑指点标，形成仪 表着陆的雏形，随着第二次世界大战的爆发，无线电导航进入第二时期。 2 地面基准无线电导航时期 这个时期前后大约二十年，从第二次世界大战到五十年代末。这个时期 内，无线电导航从无线电测向进入到以地面基准无线电导航系统进行测距、 测距差和测向一测距的时代。二战后，是地面基准无线电导航系统的大发展 时期，在近距导航系统方面，美国成功的研制了v o r 、d m e 、t a c a n 等系统。 塔康( t a c a n ) 又称战术空中导航系统就是这个时期发展起来的，是为适应舰 载、移动台而开发的军用战术空中导航系统。可用于军用和联航机场的近距 导航方面。它由相互配套的机载塔康设备和配套的信标台组成。机载设备包 括一个称作询问器的收发信机；地面站部分由地面信标( 天线) 和控制单元 组成。利用该导航系统可以保障飞机沿预定航线飞行、机群的空中集合和会 合以及在复杂气象条件下引导飞机归航和进场着陆。塔康导航系统由美国于 本世纪5 0 年代率先装备使用，后成为北约标准军用导航系统。这个时期是无 线电导航系统突飞猛进的大发展时期，它所建立起来的许多导航系统至今仍 然在航空导航中起着巨大的作用，地面基准无线电导航系统在这个时期从无 到有，不断成熟完善。 3 高性能无线电导航时期 这个时期也称为高性能无线电导航时期，时间从六十年代至今。一方面 改进和完善已有的系统性能，另一方面是研制新的系统，总的目的是获取高 性能无线电导航系统。飞机着陆引导在这个时期得到了很大的发展，目前国 际上广泛使用的是仪表着陆系统和精密雷达引进系统，此外还有正在发展和 使用的微波着陆系统。 1 2 国内外研究现状分析 无线电导航在未来的2 0 - 3 0 年内其发展的主要趋向：一、是全球、全天 候、高精度、连续、实时的全球卫星导航系统；二、是发展由多种导航设备 组合到一起的组合导航系统；三、是发展集通信、导航、识别等功能于一体 的综合导航系统；四、是发展时间基准波束扫描微波着陆以及利用g p s 等进 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 行精密着陆系统的开发。因此，在上世纪末本世纪初，由于g p s 和m l s 、组 合导航、综合导航与地形辅助导航系统的应用，使无线电导航的发展步入了 一个改朝换代的时期，如前所述一些做出了历史贡献的系统行将就木，一些 新的系统将肩负2 1 世纪的导航重任，另一些系统将作为承上启下或作为辅助 或作为备份而继续保留到2 1 世纪。 卫星导航从某种意义上说是把导航台搬到了卫星上，离地球表面 2 0 0 0 0 k m 左右的卫星可以看到4 2 的地球表面，多颗卫星组成星座，其信号便 可能覆盖整个地区。卫星发射l 频段信号，因此电波传播稳定，可以作到很 高的测量精度，而且提供丰畜的信息这就克服了陆基导航系统覆盖范围与导 航精度之间的矛盾，可以以高度的一致性为全世界的海陆空用户提供实时、 连续、精确的三维位置、三维速度和时间信息。为了满足军事和民用的需要， 美国从1 9 7 3 年开始研制导航卫星全球定位系统( n a v i s t a rg l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ) ，简称g p s 系统，1 9 9 2 年已全部建成。g p s 是一个以军 用为主，军民两用的系统，g p s 系统有2 1 颗工作卫星，平均配置在6 个轨道 上。g p s 是目前最好的区域导航系统，g p s 不但精度高，而且还能测量飞机、 船舶等载体的瞬时姿态。 组合导航系统是从7 0 年代开始发展起来的一种新的导航技术，利用两个 及两个以上导航系统提供的信息，通过综合处理以获得最佳导航信息。微型 计算机的发展与广泛应用，为组合导航奠定了物质基础，而新的数字滤波技 术如卡尔曼滤波理论与技术，则提供了有力的处理工具。组合导航系统能有 效地利用各子系统的信息，以取此长而补彼短。尤其是在一个大组合中，一 般都有几种组合方式可供选择，其定位精度通常可比其中任何单一的导航系 统的精度提高3 0 。对于任何运动体的导航都必须考虑冗余度，以加强保障 手段的可靠程度，乃至要绝对可靠。在组合导航系统中，通过自动故障检测， 一旦发现某子系统失效，就自动转换工作模式，因此适应性强，可靠性高。 对于给定的导航系统性能要求而言，采用组合导航与采用单一导航系统相比， 其成本还会降低。譬如采用g p s 与i n s 组合就比单独采用i n s 的成本要低。 