军用无人机载应答机外场检查仪的设计

四川九洲电器集团有限责任公司　罗　剑



军用无人机载应答机外场检查仪的设计

四川九洲电器集团有限责任公司罗剑

【摘要】无人机即无人飞行载具，指的是不需要驾驶员的飞机。20世纪90年代，海湾战争以后，无人机开始飞速发展和广泛运用。传统机载设备的地面保障设备一般体积重量较大。但无人机地面站一般只配一台车辆，承载能力有限，对其上配装的电子设备的体积重量要求更高。本文介绍一种便携式的外场检查仪，用于无人机载应答机的地面保障，其具有体积小、安装快、适应性强等优点，能够很好的满足军用设备保障需求。

【关键词】无人机；外场检查仪

1　引言

随着我国电子科技的进步，我军武器装备也进入了电子信息化道路，而现代武器装备功能复杂、型号繁多，因此我军对军事设备的使用和维护提出了三级维护体制：

前沿级：故障定位到现场可更换单元。

中间级：故障定位到模块化电路板。

基地级：故障定位至失效的元器件。

其中前沿级测试维修主要职责是将装备故障隔离到现场可更换单元（LRU），使装备迅速恢复或部分恢复作战能力，对测试系统的全局测试能力、体积、重量等方面要求较高，开展现场级自动检测设备的研究有着重要的现实意义，本文介绍的就是一种用于无人机载应答机的前沿级保障设备。

2　总体设计及技术特点

2.1设备组成

本文介绍的外场检查仪采用手持式设计，将电源、收发组件、处理板、显示屏、按键以及通用航空连接器或射频连接器集中在一个很小腔体之中，其外观以及组成框图如图1所示。

如图1所示，整个设备包括收发组件、信号处理板、OLED显示器、键盘、电源模块以及接口电路。工作时，通过电源模块将外部供电转换为内部所需的两组电压，然后由键盘输入按键操作。

图1　外场检查仪外观以及原理框图

2.2技术特点

本机采用高度集成的模块化设计，腔体内使用超微型连接器将收发模块、电源模块以及信号处理模块相互连接，提高了设备可靠性和设备尺寸，降低了设备成本，且易于安装和维护。另外本机使用点阵式OLED显示器，可工作在－40℃～＋55℃范围内，并设计了方便快捷的菜单界面及结果显示界面，使得工作时更加高效，加上快拆式天线设计，使得设备拆装更加快捷，环境适应性也更强，更好的满足现代军用保障设备对高效快捷、现场处理的要求。

3　检查仪工作原理

检查仪利用二次雷达原理，采用询问－应答方式来完成对应答机的应答和ATC功能检测能力。当需对应答机进行功能检测时，检查仪发射一串射频询问脉冲，对被检查的应答机进行询问，应答机收到询问信号并正确解码后回答相应的射频脉冲组，检查仪通过判断是否有正确的应答信号，完成对应答机的检测；

3.1测试前准备

军用无人机所携带的电子设备，要求一旦发生紧急情况能够销毁自身重要数据及功能程序，以防止被敌方俘获并提取我方设备信息，所以要求无人机载设备的软件需运行在易失性存储器中，无人机起飞前，地面保障设备首先将机载设备运行所需的软件及其他数据（如密码）等加载到机载设备中，然后对其进行状态检查，确认一切正常后方可随无人机起飞，所以在进行目标设备功能检查之前，应对其进行软件及密码注入，并对相关工作状态进行设置，设置完毕后方可进行检查。

使用CAN总线接口与目标设备相连，通过按键操作选择所需注入的软件及密码数据并发送到目标设备，发送过程也是对设备接口功能的一次检查，数据加载完毕后，需要对设备工作状态进行设置，仍是通过CAN总线接口发送设置命令到目标设备，完成设置。

3.2ATC功能检查

对目标进行功能检查时，应首先确保检查仪自身供电正常，自检正常才能对目标设备进行检查。

ATC应答检查：操作人员使用按键选择ATC询问发射，对目标的ATC应答功能进行检查，若目标设备正常，则检查仪将收到正确的ATC应答信号，选择发送A模式和C模式询问信号，切换检查应答机的A模式及C模式应答功能，通过其应答概率来判断ATC应答功能是否正常。若目标设备无法对ATC询问信号做出应答，则通过更换目标处理板或收发模块来定位故障到模块。

编号应答检查：操作人员使用按键选择编号识别询问发射，对目标的编号应答功能进行检查，若目标设备正常，则检查仪将收到正确的编号应答信号，通过选择不同的编号来分别检查各编号应答功能。并通过应答概率来判断编号应答功能是否正常，若目标设备无法对编号询问信号做出应答，则通过更换目标处理板或收发模块来定位故障到模块。

