（测试计量技术及仪器专业论文）航空相机性能测试模拟仿真技术研究.pdf

摘要 航空相机是为新型战术侦察机配备的可见光胶片型侦察相机设备，航空相机 检测仪是为航空相机设计的配套地面检测系统。该检测仪为实现相机的整机检 测，必须能够模拟飞机任务系统对相机进行控制。航空相机性能测试模拟仿真系 统则是适应这种要求而设计的。 本文采用a r i n c 4 2 9 通讯规范，研究了航空相机性能测试模拟仿真系统。论 文对仿真系统的总体方案进行了设计。在此基础上，采用p c 1 0 4 总线嵌入式计 算机作为主控系统完成了系统的硬件设计；以w i n d o w s 9 8s e 为平台，使用v c 6 0 编制了仿真系统的软件，最后通过实机调试验证了系统的功能。 该系统可仿真航空相机载机管理系统中主控计算机对相机的控制，可模拟确 定相机工作方式所需的飞机空中姿态数据，通过航空总线接口向航空相机发送控 制指令及模拟数据，并接收、处理相机的工作反馈信息，将此信息以适当的方式 显示出来，供地面检查人员进行相机工作状态及工作故障的判断。 关键字：仿真测试a r i n c 4 2 9 数据总线航空相机 t h ea e r i a lc a m e r ai sav i s i b l el i g h tf i l lo fr e c o n n a i s s a n c ec 扭u n e r ae q u i p m e n t w h i c hd e s i g n e df o ran e wt y p et a c t i c a ls c o u t a e r i a lc a m e r ad e t e c t o ri sd e s i g n e da sa s u p p o r t i n gg r o u n dd e t e c t i o ns y s t e mf o ra e r i a lc a m e r a f o rt e s t i n gt h ea e r i a lc a m e r a a saw h o l et h ed e t e c t o rm u s tb ec a p a b l eo fs i m u l a t i n gt h es c o u tm i s s i o ns y s t e mt o c o n t r o lt h ea e r i a lc a m e r ap e r f o r m a n c et e s ts i m u l a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e df o rt h i s r e q u i r e m e n t t 1 l i sa r t i c l eu s e da r i n c4 2 9c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 s t u d i e dt h es i m u l a t i o n t e s t i n gs y s t e mf o ra e r i a lc a m e r ap e r f o r m a n c e ，d e s i g n e dt h es i m u l a t i o ns y s t e mo nt h e o v e r a l lp r o g r a m , o nt h i sb a s i s u s i n gp c 1 0 4b u se m b e d d e dc o m p u t e ra sac o n t r o l s y s t e mc o m p l e t et h es y s t e m s h a r d w a r ed e s i g n w i n d o w s 9 8a sap l a t f o r m , u s i n g v c 6 0t of i n i s h e dt h es i m u l a t i o ns y s t e m ss o f i w a l ef i n a l l y ，t h ef u n c t i o no f t h et e s t i n g s y s t e ma l es u c c e s s f u l l yv e r i f i e d t h es y s t e mc a ns i m u l a t et h ec o m p u t e ro ft h es c o u t sm a n a g e m e n ts y s t e mt o c o n t r o lt h ea e r i a lc a m e r a , c a l ls i m u l a t ed a t aw h e nt h es c o u t si sw o r k i n g t h e ns e n d t h ec o n t r o lc o m m a n da n ds i m u l a t i o nd a t at ot h ea e r i a lc a m e r at h r o u g ht h ea v i a t i o n b u si n t