一种机载无线电罗盘模拟器的设计与实现

 

作者:赵波/田建学/魏俊淦, 海军航空工程学院

 

无线电罗盘用于测量地面导航台的相对方位角,引导飞机出航和归航,是飞机重要的导航设备,一般由组合天线、接收机、控制盒和指示器组成。组合天线接收地面导航台信号进行组合变换,输出代表导航台方位的复合方位信号; 接收机选择、放大和解调复合方位信号,一路输出音频信号供飞行员收听,另一路输出代表导航台方位的可变方位信号与基准方位信号进行比较,输出偏差信号到指示器指示地面导航台的电波来向。

 

无线电罗盘的基本功能包括无线电信号的接收和定向,无线电罗盘维护教学需要有实际装备,供学习人员进行外部检查和通电检查,鉴于航空装备的高价格、高维护成本,设计制作模拟器进行替代训练。按照系统所需功能,系统硬件结构可以划分为四个主要模块: 定向模块、接收模块、单片机控制模块和串口显示屏。定向模块采用电子磁罗盘组件获得方位信息实现向,接收模块实现导航台信号的接收和收听,单片机进行接收机频率的选择和存储以及罗盘工作方式的转换,串口显示屏指示电台航向角。整个系统结构框图如图 1 所示。

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1:系统硬件原理框图

 

电子磁罗盘组件

 

电子磁罗盘系统的航向姿态测量模块采用了在单一模块内集成了三轴加速度传感器和三轴磁感应传感器的MEMS数字集成芯片,分别感知三正交轴上的加速度和磁场强度,经过增益放大、滤波器滤波、温度补偿、A/D信号转换和逻辑控制,正比于加速度大小的三轴数字信号和正比于磁场强度大小的三轴数字信号通过I2C串行通信接口输出,芯片对外提供了支持标准(100kHz)和快速模式(400kHz)I2C串行通信。

 

接收模块

 

接收模块采用芯科科技最新推出的高集成度AM/FM收音机芯片Si473x,电路原图如图2所示,其将天线输入至音频输出的所有功能全部集成于单颗芯片上,极大地简化了电路的设计过程。得益于先进的数字架构,Si473x 是一种不需人工调校的

 

AM/FM收音机芯片,其内置的变容器与自动校准功能可以支持各种天线,Si473xFMI(2) AMI(4)分别是FMAM的天线输入端。Si473x 内置变容器,可与宽范围AM天线匹配,只要 AM 天线的电感值在180600μH 即可。本模块采用的AM天线为小型调幅贴片电感天线 SL6426SM01,该天线是专为Si473x 系列芯片进行优化设计的,电感量为 220 μHQ值为 120,尺寸只有 26mm × 6mm × 4mm

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2: Si473x 电路连接图

           

Si473x支持2种时钟输入模式: 一种是外部时钟模式,外部提供的32.768kHz时钟信号从 Si473x 的RCLK ( 9 )输入到芯片内部;另一种方式是晶振模式,只要在Si473x的RCLK(9) GPO3(17)间接上32.768kHz的晶振及负载电容即可。Si473x工作在哪种时钟模式,是由POWER_UP命令给出的参数来确定的。Si473x 提供了3种串行控制模式:2线模式、SPI模式和3线模式,其中2线模式与I2C总线完全兼容。Si473x 通过采样在复位引脚(RST)上升沿时,GPO1GPO2引脚的状态来决定采用哪种控制方式。

 

电路设计说明

 

本设计在硬件方面以经典电路为主,所以在常规电路设计方面不难。但是,由于本设计涉及到高频与低频信号的处理,所以要特别注重抗干扰电路的设计。在PCB设计时,由于芯片与元器件的布局和布线对收音机模块性能(本身的分布参数和噪声功率等)影响很大,应重点考虑,现都将其归纳如下:

 

1.   每一个与芯片引脚相连的分立器件应尽量靠近引脚,特别是在输入部分电感天线和电容的走线应尽量短而粗,晶振到芯片和地的走线都应尽量短而粗;

2.   RF地、模拟地和数字地分开并在电源处进行单点连接;

3.   芯片布局时尽量远离开关电源模块;

4.   收音模块下方不能走任何高速信号线,万一有则一定要用地层将其屏蔽。

 

结语

 

利用电子磁罗盘和收音组件模拟无线电罗盘的工作过程,设计外形和尺寸与实际装备一致的罗盘天线接收机控制盒和指示器制作半实物仿真的无线电罗盘模拟器,用于原理课和维护课教学,完成通电检查设备拆装设备外部检查等训练科目,为航空机载设备教学提供了有效途径

 

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本文内容引用自:赵波/田建学/魏俊淦,一种机载无线电罗盘模拟器的设计与实现,仪表技术,2015 (6):21-23

 

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