高精度i n s ，一台十几万至几十万美元，中等精度的价格就低得多，而一台 g p s 用户设备仅几千美元，甚至更低。 2 0 0 1 年1 月，我国独立自主设计研制的“北斗一号”第二颗导航卫星发 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 射成功，一种区域性卫星导航定位系统进入试验阶段。“北斗一号 工程利 用两颗地球同步卫星为用户提供快速定位，简短数字报文通信和授时服务。 它使我国成为世界上第三个具有卫星定位与导航系统的国家。现今已建成的 “北斗一号 系统是我国独立自主建设的卫星定位系统，能覆盖我国整个大 陆及一部分沿海区域，有相当的用户数和定位精度，对陆上和海上导航定位 具有一定意义。 1 3 研究内容介绍和文章结构安排 早期导航系统中的收发信机以散件模拟技术为主，电路存在调试复杂、 信号处理部分设备庞大等缺点。随着数字信号处理( d s p ) 技术的发展，大容量 和高速度的现场可编程逻辑器件( f p g a c p l d ) 不断涌现，用数字信号处理的方 法在d s p 上实现信号的数字化处理已经成为可能。 本课题的工作是在成熟的t a c a n 系统的原理上，使用t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 d s p 作为主要器件设计并调试完成了t a c a n 信号模拟源，完成t a c a n 系统的空 地测位、测距，空空测距等功能的模拟，并且实际测试了整机的基本技术指 标。 全文内容共分6 章，结构安排如下： 第l 章为绪论，介绍研究内容，分析国内外研究状况，说明研究背景， 给出研究思路、主要工作和全文内容的组织安排。 第2 章绍了t a c a n 系统信号的基本形式以及测距系统和测位系统的基本 原理。 第3 章详细介绍了系统的硬件组成以及各部分的工作原理，并给出了一 些主要器件的相关资料。 第4 章详细介绍了整个系统软件的设计原理以及工作流程，包括d s p 片 上程序以及用于系统控制的上位机程序。 第5 章阐述了整个系统的仿真、调试及其实现的过程以及在调试中所遇 到的一些问题和解决办法。 第6 章对全文的研究进行了总结，并探讨了进一步的研究方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章t a c a n 系统工作原理 塔康( t a c a n ) 又称战术空中导航系统，是为适应舰载、移动台而开发的军 用战术空中导航系统“1 。可用于军用和联航机场5 1 。它由相互配套的机载塔 康设备和信标台组成的极式近程无线电导航系统。机载设备包括一个称作询 问器的收发信机，地面站部分由地面信标( 天线) 和控制单元组成。塔康系统 工作频段为9 6 2 1 2 1 3 嘲州兆赫兹，共有2 5 2 个波道。 2 1t a c a n 系统的主要功能 t a c a n 系统的主要功能有： ( 1 ) 与地面信标台及航向系统配合，可组成空地测位、测距系统。能连 续自动地测定飞机无线电方位角，飞机至信标台地的直线斜距以及航道偏离 的数据，同时输出信标台的识别信号。 ( 2 ) 与装有同类设备的飞机协同工作，可组成空空测距系统，提供与空 中最近一架飞机的相对距离的信息。 ( 3 ) 与装有空中信标设备以及空空测位天线的飞机协同工作，可组成空 空测位、测距系统，提供该飞机的相对方位和相对距离的信息。 ( 4 ) 配合微波着陆系统，可为飞机进场着陆系统提供精密距离信息。 塔康系统从一个已知的基准点提供极坐标下的方位和距离信息。依靠这 些信息，飞行员就能在航图上确定他的位置，塔康系统本身不去测量也不能 提供飞机的航向。如图2 - 1 所示，方位信息从磁北开始计，并且显示在以度 数划分的指示器上；而距离信息以海里数指示。这里的距离是指信标天线到 飞机的斜距，并称之为“信标距离刀。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 参考点信标 - , 5 - 一l 一 髓一。， 图2 - 1t a c a n 系统方位信息测试原理 2 2t a c a n 信号的合成 从地面信标发射的信号实际上是许多单独信号的组合。不稳定( 随机可 变的) 振荡器脉冲、询问应答脉冲和1 5 赫兹、1 3 5 赫兹调制信号被加到频率 约为1 0 0 0 兆赫兹( 低端) 或，1 1 8 0 兆赫兹( 高端) 的载波信号上。因此合成 信号包含所有为了取得完整的方位信息所必须的成分。用接收天线、检波器 和示波器就能简单地获得这些信息。