e r f a c e ，a l s or e c e i v i n gt h ef e e d b a c ki n f o r m a t i o nf r o mt h ec a m e r a , t r a n s l a l et h e i n f o r m a t i o na n da i s p l a yi ti na l la p p r o p r i a t ew a y f o rg r o u n di n s p e c t i o ns t a f f j u a g i n g t h ec a m e r a sw o r k i n gc o n d i t i o n sa n dm a l f u n c t i o n ， k e y w o r d s ：s i m u l a t i o nt e s t a e r o u u f i e - a lr 卫d i oi n c o r p o r a t e d4 2 9d a t ab u s 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，航空相机性能测试模拟仿真技术 研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。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作 品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者繇星! 蜡一年一月一日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：垦! 蝤年一月一日 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的及意义 航空相机是为新型战术侦察机配备的可见光胶片型侦察相机设备。该相机采用卧式 光学转筒扫描形式，对地( 海) 面目标作扫描侦察摄影，监视战场态势变化，承担攻 击战果评估侦察任务，也可为精确打击武器提供目标定位和目标清晰图像。该仿真系 统可仿真飞机中航空相机载机管理系统中主控计算机对相机的控制，可模拟确定相机 工作方式所需的飞机空中姿态数据，并通过a r i n c4 2 9 总线接口向相机发送控制指令 及模拟数据，并接收、处理相机的工作反馈信息，将此信息以适当的方式显示出来， 供地面检查人员进行相机工作状态及工作性能判断。 在现代航空工业中，机载a r i n c 一4 2 9 航空电子总线系统是连接机载设备的神经中 枢，它关系到a r i n c 一4 2 9 总线上的机载设备之间能够进行正常的通信和共同完成对飞 机的控制、操纵、信息综合和通信、导航的任务“m 。因此，高可靠的a r i n c - 4 2 9 机载 总线系统，保证飞机机载设备通讯的正确性，就必须首先研制总线仿真系统，通过仿 真系统地研制和仿真软件的运行，在地面上全面仿真航空电子设备之间通过a r i n c 一4 2 9 总线的通讯，解决总线系统数据传输负载不平衡和如何提高总线传输效率的问题，特 别是通过分析总线系统上的监视记录设备的结果来全面评价仿真系统是否达到仿真的 目的，正是按其仿真系统设计的航空电子a r i n c 一4 2 9 总线系统能否满足机载要求。研 制a r i n c 一4 2 9 总线仿真系统，是缩短航空电子总线研制周期和保证飞机机载设备通讯 正确性的有效的途径。 1 2 仿真测试技术及机载数据总线的研究现状及发展趋势 1 2 1 仿真测试技术的研究现状及发展趋势 仿真技术是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础， 以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验 研究的一种综合性技术“。它综合集成了计算机、网络技术、图形图像技术、多媒体、 软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识。 仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿“1 。人们利用这样的模型进行试验， 从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题做出决策。仿真是 一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真是有层次 的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很 难评价个仿真系统的优劣n ，。 传统的仿真方法是一个迭代过程，即针对实际系统某一层次的特性( 过程) ，抽象 出一个模型，然后假设态势( 输入) ，进行试验，由试验者判读输出结果和验证模型， 根据判断的情况来修改模型和有关的参数“1 。如此迭代地进行，直到认为这个模型己满 足试验者对客观系统的某一层次的仿真目的为止。 计算机仿真是应用电子计算机对系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的人的 思维过程和行为进行动态性比较逼真的模仿。