4　主要电路设计

4.1信号处理板

信号处理板是整个设备的核心部件，对硬件进行多功能集成，使控制、编码、解码、本地码、密码、时钟、自检接口、A/D采样、数字接收技术、时间密码参数接收、对应答机参数加载等功能综合设计为一个主板，使达到高集成和小型化设计的目的，大大降低体积、功耗、成本，提高可靠性。

如图2所示，其中ATC视频信号为民用航管信号，中频信号为某军用识别信号，收发组件将信号送至信号处理板后，先经过AD采样电路采样后，送至FPGA做数字下变频处理，解调出基带信号后在经过解扩解码等处理然后将结果送至DSP，DSP在做进一步处理得出相关结果送显示器显示，以便判断被检测的设备是否工作正常。

图2　信号处理板电路框图

信号处理板设计时，由于AD采样对时钟要求严格，其电路也需重点考虑，供电需要与其他部分隔离开，单独使用一个TI公司推出的TPS70302PWP来为AD采样芯片供电，其他电路供电使用模块KWM05S5T-25AM来供电。另外考虑到手持设备对功率的严格要求，选择LINEAR公司的一款双14位80Msps低功耗A/D转换器LTC2299，能在保证性能的基础上尽量降低整板功耗。其他部分也全部以贴片器件完成设计，连接器选用贵航集团推出的超微型矩形连接器，进一步减小设备尺寸。

4.2收发组件

收发组件主要功能包括：产生ATC所需的射频和本振信号；将调制后的射频信号输出至天线端口；将天线接收的射频信号经下变频后传输给处理板上。其原理框图如图3所示。

图3　收发组件原理框图

收发组件发射部分由信号源SWM501K与20MHz晶振产收发组件所需的本振（LO）与射频（RF）信号。射频信号通过天线二选一开关由天线发射出去。本振信号由二分一功分器分成二路信号，一路输出至本振检测端口；另一路信号通过信号放大/衰减到接收部分。

经过放大后的本振信号通过LO滤波器后与天线接收下来的信号通过下变频处理后，再通过中频60MHz滤波器输出XX中频信号到处理模块作数字处理，ATC接收信号通过检波器检波后输出ATC视频框架信号到处理模块作数字处理。

5　结构设计

为满足外场使用时对振动、三防以及电磁兼容等方面的要求以及无人机保障设备对体积的严格要求，结构设计非常关键，本机的机壳采用一体铝合金铣出，并在电源部位铣出条状凹槽加强散热，既保证了结构强度，又具有良好的电磁屏蔽性。机壳背面采用铝合金盖板，使用沉头螺钉进行紧固。结构图如图4所示所示。

图4　外场检查仪结构图

图5　FPGA程序整体框图

图5　FPGA程序整体框图

6　程序设计

信号处理板程序分为FPGA程序和DSP程序，其

中FPGA程序运行在XILINX公司推出的高性能系列FPGA型号为XC4VLX60，DSP使用TI公司推出的32位低功耗数字信号处理器TMS320F2812。

6.1FPGA程序

信号处理板FPGA程序需要完成的功能包括：数字下变频、FIR抽取及滤波、基带解扩、幅度及相位输出。

在设计FPGA程序的时候，首先使用Matlab计算FIR高通滤波器系数，之后再使用ISE的Core Generator工具生成IP Core，同样的方法再完成其他IP Core设置，比如数控震荡发生器NCO、FIR低通滤波器、FIFO等。再编写Verilog程序将各个IP Core联系在一起，配合控制语句实现程序功能。

FPGA程序由地址译码、时钟管理、复位管理、频率控制、时间模块、中断管理等功能模块组成，运行时在上电后首先完成复位及自检，然后由数据地址总线等待DSP的调度，同时随时接收AD采样数据输入，当有AD采样数据输入是，自动完成信号的解调及解码处理，若符合预设条件则送至DSP做进一步处理。DSP随时通过数据地址总线对FPGA的工作状态进行调整，以完成检测功能。FPGA程序整体框图如图5所示。

6.2DSP程序

信号处理板DSP程序（如图6所示）需要完成初始化、自检控制、电量监测、按键操作控制、检测结果处理、结果信息显示、密码处理、接口数据解析等功能。

DSP与FPGA协同工作，具体方式如下：

DSP与FPGA通过数据及地址总线互连。设备工作过程中，DSP通过数据地址总线访问FPGA内部的各个存储单元，根据需要读出状态信息，或写入控制数据。FPGA在DSP的控制下完成各种功能，比如编码、译码等；DSP则实时的响应、处理FPGA产生的各个中断（比如串口中断、按键中断等），从而控制整个模块正常工作。

7　结论

本文介绍了一种用于无人机载应答机的前沿级保障设备，该设备具有体积小巧、安装便捷、环境适应性强和检测效率高的特点，经过在多次设备维护任务中使用，效果良好，能够满足军对现代军事设备的使用和维护要求。

参考文献

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[2]张尉,徐炎祥.二次雷达原理[M].国防工业出版社,2009.

[3]江志红.深入浅出数字信号处理[M].北京航空航天大学出版社,2012.