但在我们接收机接收之前，接收到的信 号已经被降频为载波为7 0 兆赫兹的带有振荡器脉冲、询问应答脉冲和1 5 赫 兹、1 3 5 赫兹已调信号阻】【引。 塔康系统中所有的脉冲都按脉冲进行编码，并且全部都具有相同的基本 特征：即3 5 l ls 的脉冲宽度和1 2us 的脉冲间隔。如图2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图2 2t a c a n 系统脉冲间隔示意图 对不稳定振荡、d m e 、台识别、主基准和辅助基准信号的脉冲对的间隔进 行不同的编码。机载接收机对各种不同的信号进行译码并将他们分别送到适 当的电路中去。 1 5 赫兹和1 3 5 赫兹调制信号由天线结构中的无源振子产生，主基准和辅 助基准脉冲在天线脉冲线圈上被触发，脉冲的形成和编码在信标中完成。下 面分别介绍。 2 2 1a m 调制信号的形成 当1 5 赫兹和1 3 5 赫兹的调制信号与基准脉冲适当结合时，就可提供所期望 的方位信息n 们。1 5 赫兹系统提供“粗测刀信息，1 3 5 赫兹系统提供“精测刀 信息。1 5 赫兹和1 3 5 赫兹的调制信号由无线装置中的无源振子产生。调制元件 实际上就是这些小的无线天线m 3 。它们会截取和再辐射一部分来自中央天线 的能量。天线装置的俯视图如图2 - 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 羹多? 图2 3t a c a n 系统天线装置俯视图 首先考虑中央天线，当这个振子被恰当的激励后，它辐射的能量将是全 向的辐射图形。接着考虑装在中央天线附近小圆筒上的单个振子，当来自中 央天线的能量激励该振子时，它将截取该能量并从该振子再辐射出去，这时 圆形的辐射图形将变成心形的辐射图形。现在假设寄生振子以9 0 0 转分，即 1 5 转秒的转速在中央天线周围旋转，那么心形辐射图也将以1 5 转秒的转 速旋转，于是将产生1 5 赫兹( 基波) 调制。现在考虑装在同一个旋转结构上 的九个无源振子的天线阵，这九个无源振子与单个振子一样，只是装在一个 较大直径的圆筒上。当圆筒旋转时，九个振子同样地从中央天线截取能量并 辐射出去，从而形成九个波瓣。由于基波调制是1 5 赫兹，所以由九个振子产 生的调制是1 3 5 赫兹。 由于旋转心形图的结果，在空间任一点上接收到的来自信标的信号，就 具有时间函数的周期性振幅变化。变换成直角坐标时，调制的辐射图形具有 正弦波的形式。1 5 赫兹调制的一个周期相对于地理坐标代表3 6 0 。的方位，而 1 3 5 赫兹调制的一个周期代表4 0 。的方位。完整的包络详图如图2 - 4 所示。由 j，-l_l、 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图可以看出1 3 5 赫兹调制的中心振幅点与1 5 赫兹调制包络相交。“时间”基 准刻度表明当俯视天线阵按顺时针方向旋转时心形图振幅变化的时序。 ”。” - 口c 赫j 寓划 “”砑哪啊 惰 d。 厂、。 ， 。 c - 一、卜 一 弩 v vv v 拶j 沪 ，、 。寸 盱 强寸一 窿 1 6 08 04 003 2 02 4 0l8 0 2 2 2 主基准脉冲 方他孝示叫 图2 4t a c a n 信号完整包络图样 度 接收辐射信号的机上观察者仅仅由调制信号还不能确定他的方位角。必 须有一个能迭加到调制信号上的基准系统，观察者才能确定他相对于发射机 位置的方位。为了建立这个基准系统，每当塔康信标的1 5 赫兹心形图波瓣的 最大值指向地理上的东方时，就发射一个脉冲。由于地理上的磁北被作为方 位基准的零度，所以也称这个脉冲为“北 基准脉冲。这个北基准脉冲即主 基准脉冲，是靠安装在天线装置中的磁拾系统产生的。一个软铁从旋转调制 圆筒的底部伸出，圆筒每旋转一周，它便通过磁拾系统一次。通过改变磁场， 线圈中感应的电压被反馈给信标，在那儿它被编码成代表主基准脉冲的脉冲 组。当心形图波瓣的最大值指向东方时才会产生这个北基准脉冲。 2 2 3 辅助基准脉冲 辅助基准脉冲由安装在天线底盘上的软铁产生。心形图每一转，就有八 个辅助基准脉冲组和一个主基准脉冲组n 。这九个脉冲组均匀分布( 相距4 0 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 间隔) ，于是每一组之间的间隔就表示方位角的4 0 。在塔康系统中不产生第 九个辅助脉冲组，因为主基准脉冲组组建了这第九个辅助组。