1 。它是一种描述性技术，是一种定量分析 方法。通过建立某一过程和某一系统的模式，来描述该过程或该系统，然后用一系列 有目的、有条件的计算机仿真实验来刻画系统的特征，从而得出数量指标，为决策者 提供有关这一过程或系统得定量分析结果，作为决策的理论依据。 计算机仿真技术把现代仿真技术与计算机发展结合起来，通过建立系统的数学模 型，以计算机为工具，以数值计算为手段，对存在的或设想中的系统进行实验研究0 1 。 在我国，自从2 0 世纪5 0 年代中期以来，系统仿真技术就在航天、航空、军事等尖端 领域得到应用，取得了重大的成果。自2 0 世纪8 0 年代初开始，随着微机的广泛应用， 数字仿真技术在自动控制、电气传动、机械制造、造船、化工等工程技术领域也得到 了广泛应用。 与传统的经验方法相比，计算机仿真的优点是”1 ：能提供整个计算机域内所有有 关变量完整详尽的数据；不用进行系统实验；可预测某特定工艺的变化过程和最 终结果，使人们对过程变化规律有深入的了解；在测量方法有困难情况下是唯一的 研究方法。此外，数字仿真还具有高效率、高精度和进行实际系统难以进行具有破坏 性或危险性的实验研究等优点。 仿真技术在军事、航天、航空的应用具有悠久的历史，是设计的基本手段随着科 学技术的进步，尤其是计算机虚拟现实技术的发展，仿真技术的应用领域和范围得到 了迅速扩大，涵盖了社会的方方面面“。本文所讨论的航空相机性能测试模拟仿真系 统是基于a r i n c4 2 9 数据总线所研制的，a r i n c 4 2 9 是一种机载数据总线，下面我们简 要介绍下机载数据总线的研究现状及发展。 1 2 2 机载数据总线的研究现状及发展 在现代飞机上，系统与系统之间，系统与部件之间需要传输大量信息。航空数据总 线的出现，为飞机内部系统之间的数据传输提供了有效保证。航空数据总线作为航空 电子系统的“骨架”和“神经”，对提高现代飞机整体性能起着至关重要的作用“。随 着微电子、计算机、控制论的发展，使得航空电子系统的发展更为迅速。1 9 8 0 年美国 专门制定了军用1 5 5 3 系列标准和a r i n c 系列标准，使数据总线更加规范化。 目前在航空电子综合系统中广泛采用的数字式数据传输总线标准有： m i l s t d - 1 5 5 3 b 和a r i n c 4 2 9 两种总线规范。m i l s t d - 1 5 5 3 b 是在1 9 7 3 年公布的 m i l s t i ) - 1 5 5 3 基础上修订的，由美国汽车工程师协会( s a e ) 在1 9 7 8 年公布。由于 j i l s t d - 1 5 5 3 8 总线具有运行的可检测性，高的综合性能和较高的可靠性等优势而得到 普遍承认，成为一种国际性的航空航天总线标准。目前除了在军用飞机上使用外，也 在航天飞机、军舰和坦克等很多方面应用“”。a r i n c 4 2 9 是一种广泛应用于民用飞机的 串行单向数据总线，由美国无线电公司( a r i n c ) 于1 9 7 7 年9 月发表并获得批准使用。 它的全称是“数字式信息传输系统( d i t s ) ”，其通讯介质采用的是双绞屏蔽线，通信 采用双极性归零制的三态码调制方式：基本信息单元是由3 2 位构成的一个数据字，数 据字有5 种应用格式。数据传输采用广播传输原理，按开环进行传输。总线数据传输 速率有两种：商速传输率为l o o k b i t s ，低速传输率为1 2 5 k b i t s 。低速用于一般的 低速电子设备，而高速则用于传输大容量的数据或飞行关键信息，奇偶校验位作为每 个数字的一部分进行传输，允许接收器完成简单的误差校验。该总线具有抗干扰能力 强、连线简单、可靠性高、数据资源丰富、数据精度高等优点“”。绝大多数的现役民 用飞机，如波音系列飞机、欧洲空中客车等机种，其航空电子设备系统间的信息交换 采用的就是a r i n c 4 2 9 串行总线标准。 航空电子系统综合就是航空电子系统的一种结构方式，一种配置方法，这种结构方 式能最有效地利用各种信息资源，以较少的软、硬件代价获碍更多的功能和更高的性 能目前航空电子系统技术的发展已由联合式发展到今天的先进的综合式航电系统，而 总线技术的发展始终贯穿于航电系统的发展。从4 2 9 ，1 5 5 3 b 到高速光纤总线，直至光 纤网络技术，均体现在每一代航电系统中，系统的互连正在向着高速网络化发展。可 以说，总线技术是航电系统最关键的核心技术之一。光纤和光总线技术是目前国外最 尖端和最前沿的学科，虽然该学科技术新、难度大、有待解决的技术难题很多，而且 要投入大量的资金和人力。但是，今后的机载系统必将向着以先进的网络技术为核心， 应用成熟的光和电通信技术的方向而发展。 