一种超高频测距仪控制系统及其实现方法与流程

本发明涉及适用于DME地面设备的导航技术，特别涉及一种超高频测距仪控制系统及其实现方法。

背景技术：

传统的超高频测距仪控制系统的控制电路通常采用DSP+FPGA架构，对外只有RS232串口和GPIO通信，软件全部是裸机代码，功能扩展困难；人机界面只有一块5.7寸液晶屏和控制按键，极大地限制了产品的二次开发和功能定制。鉴于现产品设计的不足，系统响应时间长、成本高、工作不稳定、性能不可靠，不能满足日益苛刻的性能指标的需求，同时存在不能小型化的问题；如何解决这个问题就成为了本领域的技术人员所要研究和解决的课题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，即针对现有产品成本高、体积大、系统响应时间长、与遥控器等客户端模块接口不一致等问题，特别提供一种新型超高频测距仪控制系统及实现方法。该测距仪工作于L波段，频率范围962～1213MHz，与机载设备一起为飞行器提供其与地面台之间的斜距信息。测距仪地面台可与仪表着陆系统（ILS）联合使用，为飞行器提供着陆时的斜距信息，也可与全向信标（DVOR）联合使用，为飞行器提供航路上的距离信息。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案是：一种超高频测距仪控制系统，其特征在于：所述系统电路包括Cortex-A9 ARM主控芯片、电容触摸屏、网卡芯片、FRAM存储器、4*4矩阵键盘和3.3V纽扣电池；所述的Cortex-A9 ARM主控芯片的MAC口与网卡芯片连接，网卡芯片分别连接时钟源和状态灯，网卡芯片又与网络隔离变压器相连，网络隔离变压器通过RJ45连接以太网；Cortex-A9 ARM主控芯的UART 口与GPS连接，Cortex-A9 ARM主控芯的LVDS口与电容触摸屏连接，Cortex-A9 ARM主控芯片的IIC口与FRAM存储器连接，Cortex-A9 ARM主控芯片的GPIO口与4*4矩阵键盘连接，Cortex-A9 ARM主控芯片的RTC口连接3.3V纽扣电池，Cortex-A9 ARM主控芯片的CAN口通过CAN总线连接监测器、接收机和发射机。

本发明所述系统采用NXP芯片i.MX6Q硬件平台，构建嵌入式Linux操作系统；软件使用Linux操作系统下的CodeBlocks软件交叉编译模式进行开发；控制软件由应用程序、文件系统、内核程序、启动程序四层组成，其逻辑控制有以下步骤：

（一）、系统上电，加载启动程序；

（二）、启动内核；

（三）、加载文件系统；

（四）、应用程序按照提前写在系统目录/etc/init.d/下的rc.local文件中的Shell脚本命令运行，分别进入服务器进程、系统控制程序进程和AD采集转换进程；

（五）、进入服务器进程后，分别进入服务器接收和发送线程；进入系统控制程序进程后分别进入CAN收发线程、串口收发线程、网口收发线程和IO控制线程；进入AD采集转换进程后分别进入AD采样和处理线程。

本发明所产生的有益效果是：通过对系统电路进行全部重新设计，硬件电路体积小，重量轻，功能强大，抗干扰能力强，软件设计构建了Linux操作系统，工业级4核CPU的1GHz主频使得系统响应时间短，稳定性高，功能扩展更加容易，从而满足测距设备伏尔台的需求。该超高频测距仪控制系统研制成功后，使得生产成本缩减为原来的二分之一，功能更加完善，易于调试、生产和维修，取得了较好的技术效益和经济效益。该新型超高频测距仪控制系统工作稳定，性能可靠。

附图说明

图1为本发明的系统连接框图；

图2为本发明的逻辑控制总流程图；

图3为图2中服务器接收和发送线程的流程图；

图4为图2中CAN收发线程的流程图；

图5为图2中串口收发线程的流程图；

图6为图2中网口收发线程的流程图；

图7为图2中IO控制线程的流程图；

图8为图2中AD采样和处理线程流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本系统电路包括Cortex-A9 ARM主控芯片、电容触摸屏、网卡芯片、FRAM存储器、4*4矩阵键盘和3.3V纽扣电池；Cortex-A9 ARM主控芯片的MAC口与网卡芯片连接，网卡芯片分别连接时钟源和状态灯，网卡芯片又与网络隔离变压器相连，网络隔离变压器通过RJ45连接以太网；Cortex-A9 ARM主控芯的UART 口与GPS连接，Cortex-A9 ARM主控芯的LVDS口与电容触摸屏连接，Cortex-A9 ARM主控芯片的IIC口与FRAM存储器连接，Cortex-A9 ARM主控芯片的GPIO口与4*4矩阵键盘连接，Cortex-A9 ARM主控芯片的RTC口连接3.3V纽扣电池，Cortex-A9 ARM主控芯片的CAN口通过CAN总线连接监测器、接收机和发射机。

本系统电路包括Cortex-A9 ARM控制芯片、宽温型10.1寸电容触摸屏（LVDS接口）、2GB DDR3内存，256MB NandFlash存储器、1个GPS通信串口（可以接收GPS模组发送来的NEMA0183报文）、1个调试串口（用于打印信息和输入调试命令行）、IIC设备接口（通过I²C设备接口进行I/O扩展）、SPI设备接口FRAM（掉电不丢失的FRAM存储器可以用来存储数据和参数）、CAN总线通信接口（与监测器、接收机、发射机通信）、10/100Mbps以太网通信接口（与维护软件和遥控器进行通信）、4*4矩阵按键控制电路、64个GPIO口（32路开关量的输入和32路开关量的输出）。