辅助脉冲组与 1 3 5 赫兹调制组合，代表精测方位角，这与建立粗测的1 5 赫兹调制相似。1 3 5 赫兹调制的一个周期代表方位角4 0 。借助1 3 5 赫兹系统，就可以在精测调制 信号上定出基准脉冲的位置。利用展宽的方位刻度，粗测和精测方位信息能 从调制后的塔康合成信号波形图中得到阳1 。 图2 5t a c a n 系统主、辅基准群 2 3 测位与测距原理 2 3 1 测位原理 测位原理是在v o r 的基础上发展起来的，也是通过测量接收的信号包络相 位来确定方位。地面台发射的信号的水平方向图为心形图，如 虱2 - 6 所示。 北 “ a c少 j。乃 j b 图2 - 5 地面台发射信号水平方向图 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 在空间，心形图曲线上的不同点相对地面台的方位是不同的且具有对应 关系。 地面台天线以1 5 转秒的速度顺时针旋转，在空间就得到了以1 5 h z 调幅的 射频信号。每瞬间在空间3 6 0 。方位上信号幅度以正弦规律分布，而空间某点 的场强随时间的变化也是正弦规律。另外，每当方向图最大值转到以地面台 磁北为基准的正东方时地面台还要发射基准信号，处于地面台不同方位的飞 机均可同时接收到此基准信号。图2 - 7 就是在发射基准的瞬间，心形图所处的 位置引。 、 r 一 、 l v bv 丫撼一 t 。 图2 7 发射基准瞬间心形图的位置 b 点为空间按正弦规律变化的场强的正斜率过零点。b 点在地面台的正南 方，即飞机的正北方。按规定，飞机的正北方为方位零点，所以处于b 点处的 飞机指示方位应为0 。若令基准信号与包络曲线曹勺正斜率过零点比较相位， 恰好其相位差在b 点也为0 。只要机上设备将接收到的基准信号与1 5 h z 正弦包 络的正斜率过零点进行相位比较即可测出飞机相对于地面台的方位角u 。例 如，一架飞机处于图2 - 6 中m 点位置，则设备同时接收到的准信号以及调幅包 络的a 点。天线旋转0 ，角，即方向图中的b 点( 正斜率过零点) ，e ，就是飞 机的方位角。 飞机处于地面台不同方位时，设备收到的调幅包络正斜率过零点与基准 信号的关系如图2 - 8 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 ”琶饥花地嘲台i 囱力 八 7 土籀擅 杉f 。l l 机杠j 地i 新f fi f 婀五 一k 一斧 f 一瓦磊卅 i 沪卅 “t 静l 侈地t f l i f ii f 靶z i f 。、y 1v l j 琶扫l ：地i 盘i 竹j i i 寐历 l 譬o o i 暑0 心 i 誓o d 9 0 图2 8 调幅包络正斜率过零点与基准信号的关系 2 3 2 测距原理 帅 t a c a n 系统距离测量依据二次雷达工作原理。利用应答式脉冲测距原理， 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 机上设备以8 0 - - - 1 2 0 h z ( 搜索状态) 或2 0 - - - 3 0 h z ( 跟踪状态) 速率发射发射询问 脉冲对信号，地面信标台收到该询问脉冲后，经过一个固定延时，再向机载 设备发出回答脉冲对信号。机载设备收到询问脉冲信号后，经过识别，选择 出对自己的测距应答脉冲，并测出询问脉冲和地面台回答脉冲之间的时间间 隔，该时间间隔是与距离成正比的。机上设备的测距电路和距离计算机构将 此时间间隔变换为距离读数，之后飞行员可以从指示器上直接读出飞机到地 面台的距离了。时间间隔和距离的关系可由下式求出口1 ： d = c 木( t t 。) 2 其中，d 为飞机与地面台的斜距，c 为光速，t 为机上设备发出询问脉冲到 收到地面台回答脉冲的时间间隔，为了补偿各地面台对信号延时的不同而产 生距离误差，规定所有地面台都有t 。微秒的回答延迟。如图2 - 9 所示。 每个地面台允许几百台机上设备同时工作，所以对于每台机上设备都要 应答。为了取出对自己询问的回答脉冲，机上设备采用询问频率随机的、不 稳定的方法。在收到地面台对所有机上设备的回答脉冲中，只有对自己的回 答脉冲是与本机上设备的询问频率同步的，而其余的回答脉冲则与本机上设 备的询问脉冲不同步。 地 地面应答器 i i i 童旦 应答 - - i 机载询问器 图2 - 9 空地测距应答原理 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 4 本章小结 在这一章中，对t a c a n 信号系统的基本原理进行了简单的叙述。