1 3 本课题的主要研究内容及技术指标 1 3 1 本课题主要研究内容 基于a r i n c 一4 2 9 总线航空相机仿真测试技术研究课题，是研究如何通过仿真系统地 研制和仿真软件的运行，在地面上全面仿真航空电子设备之问通过a r i n c - 4 2 9 总线的 通讯，该课题的研究主要包含以下几个方面： ( 1 ) 研究仿真系统的通讯规范即a r i n c 一4 2 9 通讯规范； ( 2 ) 仿真系统的总体方案设计： ( 3 ) 仿真系统的硬件设计； ( 4 ) 仿真系统的软件设计： 仿真飞机管理系统中主控计算机对飞机中航空相机的控制； 3 完成从航空相机取回反馈字，并将其解析，以获得其状态； 1 3 2 技术指标及性能要求 ( 1 ) 输入输出： 满足a r i n c 4 2 9 总线标准 ( 2 ) 人一机接口； 全键盘操作实现用户输入数据。十进制实现数据的设定及输入 ( 3 ) 使用环境相对湿度7 5 ( 4 ) 使用环境温度- 4 0 7 0 ( 5 ) 直流2 7 v ( 机上电源) ( 6 ) 连续工作时间不小于8 小时 ( 7 ) 校验周期：大于或等于2 年。 ( 8 ) 系统可靠性： 系统可靠性高，系统平均无故障工作时间不小于1 0 0 0 0 小时，平均修复时间应小于 l o 小时，系统重构一致性应不小于9 褊 4 第二章仿真系统通讯规范 在现代的军、民用飞机上，系统与系统之间、系统与部件之间需要传输大量的信息。 随着数字技术和微型电子计算机技术的飞跃发展以及它们在航空领域的成功应用，越 来越多的航空电子设备采用了数字化技术，从而使数字传输成为系统间信息传输的主 要途径它不仅克服了模拟传输带来的成本高、传输线多、可靠性差等缺点而且增加 了系统的精度及可靠性同时减轻了飞机、设备的重量，减少了维护成本“。a r i n c 4 2 9 数 据总线就是这样一种正在广泛使用的数字数据总线格式。它解决了原有a r i n c 4 1 9 规 范的许多矛盾及冲突，为系统间的互联提供了统一的平台。a r i n c 4 2 9 总线数据采用串 行差分方式传输，传输距离较远，抗共模干扰强，而且数据资源丰富、精度高。目前 大多数民用飞机上数字信息的传输都采用此标准。 a r i n c 4 2 9 规范规定了航空运输工业航空电子系统生产部门对部件、通用设计、结 构及试验规范的要求，保证在航线上使用满意和有必要的互换性，使那些影响设备互 换性的物理和电气特性达到最大程度的标准化，完善系统要求以求达到地面和机载设 备的兼容性，分配和规定频率以满足需要、进行标准机载通信和电子系统的协调工作 和交换技术数据等。此标准在美国民用飞机上被广泛采用我国航空工业参照 a r i n c 4 2 9 标准，于1 9 8 6 年颁布实施了航标h b 6 0 9 68 6 ( s z0 1 数字信息传输系统， 规定了航空电子设备及有关系统间的数字数据传输要求，目前出厂新机加装的机载子 设备如大气数据计算机、g p s ( 全球定位系统) 、e f i s ( 电电子式飞行仪表) 、火控计算机、 i n s ( 惯性导航系统) 等都是按a r i n c 4 2 9 的标准与外设交换数据的“，本文所研究的 航空相机性能测试模拟仿真系统采用a r i n c 4 2 9 通信规范，下面详细介绍a r i n c4 2 9 通 讯规范。 2 1a r i n c4 2 9 数字数据总线 功能相对独立的航空电子系统逐步走向综合，例如将雷达、惯导、g p s 和机载计算 机联合，组成新型航空图导航系统，各子系统之间的数据通讯变得尤为重要，目前广 泛采用a r i n c4 2 9 总线作为航空电子系统间信息传输的标准。a r i n c4 2 9 总线数据采 用串行差分方式传输，传输距离较远，抗共模干扰强，而且数据资源丰富、精度高。 a r i n c4 2 9 规范规定了航空运输工业航空电子系统生产部门对部件、通用设计结构及试 验规范的要求，保证在航线上使用满意和有必要的互换性，使那些影响设备互换性的 物理和电器特性达到最大程度的标准化，进行标准机载通信和电子系统的协调工作和 交换技术数据等“”。 2 2a r i n c4 2 9 数字信息传输规范 a r i n c 4 2 9 数字信息传输规范阐述了通过一对屏蔽双绞线( 数字数据总线) 从一个 端口向其它系统和设备以串行方式进行点对点传输数字数据信息的方法。 a r i n c4 2 9 总线为串行总线，采用3 2 位字节为传输单位，传输数据为差分信号， 传输距离较远，传输介质固有的完整性保证几乎没有信息漏失1 。a r i n c4 2 9 的数据发 送速度有高传输率l o o k b p s 和低传输率1 2 5 k b p s 两种，在同总线不得将两种总线混 用。3 2 位的数据字以脉冲形式发送，采用了双极回零调制，发送出去的脉冲有三个电 平，即高电平( + 1 0 v ) ，0 电平( o v ) ，低电平( 一1 0 v ) 如图2 1 所示。该信号同时编码了 数据和时钟信息，高电平为逻辑1 ，低电平为逻辑0 ，0 电平为发送自身时钟脉冲，如 图2 1 所示。字与字之间以一定间隔( 4 位) 分开，这样减少了单独的时钟同步线使用， 且保持0 电平状态，此间隔作为字同步。 图2 1 双极归零制三态码调制方式 系统规定，a r i n c4 2 9 总线数据传递采用单工传播方式，即一条总线只能实现从发 送设备向接收设备的单向传输，且其中只能有一个发送设备，但至多可以有2 0 个接收 设备( 见图2 。2 ) 。接收设备的多少主要是从负载的角度考虑的，而不是协议规定的。如 果想获得设备间双向数据传递，则需在每一个传输方向上各用一根独立的数据总线电 缆。