機載防撞系統適配器的設計范文

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《儀表技術雜志》2015年第二期

1電路設計

機載防撞系統綜合適配器的原理框圖見圖1，它由以下單元構成:電源預處理單元、電源變換、電源濾波單元、音頻功率放大單元、MCU微控制器單元、地址譯碼單元、氣壓高度表RS-422接收單元、ARINC429收發單元、模擬量至ARINC552變換單元、航向信號X、Y、Z變換單元、激磁信號變換單元、信號直通單元、檢測接口輸出單元。

1．1電源預處理單元該單元實現電源輸入的預處理，對于電源接反、過壓、尖峰、瞬時斷電提供保護，具體實現方案見圖2。電源首先接入極性過壓保護電路，防止電源接反和過壓;振蕩電路輸出的交流信號經過倍壓整流電路輸入到VMOS功率開關的柵極，該電壓穩定在30V左右，而且柵極電壓不隨輸入電壓升高而變化，這樣經過VMOS功率開關后的電壓也相應穩定在28V左右，從而可以有效抑制電源的過壓、尖峰。

1．2電源變換、電源濾波單元該單元實現輸入28V電源到綜合信號轉換板電源的變換。為了提高電源效率，電源變換使用Inter-Point公司的開關電源模塊，把輸入28V電源變換為5V和±15V，供綜合信號轉換板使用。由于開關電源的大量使用，輸入電源的開關噪聲較大，對電路的工作必然帶來影響，為了提高電路可靠性，在電源變換電路前后均設有共模和差模濾波電路，并與濾波電容相結合，大大抑制了輸入電源中的開關噪聲，保證后級電路電源的干凈程度。

1．3音頻信號放大單元該單元實現TCAS處理機輸出音頻信號的阻抗匹配和分路。音頻信號放大單元的具體設計實現見圖3。音頻功放選用低噪聲、高信噪比的功率放大器LM1875，通過輸出變壓器實現信號的阻抗匹配，同時選用兩路獨立的功率單元實現音頻信號的分路輸出。

1．4氣壓高度表RS-422接收單元該單元用于對氣壓高度表輸出的RS-422信號進行接收，信號的輸入保護電路可提高接收單元的可靠性。具體實現見圖4。

1．5ARINC429收發單元該單元實現ARINC429信號的輸入輸出，包括低速ARINC429信號到高速ARINC429信號的轉換、RS-422信號轉換為ARINC429信號的輸出等。ARINC429收發使用HS3182、HS3282芯片組，1MHz的時鐘使用外部寬溫晶體振蕩器提供，具體實現見圖5。

1．6MCU微控制器單元該單元實現整個控制盒的工作協調和控制，接收氣壓高度表輸出的RS-422數據，并轉換為ARINC429的數據格式，通過ARINC429收發單元輸出至TCAS處理機;從ARINC429收發單元接收無線高度信號(低速ARINC429)，進行變換為高速ARINC429信號輸出。MCU微控制器選用Intel公司的51核微處理器89C51FA(軍品級)。

1．7航向信號X、Y、Z變換單元該單元實現36V航向信號X、Y、Z到26V航向信號X、Y、Z的變換。由于此變換為線性變換，在設計時充分考慮到該點，使用線性網絡的方式實現變換。具體實現見圖6。

1．8激磁信號變換單元該單元實現36V(115V)激磁信號到26V激磁信號的變換。實現方法與航向信號X、Y、Z變換單元的變換方法一致。

1．9檢測接口輸出單元為了提高機載信號的可觀測性，機載防撞系統綜合適配器還提供了對輸入機載信號直接輸出的接口單元，通過該接口可以直觀觀測機載信號的狀態，對設備維護和故障定位提供依據。

1．10機箱結構設計機載防撞系統綜合適配器機箱結構參考國外ATR結構形式，選用單元體減震托架形式，盒體選用高強度薄壁結構，體積小、質量輕，可快速安裝拆卸，同時具備接插件防插錯功能，滿足技術指標要求。

2可靠性與電磁兼容性設計

2．1元器件選擇在機載防撞系統綜合適配器的元器件選擇上，按照GJB3404－98《電子元器件選用管理要求》，堅持標準化、通用化的元器件選用原則，特別注重選用成熟產品和已驗證可靠性較高的元器件，并進行元器件的老化、篩選，為質量控制和滿足可靠性指標要求打下堅實的基礎。