主要包括 塔康信号的基本形式，机载设备如何将接收到的包络信号变换成方位信息以 及距离测量原理等等。在对整个系统工作原理的有所了解后，从下一章开始， 着手介绍t a c a n 系统的软硬件设计和实现。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 第3 章系统的硬件组成及其功能 整个t a c a n 信号模拟源硬件系统框图如下图3 - 1 所示： 图3 - 1t a c a n 信号模拟源硬件系统框图 整个系统的实物照片如下图3 - 2 所示： 图3 2t a c a n 信号模拟源硬件系统实物俯视图 由图3 一l 可以看出整个系统是由控制部分( c t r l ) 、射频发射部分( r f ) 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 射频接收部分( r f - r x ) 等三个部分组成，其工作原理是：在控制电路的操作 下，外围器件按照系统要求产生各种信号，经过合成，最终生成所需要的t a c a n 信号。 t a c a n 信号的形成主要是由控制部分的d s p ( t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 ) 和c p l d ( x c 9 5 2 8 8 x l ) 一起来操作外部的d a 器件，形成1 5 h z 和1 3 5 h z 的合成波形，以 及产生主基准群和辅助基准群所需要的高斯脉冲信号。 作者在本系统中的主要工作是进行d s p 片上软件、上位机控制软件的编写 和控制部分硬件电路的设计与调试，所以本文主要讨论的硬件电路为控制部 分硬件电路，在本章中将详细描述该部分中各电路模块的组成、功能及其在 系统中的作用。 3 1 主要电路模块的功能及其在系统中的作用 3 1 1 控制核心的组成及其功能 控制核心硬件由d s p ( t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 ) 和c p l d ( x c 9 5 2 8 8 x l ) 组成，下面 将分别介绍它们的功能n 幻。 首先，我们介绍本系统的核心器件t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 ，它是t i 公司5 4 x 系 列d s p 中运行速度非常快的一款处理器，其最高速度可以达到1 6 0 m h z 。它的 主要性能参数指标有n 3 1i t 4 t ( 1 ) 先进的多总线内部结构，包括三条独立的1 6 b i t 数据总线和一条 1 6 b i t 程序总线； ( 2 ) 4 0 b i t 的算术逻辑单元，包括一个4 0 b i t 的桶形移位寄存器和两个相 互独立的4 0 b i t 运算单元； ( 3 ) 1 7 木1 7b i t 的并行乘法运算器： ( 4 ) 1 2 8 k i c1 6 b i t 的片内r a m ； ( 5 ) 1 6 k ，i c1 6 b i t 的片内r o m ； ( 6 ) 多种片内功能模块，包括：可编程控制的等待发生器；片内锁相环； 一个1 6 位定时器；6 通道d m a 控制器；3 个多通道缓冲串口( m c b s p ) ；8 1 6 位增强型的并行主机接口( h p i ) ； 由以上指标可以看出，t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 是基于哈佛总线结构的先进的数字 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 信号处理器，包括一个高度并行的算术逻辑单元，丰富的片内存储器，多种 片内功能模块。单独的程序和数据存储器允许对它们同时进行访问，使d s p 拥有高度的并行性。在单指令周期可以执行两次读操作和一次写操作，并行 存储指令和特殊的应用指令可以在这种环境下得到很好的执行。另外， t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 允许在数据和程序存储器之间进行数据的传输，这种并行的执 行能力支持在单周期内完成大多数的算术、逻辑和位操作。同时t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 还能很好地处理中断、d m a 请求以及相关的操作。 