另外总线电缆长度也没有明确规定，这主要取决于总线上发送设备和接收设备的 多少一般情况下，a r i n c4 2 9 系统数据总线长度为5 3 m 以下。 6 个 图2 2 a r i n c4 2 9 接收器连接结构 a r i n c4 2 9 总线系统拓扑结构主要有星型和总线型两种“，如图2 3 所示。前者的 可靠性要高一些，因为每个通路有独立的电缆连接，一条通讯线路的失效对其他通讯 线路没有影响，但硬件接口复杂，电缆多，重量重。 ( a ) 星形c a ) 总线型 图2 3a r i n c4 2 9 的总线拓扑结构 信息只能从通信设备的发送口输出，经传输总线传至与它相连的需要该信息的其它 设备的接收口，信息不能倒流回至发送端。在需要两个通信设备间双向传输时，则在 每个方向各用一根独立的传输总线。数据传输采用广播传输原理，由源系统以足够高 的速率提供传输数据，从而保证两次更新问增量值的变化小，按开环进行传输，也就 是不要求接收器通知发送源己收到信息。 2 3a r i n c4 2 9 数据字编码的规则 a r i n c 4 2 9 通信采用带有奇偶校验的3 2 位信息字，系统所传输的数据或者是采用二 进制表示法( b n r ) 编码的，或者是采用二十进制( b c d 二进制编码的十进制) 表示法 编码，一些参数如航向、高度、油量等是用b n r 格式编码；有些参数如d m e 距离、真 空速、总气温等是使用b c d 格式编码的。单个信息可按系统应用要求采用其中的一种 或两种语言编码“。除了处理按上述规定的数字数据外，l a r k 3 3d i t s 还可以在数据子 的未用位( 填充位，填充位为逻辑0 ) 中接收离散信息数据，必要时也可以用专用字来 接收离散信息数据。离散数据中的1 l 一2 9 位可以由用户指定独立编码，鉴于不同的应 用和发送结构，这些位可以有不同的含义，例如可以指示阀的开关状态；维护数据中 的1 l 一2 9 位可以由用户指定，例如用它指示系统某一部件的维护状态。而且字母和数 字是根据i s o - 5 字母编码发送的。这种由源系统提供的数据具有很高的速率，所以能 保证数据的更新值的微小变化。传输是按“开环”( 数据单向流动) 方式进行，奇偶校 验位( 第3 2 位) 作为每个数据字的一部分来发送，以便数据接收端进行简单的勘误和 数据合理性检验，这样可防止显示错误的或可疑的数据字。 数据传输是以电脉冲形式发送的，一个电脉冲就是l 位。1 个标准的数据字( 3 2 位) 被分为5 段，即：标志码( 1 a b e l ) ，第卜8 位；源目的地识别码( s o d ，第9 - 1 0 位； 数据区( d a t a ) ，第1 1 - - 2 8 位；符号状态码( s s u ) ，第2 9 - 3 1 位：奇偶校验位( p a r i t y ) ， 第3 2 位；其字的格式如表2 1 所示。1 个数字传输1 个参数( 如速度、温度等) 。两个 数字字之间有4 位问隔，这个间隔作为字同步用。一个信息数据字的发送顺序是先 l a b e l ，而后其他位，且l a b e l 按8 ，7 ，6 ，5 ，4 ，3 ，2 ，1 的顺序发送，而其它位按9 ，l o ， 1 l 。1 2 ，1 3 、，3 2 的顺序发送。以上所述各位符号的如表2 1 所示。 表2 - 1a r i n c4 2 9 码字格式 3 23 13 0 2 92 8 13 1 21 11 098 2l 奇偶符号状态位数据区霖目的地地标志码 校验址识别码 ( 1 ) 标志码( 1 a b e l ) 第l 8 位，a r i n c4 2 9 数字信息传输规范给传输的每个参数都规定了特定的标志 码，一个字包含的信息类别由1 个5 个字符的标志码来识鄹。前3 个字符是二进制编 码的八进制( 该字的前8 位) ，通过这8 位便能识别一个码字中所包含的内容，并能判 明这个字的用途。后2 个字符是用于识别a r i n c4 2 9 总线源的十六进制的设备识别码。 标志码是唯一的，且其位的顺序与字符顺序相反。 ( 2 ) 源目的地识别码( s o d 第9 1 0 位，s d i 用于当需要将一些专用字输送到一个多系统的特定系统时，判明 字的目的地。当需要将特定字发送给多系统设备的某一特定接收系统时，或者多系统 设备的源系统需要根据字的内容被接收器识别时，可用源、目的地标识符功能。使用 这种功能时，源系统应该按表2 2 所示给机载装置所确定的序号编码。接收器应识别 3 自身装置代码的字和识别包含代码“o o ”一“全访问”代码的字。 在不用源或目的地标识功能时，位号第9 位第l o 位填充二进制“o ”或按b c d 定义 为有效数据 表2 - 2 源，目标标识符说明 位号 装王序号 1 09 o0见注 o11 102 1 1 3 注：在源、目标标识符功能的某些特定场合，全访问功能会丧失，代码“o o ”用作 。4 号装置标识符”。 ( 3 ) 数据区( d a t a ) 第1 l 2 9 位，数据区的作用是将含有具体意义的数据进行编码，以便于传输。 ( 4 ) 符号状态码( s s w ) 用于标识数据字的特性，如方向、符号等，s s m 也可表明数据发生器硬件的状态， 是无效数据还是试验数据。 ( 5 ) 奇偶校验位 a r i n c4 2 9 数字信息传输系统奇偶校验位逻辑值提供的是奇数奇偶检验。数据发送 器根据当前1 - 3 1 位的逻辑。1 ”来决定第3 2 位的逻辑值，使整个3 2 位的逻辑。1 ” 的个数始终是奇数。经过传输后，接收系统再求次每个字的逻辑“1 ”的个数，如 果仍是奇数，则可认为传输有效，否则便认为无效。 a r i n c4 2 9 属于串行多路数字数据传输，这种传输的特性主要有三个：一是数据， 二是时钟，三是字同步。 ( 1 ) 数据 数据是传输的实际信息，每位前一半为高电平( + 1 0 r ) 时，表示该位逻辑值为l ， 为低电平( 一1 0 r ) 时，表示该位逻辑值为o ( 2 ) 时钟 时钟的功能是建立一个触发接收器工作的时间基准。定时是由每一位开始的脉冲 和每一位中间的脉冲的跃变来完成的。每个周期的前一半包含数据，在每一位的后一 半周期，电位回到o v ，以维持自身的同步。 ( 3 ) 字同步 所谓字同步就是按时建立一个固定点，以便识别传输过程的开始和结束。字与字 9 之间有4 位间隔，这4 位都是0 电平，数据字以这个间隔来同步，跟在这一间隔后面 发送的第一位就表示新的数据字的开始。 它们的发送顺序为：标志位、源目标标识位、数据区、符号状态位和奇偶校验位。 其中标志位与正常顺序刚好相反，先发送高位再发送低位，即发送位8 ，7 ，6 ，5 ，4 3 2 1 。数据记录格式( 2 个1 6 比特字) 向总线传输串行数据格式( 3 2 比特) 的映射关系如 图2 4 所示。 只a c 1 嘲 钮目9 叫咖咖嘲b m r - m ， b r r 罄”2 ；盖玎g 抽品= ，珥伸，” 5i 口位 日97i42 b r 只坤瓮t i 洲 图2 4 数据记录格式于a r i n c 4 2 9 总线传输串行数据格式的映射关系 在应用上，1 6 位a r i n c4 2 9 硬件基本框图主要由三部分组成：一是a r i n c a 2 9 协议 芯片组，用于完成通讯数据信息转换。目前a r i n c4 2 9 总线协议功能均已集成在一片 芯片里，而生产此类芯片的公司也很多，如d e i 公司，d d c 公司等：二是总线逻辑控制， 完成整个接口电路逻辑控制，主要是产生a r i n c 4 2 9 协议芯片控制信号和数据锁存缓冲 等功能：三是微处理器，可以是d s p 、单片机、嵌入式系统或通用微机，1 6 位a r i n c4 2 9 硬件原理基本框图如图2 5 所示： 图2 51 6 位a r i n c a 2 9 硬件原理框图 1 0 2 3 1 啪数据字 b c d 数据编码采用的是二十迸制表示法编码的，通用b c o 数据字格式见表2 - 3 表2 - 3b c d 敷据字的完整格式 pi $ s m i 第5 组i 第4 组第3 组第2 纽第l 组l $ d il 标号l 静寂时间 数据组 其中b c d 数据字的数据组包括第l l 位到第2 9 位，共1 9 位。第1 l 位是l s b ( 最低位) ，第2 9 位是m s b ( 最高位) ，1 1 位到2 9 位之间被分成5 组，第一组 称为展小有效字符，第5 组称为最高有效字符。第5 组只含3 位，可以表示十进制 数o 7 ，其它四组各含4 位，可以表示十进制数o 9 。这样b c d 数据字有效位可 以高达5 位，如果要表示带小数点的数，则小数点的位置由分辨率决定，而分辨率是 4 2 9 对各种参数分别给定的。表2 - 4 所示为举例中的传输的b c d 数据组数据，下 面以d m e 距离为例说, j - - t m j ： 参数：d m e 距离八进制标志码= 2 0 1 测量单位：n m 分辨率：o o l 表2 - 4b c d 数据组数据 2 92 82 72 62 52 42 32 22 12 01 91 81 71 61 51 41 31 21 1 0l00l0101l1l000o1lo ( 421 )( 84 2 1 )( 8 4 21 )( 842i )( g 4 21 ) 25786 该数组所表示的十进制数就是上表格中最后一行的数值2 5 7 8 6 ，由于该标号代表 的数据分辨率为0 0 1 ，所以小数点应该点在倒数第二位之前，因而d m e 距离= 2 5 7 8 6 n m 。 用户可以根据分辨率自行点小数点。表2 5 所示为b c d 数字数据符号状态矩阵 的各种表示含义。 袁2 - 5b c d 数字数据的符号状态矩阵 位号名称 3 13 0b c 数据 oo 正北、东、右去往，上或不需要符号 01 非计算数据 l0 功能测试 11 负，南、西左来自，下 2 3 2 刚r 数据字 8 n r 数据编码采用2 的补码小数记法。通用b n r 数据字格式见表2 - 6 所示 表2 - 6b n r 教据宇的完整格式 f 3 23 l3 02 92 32 7 2 62 5 1 41 31 21 11 0 一9s l 4 住 | p s s m 数据组 s d i 标号 静寂时间 其中b n r 数据字的数据组从第l l 位到第2 8 位，共1 8 位。第1 1 位是l s 6 ， 第2 8 位是m s 8 。根据编码原则。