如图2所示，本系统采用NXP芯片i.MX6Q硬件平台，构建嵌入式Linux操作系统；软件使用Linux操作系统下的CodeBlocks软件交叉编译模式进行开发；控制软件由应用程序、文件系统、内核程序、启动程序四层组成，其逻辑控制有以下步骤：

（一）、系统上电，加载启动程序；

（二）、启动内核；

（三）、加载文件系统；

（四）、应用程序按照提前写在系统目录/etc/init.d/下的rc.local文件中的Shell脚本命令运行，分别进入服务器进程、系统控制程序进程和AD采集转换进程；

（五）、进入服务器进程后，分别进入服务器接收和发送线程；进入系统控制程序进程后分别进入CAN收发线程、串口收发线程、网口收发线程和IO控制线程；进入AD采集转换进程后分别进入AD采样和处理线程。

如图3所示，服务器接收线程执行以下步骤：先创建两个信号量，再创建两个共享内存，然后通过调用Socket()函数、Bind()函数、Listen()函数后，进入服务器的接收和发送线程，然后调用Close()函数关闭套接字，最后删除两个信号量。

如图4所示，CAN收发线程执行以下步骤：首先读取和接收来自接收机、发射机、监测器的CAN数据并缓存，然后打包CAN数据帧头，转发CAN数据报文，写CAN发送数据包到缓存区并下发给接收机、发射机、监测器。

如图5所示，串口收发线程执行以下步骤：串口接收来自GPS的数据，然后进行数据解析，并打包应答的报文，最后写串口发送数据包到缓存区并回传给GPS。

如图6所示，网口收发线程执行以下步骤：首先创建共享内存，然后接收网口数据，并对数据进行处理，最后写网口发送数据包到缓存区并回传给客户端。

如图7所示，IO控制线程执行以下步骤：首先加线程锁，然后通过靠IIC串行口扩展I/O的芯片PCA 9555读取来自其他单元板的状态数据后，更新系统状态，最后开线程锁。

如图8所示，A/D采样和处理线程执行以下步骤：首先进入闪灯程序来指示A/D采样的进行状态，然后PCA9554芯片进行多路分时采样的配置，再进行A/D转换，最后进行A/D转换处理。

以下对本系统设计进行详细说明：

（1）本系统采用的主控芯片为恩智浦（飞思卡尔）公司的Cortex-A9 ARM 芯片i.MX6Q，采用NXP芯片i.MX6Q硬件平台，构建嵌入式Linux操作系统。软件使用Linux操作系统下的CodeBlocks软件交叉编译模式进行开发。控制软件由应用程序、文件系统、内核程序、启动程序四层组成。启动程序：包括与硬件相关程序、通用驱动程序以及其命令工具程序；内核程序：在内核配置中根据需要进行配置裁剪，添加自己编写的驱动；文件系统：集成了Linux常用命令和工具，为系统提供比较完善的环境；应用程序采用多线程并发处理方式，实现控制系统的各项功能。

（2）主控部分功能主要包括：可以完成状态自检，从各工作单元板获取各工作单元的工作状态信息并进行运算和通信传输处理，从监测器获取各项监测参数，以及从各电源输出获取各电源工作状态信息，对所获取的各项监测参数进行记录存储和门限判别，当超出门限时做出相应提示或操作，当重要指标项目超出门限时，发出声光告警及转机操作，可以对两路发射机的开机、转机、关机完成自动和手动的操作。

信号的具体处理过程为：

CAN总线信号：通信接口单元询问，监测器、接收机、发射机应答，报文分为查询报文、控制报文、设置报文三种，通信符合CAN2.0规范，报文传输采用CAN2.0B扩展帧格式，波特率为500Kbps。应答响应时间<50ms，应答超时表示操作无效。

网口信号：维护软件和遥控器与通信接口间通过网口连接，采用C/S模式。其中通信接口为服务器端，端口号可配置；维护计算机、遥控器为客户端，IP地址和端口号可配置。双方通信采用应答方式，维护端为主动方，通信接口为应答方。应答信息响应时间要求<100ms。数据存储小端模式。

串口信号：通信接口单元和显示单元之间通过232串行线连接。串口属性为波特率115200，8位数据位，无校验位，1位停止位，无数据流控制。通信采用应答方式，前面板为调用方，通信接口为应答方。数据存储为小端模式。通信接口应答响应时间<100ms。双方中断超时间时间设置为10s。

（3）针对产品工作环境恶劣的需求，触摸屏采用工业级型号，并做了加固，最低能支持-30℃，应用LVDS并口接口方式，实现用户操作要求；通过友好的人机交互界面，正确地显示产品的各项工作参数及状态信息等。额外定制了4*4金属键盘，作为触摸功能失效时备用，该按键防水防尘并具有坚固防破坏结构和电磁兼容性能。

（4）本系统添加了遥控器接口和本地维护软件网络接口的功能，系统遥控接口是超高频测距仪中用于完成与远程监视与维护连接的数据通信单元。主要功能包括：在控制系统与远程遥控器之间建立通信链路；在控制系统与本地维护终端之间建立通信链路。系统遥控接口单元包含两路网口电路、光网转换电路等，用于满足远距离遥控设备的需求。维护软件客户端有一个浏览器程序，控制系统作为服务器端有一个对应的Web服务器，通过CGI（通用网关接口）实现与外部应用程序之间的信息交互。

本系统技术指标：

（1）最大工作时钟：1GHz；

（2）最大存储空间：256MB；

（3）最大运行内存：2GB；

（4）工作温度范围：-30℃～+50℃；

（5）接口类型：USB、JTAG、UART、I²C、CAN接口、以太网接口等。