本系统中t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 与其他器件的连接如图3 3 所示，作为整个系统 的控制器，它与c p l d ( x c 9 5 2 8 8 x l ) 一起完成对所有外围器件的时序控制， 使它们产生t a c a n 系统所需要的各种信号。 图3 3t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 与外部器件连接图 为了方便对系统中的器件进行操作，将d s p 的数据线和地址线接到了 c p l d 的i o 引脚上，由d s p 通过对其i o 地址的操作产生命令，c p l d 根据不同 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 的命令生成对应于不同器件的片选和控制信号来操作外围器件。整个系统的 i o 地址分配如表3 - 1 所示。 表3 - 1 系统i o 地址分配表 1 0 地址( 1 6 进制)分配目标 0 0 5 0 ha d 5 3 1 4 控制口 o o d o h读该口，清除中断0 ( 即a d 5 3 1 4 的相关中断) 0 0 6 0 h a d f 4 11i 高8 位数据口 0 0 7 0 ha d f 4 1 1 1 低1 6 位数据口 o o c o h读该口，清除中断2 ( 即a d f 4 1i i 的相关中断) o o a o ha d 5 4 4 5 数据写入地址 0 0 2 0 hs t l 6 c 2 5 5 0 的片选c s a ，2 3 2 数据口 0 0 2 i hs t l 6 c 2 5 5 0 的d l m 寄存器 0 0 2 2 hs t l 6 c 2 5 5 0 的f c r 寄存器 0 0 2 3 hs t l 6 c 2 5 5 0 的l c r 寄存器 0 0 2 4 hs t l 6 c 2 5 5 0 的m c r 寄存器 0 0 2 5 hs t l 6 c 2 5 5 0 的2 3 2 口的l s r 寄存器 0 0 3 0 h s t l 6 c 2 5 5 0 的片选c s b ，4 8 5 数据口 0 0 1 0 hs t l6 c 2 5 5 0 的复位地址 而d s p 的片内外设在本系统中用到的有锁相环( p l l ) 和定时器两个。锁 相环的作用是对外部输入的1 6 m h z 时钟进行倍频作为d s p 的工作时钟；而定 时器在本系统中是非常关键的一个核心功能单元，因为系统需要生成的由 1 5 h z 和1 3 5 h z 合成的t a c a n 信号是由d s p 定时操作外部d a 器件得到的，对 应于不同的频率和相位要求，需要向d a 器件送不同的数据，具体操作将在第 4 章系统软件部分进行论述。 d s p 与其它器件的连接如表3 - 3 所示，在这里我们按照原理图的编号规 定各器件编号如表3 2 所示，在文章后续部分的连接表也遵循表3 2 的规定， 就不再叙述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 表3 2 控制电路部分各器件编号 器件名称编号 t m s 3 2 0 v c 5 416u 2 x c 9 5 2 8 8 x l u 4 s t1 6 c 2 5 5 0 u 1 5 a d 5 4 4 5u 1 2 a d 5 3 1 4u 1 0 表3 3t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 与其它器件连线关系表 器件引脚号( u 2 )目标器件引脚号说明 1 0 5 i l o 、1 3 l 1 3 4 、 ( u 4 ) 2 7 、9 1 6 、2 8 3 5 、地址线( p a 0 p a 2 0 ) 1 3 6 1 4 1 、5 、7 1 i( u 4 ) 1 4 2 、1 4 3 ( u 1 5 ) 2 6 。