该数据组中的所有二进制表示的值最终均应以十进制 读出。表2 - 7 所示为举例中的传输的b n r 数据组数据。如何读出十进制数，下面以 马赫数的计算来举例说明： 参数：马赫数八进制标号= 2 0 5 m s b = 2 0 4 8 马赫 l s b = o 0 0 0 0 6 2 5 马赫 表2 - 78 n r 数据组数据 2 82 7 2 62 52 4 2 3 2 22 l2 01 91 81 71 6 1 51 4 1 3 121 1 0o11o1do00000o0opp 11 1 1 1 1l 1 ll1l11l 1 0o 2481 63 2 6 4 6 5 5 3 6 2 8 位( 粥b ) = 马赫数最大值2 1 3 位( l s b ) 是最低有效位，它表示最大值的1 6 5 5 3 6 1 2 和1 1 位为填充位( p 表示填充位，填充位为o ) 该数组所表示的马赫数就是逻辑值为“1 ”的各位表示值之和： 马赫数- - - - 4 0 9 6 ( 1 8 + l 1 6 + l 6 4 十1 8 1 9 2 ) = 0 8 3 2 5 2 如果数据为负值，则负号反映在符号状态标志中( 1 代表负号，o 代表正号) ， 数组中是补码形式，要逐位取反在末位加1 才可以得到真值。表2 8 、表2 - 9 所示 为b n r 数字数据符号状态矩阵的各种表示含义 表2 - 8 b n r 数字数据的符号状态矩阵 位号名称 3 13 0 州r 数据 0 0 故障警告 o1非计算数据 1o 功能测试 1 1 正常操作 表2 - 9 b n r 数字敷据的符号，状态矩阵 位号 名称 2 9b n r 数据 o 正、北，东右、去往上 1 负、南、西左，来自、下 第三章仿真系统的总体方案设计 仿真系统可仿真航空相机载机管理系统中主控计算机对相机的控制，可模拟确定 相机工作方式所需的飞机空中姿态数据，并通过航空总线接口向航空相机发送控制指 令及模拟数据。姿态模拟仿真系统是对飞机运动的参数，即3 个姿态角( 俯仰、横滚、 偏航角) 、3 个角速度( 俯仰、横滚、偏航角速度) 、2 个气流角( 迎角和侧滑角) 2 个 线位置( 飞行高度和水平位移) 和1 个线速度( 飞行速度) 的仿真模拟。 3 1 仿真系统的需求 3 1 1 系统的功麓需求 该仿真系统是航空相机的测试设备，从需求的角度，该仿真系统主要具备下列功 能： ( 1 ) 系统资源管理 管理该航空相机性能测试模拟仿真系统中的测试资源，包括总线采集和发送的板 卡，显示界面等。 ( 2 ) 实时总线接收 在实时状态下，进行总线数据的接收。 ( 3 ) 实时总线发送 在实时状态下进行总线数据的发送。 ( 4 ) 实时数据处理与显示 在实时状态下，对接收总线数据的处理并显示相机当前工作状态。 ( 5 ) 实时自检过程管理 在实时状态下，通过自动完成应答测试序列来完成自检过程该测试程序中可能包 括发送数据发送时问、数据标号和发送数据的具体数值等信息。 3 1 2 系统的性能需求 1 ) 定制性 a r i n c 4 2 9 航空相机性能测试模拟仿真系统应能满足最终用户根据每次试验需求形 成的配置文件定制综合测控系统工作状态。 2 ) 可扩展性 a r i n c 4 2 9 航空相机性能测试模拟仿真系统的体系结构是可扩展的，可以根据工程 的需求和使用情况在原有系统上进行有机扩展。 3 ) 模块化 1 4 a r i n c 4 2 9 航空相机性能测试模拟仿真系统由多个模块动态构建而成，模块之间是 松耦合关系，每个模块之间的接口数据有明确的定义。 4 ) 实时性 a r i n c 4 2 9 航空相机性能测试模拟仿真系统的数据采集和记录要求按照定制采集测 试方案进行实时的数据采集和记录，并能对数据进行实时的监测。 5 ) 同步性 a r i n c 4 2 9 航空相机性能测试模拟仿真系统所有通道可以同时工作，将所有通道的 接收数据实时记录，满足整个系统的同步 6 ) 直观性 a r i 4 2 9 航空相机性能测试模拟仿真系统要求有友好的人机界面、简便快捷的操 作方式满足工程技术人员工程应用需要。 7 ) 通用性 a r i n c 4 2 9 航空相机性能测试模拟仿真系统要求有较强的通用性，充分考虑到系统 的后续开发和硬件更新换代，尽可能延长系统的使用周期。 3 1 3 系统的环境需求 硬件平台：p c1 0 4b u s 工控机，a r i n c4 2 9 采集传输通道 操作系统：m i c r o s o f tw i n d o w s9 8 s e 编程工具：m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 3 2 仿真系统的设计指导思想 系统总体设计思想是：系统设计成p c 1 0 4 嵌入式工业控制计算机结构，外附加信 号仿真模拟功能模块、通讯数据总线接口模块、检测信号采集调理功能模块及其它配 套功能模块构成检测仪的相机管理仿真通道，用于完成仿真系统的主要功能。 仿真系统主要用于仿真载机管理系统中主控计算机对相机的管理控制功能，其通讯 接口依据4 2 9 总线标准设计，其硬件部分可完成符合此标准的所有信号的输入、输出 和调理；软件部分包括解晰、处理符合此标准的所有数据流、信息流，并根据检测要 求生成满足此标准的控制指令和信息流，实现相机功能控制的单步检测或自动检测以 及相机执行各检测指令后的反馈信息的显示、存储和管理。 