2．2電路可靠性設計電源濾波完善，除對電源進行電感、電容濾波外，實現每個集成電路均有濾波電容;元器件布局時，嚴格實現數字器件與模擬器件物理位置的分離，尤其是晶體振蕩器、高速數字器件與精密運算放大器的分離;元器件的焊接由專業人員實施，并需通過嚴格檢驗流程，確認合格后方可使用;電路板布線時盡量減少回路環的面積，以降低感應噪聲;電路板上電源線和地線盡量粗，降低電源線和地線上噪聲;電路板走線避免直角，廣泛使用圓弧方式;電路板上模擬地與數字地相互分離，在電源的輸入端進行連接，保證模擬地與數字地的相互影響最小;電路板上強信號與弱信號相互分離，保證弱信號受強信號的影響最小;集成電路閑置的I/O口，在不改變系統邏輯的情況下接地或接電源;微控制器使用電源監控及硬件看門狗電路;在滿足要求的前提下，盡量降低微控制器的運行速度;在微控制器軟件設計中采用軟件陷阱技術，提高電路的運行可靠性。

2．3軟件可靠性設計根據GJB437－88《軍用軟件開發規范》和GJB439－88《軍用軟件質量保證規范》的要求，機載防撞系統綜合適配器的軟件為MCU微控制器的內部軟件，設計使用軟件工程的設計方法，把軟件工程質量的設計理念融入到整個軟件開發過程中。軟件可靠性保障由以下方面得以體現:(1)成熟的軟件開發環境，使用KeilC51開發環境開發軟件。(2)使用C語言使調試、閱讀更加容易，軟件隱患大大減少。(3)對于中斷中使用的變量使用Volatile變量類型，防止變量不能及時更新，導致運行錯誤。(4)主程序中使用中斷可編輯的變量時，主程序采取關中斷，避免變量調用錯誤。(5)中斷服務程序應盡量簡潔，復雜的運算均放置在主程序中，保證中斷進入的快速性，提高軟件響應中斷的性能。(6)主程序循環中使用硬件看門狗，程序運行故障時可復位重新開始。(7)看門狗只使用在主程序的循環中，不能在中斷服務程序中使用。(8)軟件設計中使用軟件陷阱，保證軟件運行故障時可復位重新開始。(9)變量地址空間使用固定分配的方式，避免使用動態分配的方式，可提高運行速度，避免變量沖突，提高可靠性。(10)軟件設計中可靠的測試方法可有效提高軟件的可靠性。

2．3電源異常的安全性設計電源電壓異常會嚴重影響系統的安全。機載防撞系統綜合適配器采取的預防電源異常的措施如下:電源輸入端使用電源方向二極管，防止電源正負極性錯誤;電源輸入端使用電壓嵌位器件，如TVS、壓敏電阻等;電源輸入端使用預穩壓電路，可靠抑制過壓和尖峰干擾;電源輸入端使用較大容量電容濾波儲能，保障瞬間斷電時供電;電源輸入端完善的共模和差模濾波功能。

2．4電磁兼容性設計根據GJB151A－97《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求》，在機載防撞系統綜合適配器電磁兼容設計中采取的措施有:機殼地與信號地之間的隔離設計;+5V地與+28．5V地之間的隔離設計;直流電源線束和交流電源線束之間的隔離設計;電源線束和信號線束之間的隔離設計;對重要的信號傳輸采用雙絞線或屏蔽線;屏蔽線兩端接地處理;機殼的搭接、接地和電磁屏蔽設計。以上措施是機載防撞系統綜合適配器在惡劣電磁環境下可靠工作的保證，同時也避免機載防撞系統綜合適配器對其他機載設備的電磁干擾。

3關鍵技術

3．1多種適配電路的集中融合技術機載防撞系統綜合適配器是為滿足多種飛機型的需求而設計的。根據多種飛機型的實際情況，具體設計了多種滿足所選機型的適配轉換電路，并把這些電路集中融合到機載防撞系統綜合適配器中，滿足多種飛機的需求，大大降低了設計成本和提高工作效率，便于維護保障，具有很強的實用性通用性。

3．2電源預處理和防浪涌技術電源的純凈程度可以有效提高系統的可靠性和安全性，故而對電源的預處理變得十分重要。在對機載防撞系統綜合適配器電源的預處理中采用VMOS功率開關和倍壓整流技術，在N溝道VMOS功率開關正常導通情況下，柵極電壓必須大于源極電壓，通過可靠控制VMOS功率開關柵極電壓的大小，無論浪涌輸入電壓的高低，均可以有效保證源極輸出電壓在預定的范圍之內，從而保證后級電路的安全性可靠性。

4結論

本文列舉了機載防撞系統綜合適配器的主要技術要求，給出了電路設計的原理框圖，并就可靠性與電磁兼容設計進行了論述。據此技術要求和電路原理框圖研制的機載防撞系統綜合適配器具有很高的可靠性、良好的電磁兼容性和環境適應性，已在多型飛機上得到使用，成功實現了進口機載防撞系統與原機設備的交聯關系，機載防撞系統的功能得以實現，飛機的空中防撞能力得到有效提高。

作者：田建學賈紹文魏俊淦單位：海軍航空工程學院青島校區