2 8 9 9 1 0 4 、1 1 3 1 1 9 、( u 4 ) 1 7 2 7 、3 9 4 5数据线( p d o 1 5 ) 1 2 1 1 2 3( u 1 2 ) 4 1 5 ( u 1 5 ) i 3 、4 4 4 8 2 0( u 4 ) 1 4 0程序空间选择( p s ) 2 1( u 4 ) 1 3 9数据空间选择( d s ) 2 2( u 4 ) 1 3 8 1 0 空间选择( i s ) 2 3( u 4 ) 1 3 7 读写选择( r w ) 2 4( u 4 ) 1 3 6 存储空间访问指示( m s ) 2 5( u 4 ) 1 3 5i o 空间访问指示( i o s ) 3 6( u 4 ) 13 2 接收桢同步( b f s r l ) 6 4( u 4 ) 5 4 外部中断0 ( d i n t 0 ) 6 5 ( u 4 ) 5 3外部中断1 ( d i n t l ) 6 6( u 4 ) 5 2外部中断2 ( d i n t 2 ) 接着，我们来论述本系统中的c p l d ( x c 9 5 2 8 8 x l ) ，它与d s p 一起构成整 个系统的控制核心，它与系统中其它器件的连接方式如图3 4 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 x c 9 5 2 8 8 x l 是x i l i n x 公司的高性能c p l d 产品n 钉，它的主要技术性能指标 有： ( 1 ) 6 n s 引脚之间的逻辑延迟； ( 2 ) 最高可达2 0 8 m h z 的系统时钟； ( 3 ) 快速的编程能力； ( 4 ) 优化的高性能3 3 v 供电系统： x c 9 5 2 8 8 x l 是一款功耗小、封装形式灵活、速度较快的c p l d ，在本系统中 由于没有过多的时序功能需要在d s p 以外完成，所以选择这种器件完成所有的 译码功能以及配合d s p 产生外部器件的控制时序是比较合理的。 c p l d 与d s p 构成的控制核心的工作方式是：d s p 将所有需要进行读写的外 部器件寄存器分配到其i o 地址，在d s p 对相应的i o 地址进行读写时，由c p l d 根据不同的i o 地址译码产生外部器件的读写操作信号，例如。我们要启动外 围器件a d 5 4 4 5 进行d a 转换，则先在d s p 工程文件的头文件中使用“i o p o r t u n s i g n e dp o r t o o a o ”指令将1 0 地址o x o o a o 定义为p o r t o o a o ，再在c 文件中使 用“p o r t o o a o = i ”指令将需要进行d a 转换的数据i 发送给a d 5 4 4 5 器件，在c p l d 接收到“p o r t o o a o = i 这条指令的同时它就会进行译码操作产生a d 5 4 4 5 启 动d a 转换所需要的控制信号。 具体d s p 的i o 地址读写操作将在第4 章详细论述，至于i o 地址的分配问题， 由于d s p 拥有6 4 k 的可用i o 地址，所以1 0 地址的分配具有很大的灵活性。 在本系统中，所有的外部器件都是由d s p 发送i o 端口读写命令给c p l d 再由 c p l d 译码产生具体的控制信号和时序来对其进行控制，也就是说c p l d 在本系 统中是作为总线控制器来使用的，d s p 除了将数据线和地址线连接到某些器件 ( 如a d 5 4 4 5 需要连接数据线，s t l 6 c 2 5 5 0 需要连接地址线) 之外，它本身的各 种控制信号在系统中都不用于外部器件的控制，而是通过将这些控制信号发 送至u c p l d 中参与译码，由c p l d 产生与1 0 地址相关的控制信号来控制外部器件， 这样，整个系统总线就比较简单并且易于控制，系统的功能实现起来就比较 容易。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 一。十 ； i i - 3 一r = 一r ? 。y r + 1 口辱，“ ：霉：曼囊量量妻 兰鐾妄豢玎 - ! 一? v， i ： t t ，e r i j p i 一。 ii j ，i q t鼬i5 31 。e k1 ，o t o i q d 巧 一，k i n ，5删。 i3 9d 5 t h =帕 i三墨ls 1 ，o ；童； 蒜。 i j ；：曩鬈 ：i c a 吣： j r t ：j o i r r rr y 1 拍 o 1 3 jl 西 ：i ! ：；l o c k io l o q 珩 i ；i ij 1 ，：j 。： 口c k t o 1 3 j日 m i i 1 i 口c k 三 o 132丑f 二皿-；一j - i 了一f 一了 ：钱毒蠲藁| i l 1 3 1日( - l k r - j ： !；? a t = j1 r o 1 3 口日t - l k r 口；fi ： 口下= 1 o 1 7