3 3 系统的总体结构 系统总体方案设计是根据国内外研究现状，明确系统的研究目的和意义，结合实 际情况，给出系统的框架性方案设计方案如图3 1 所示，仿真系统采用以p c 1 0 4 嵌入 式工业控制计算机结构，外附加信号仿真模拟功能模块来实现仿真系统的功能，相机 管理仿真通道提供了航空相机整机检测接口，本通道测试接口采用五芯快速航空插头 输出，与相机通过转接电缆连接。当需要进行相机整机性能测试时，该通道受主控系 统控制打开，主控系统通过首先通过本通道打开被测相机的电源输入通道，然后由主 控系统发出根据设定参数发出数据总线信号，经本通道调理后，此数据总线信号将符 合h b 6 0 9 6 - - 8 6 及载机的外挂物电气规范，模拟载机向航空相机发出控制指令和参数设 定信息，航空相机根据控制指令和参数设定信息进行动作后，其反馈信息和反馈信号 再经本通道进行调理，输送到主控系统供检测程序进行检测结果判断和检测状态监控。 图3 i 系统的整体结构框图 如图3 2 所示。在系统中数据流向有如下两种： 键盘 p c ，1 0 4 i s a 接口 接口板 发送控制器 a 础n c 4 2 9 总 线航空相机接口 显示器一- p c 1 0 4 一一i s a 接口一接口板一接收控制器 - - a r i n c 4 2 9 总 线- 航空相机接口 l 安 控= 陌神；一 航空相机 显示器l p c 一接口扳 ； 键盘r 蓖 = 阪莲趸订。b i 1 0 4 一 ； 兀 图3 2 系统数据流结构图 1 6 仿真系统的恶劣工作环境，必然带来系统的抗干扰问题。为保证系统的可靠性， 首先注意在电路板设计中加入抗干扰措旌，保证系统的地线干扰、线问电容干扰及板 间干扰降低到最小：其次注意系统的屏蔽设计，加强电缆屏蔽，箱体屏蔽，另外，在 系统电缆布线，各功能单元的接口隔离等方面加入抗干扰设计，以保证系统性能。 第四章仿真系统硬件设计 根据空军检测设备研制指导思想和该航空相机性能测试模拟仿真系统总体设计， 系统硬件主要由主控系统、电源单元、数据信息输入输出单元、相机管理仿真通道等 组成，各分系统硬件设计以“系统集成”为基本原则，从而提高设备研制效率和可靠 性。其中航空相机姿态模拟仿真的核心部分是4 2 9 数据接口电路即相机管理方针通道， 该通道用于收发4 2 9 总线数据。图4 1 为系统硬件原理结构框图 4 1 主控系统设计 4 2 9 总 线 接 口 图4 1 系统硬件原理结构框图 主控系统是检测仪的核心。它提供了检测仪所需的航空总线、工业总线、开关量 输入输出、数字量输入输出、模拟量输入输出等基础检测资源，所有检测资源由p c 1 0 4 总线的嵌入式计算机统一管理，根据检测需要对检测资源进行合理分配”“。 由于p c 体系结构的广泛流行，与p c 兼容的软件、硬件、外设和开发工具都比 其他体系结构更丰富、更便宜。将p c 体系结构甩予嵌入式应用就意味着能够大幅度 地降低开发成本、减少风险及缩短开发周期，而且减少了许多令人头疼的系统维护和 1 8 技术支持。 为适用于嵌入式控制应用，标准p c 体系结构的硬件必须减少体积、降低功耗， 提高集成度，而p c 1 0 4 满足以上要求。 p c 1 0 4 总线是国际上最早的嵌入式计算机总线标准，是一种专门为嵌入式控制而 定义的工业控制总线1 。 它是一种带有p c 的p c 兼容模块( 电路板) ，由许多模块板卡通过1 0 4 总线层 叠组成。这种带有p 1 c 的电路板即p c 1 0 4 因为它的标准化、精确化所以可以被堆叠 在一起，从而建立起一种嵌入式计算机系统。 p c 1 0 4 这个名字起源于些于它类似的和一些特殊的可堆叠在一起的总线连接 器。它们总共有1 0 4 根插针。1 9 8 7 年业界制造出了第一块p c 1 0 4 模块，从这以后， p c 1 0 4 开始快速发展，前后有三十多家制造商制造出了一百多种p c 1 0 4 模块。就像 p c 总线标准一样，p c 1 0 4 成了当时事实上的嵌入式系统总线工业标准。1 9 9 2 年，i e e e 在p c 总线标准i e e ep 9 6 6 的基础上将p c 1 0 4 规范接纳为i e e ep 9 6 6 1 标准与通常 的p c 总线( i e e ep 9 6 6 ) 相比，p c 1 0 4 总线( i e e ep 9 6 6 1 ) 具有以下特点噼1 ： ( a ) 外形紧凑仅3 6 3 8 英寸，但几乎集成了p c 机所有功能，包括并行打印 接口、串行口、软驱接口、i d e 硬盘接口、i s a 总线、键盘和鼠标接口、v g a 显示和l c d 显示接口、矩阵键盘接口等，并支持在板f l a s h 电子硬盘，而且各个功能的应用设计 与标准微机完全相同。 ( b ) 无需机壳、面板或总线板，可做普通元件嵌入到其它模块或系统中使用。 ( c ) p c 1 0 4 系统通常由多个不同功能的模块组成，如c p u 模块、l c d 、软驱模块、 硬盘模块等。模块之间采用独特的模块堆栈式连接总线不同于p c 的6 2 点及3 6 点 金指头