0 引言

通訊接口電路主要用于完成前端綜合處理機(jī)和后端的發(fā)送控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱發(fā)控系統(tǒng)）、飛機(jī)控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱飛控系統(tǒng)）等的信號(hào)交聯(lián)。綜合處理機(jī)輸出的目標(biāo)信息經(jīng)過電氣匹配后送到單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行解析后，按照一定的幀協(xié)議將目標(biāo)信息轉(zhuǎn)發(fā)給發(fā)控系統(tǒng)，并將目標(biāo)信息中包含的干纜高度信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換及濾波放大后送至飛控系統(tǒng)和懸停器。

1 電路組成與工作原理

1．1 電路組成

根據(jù)通訊接口電路的主要功能，設(shè)計(jì)該電路的組成框圖如圖1所示。

1．2 電源電路

接線盒系統(tǒng)由一路28V直流電源供電，在此利用穩(wěn)壓芯片分別轉(zhuǎn)換得到以下三路電源：

1）運(yùn)算放大器電源：一路15．0V；2）MCU電源：兩路3．3V，分別為供數(shù)字電路和模擬電路使用；3）其他芯片電源：一路5．0V。

1．3 控制電路

通訊接口電路的控制單元MCU在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，除了需要根據(jù)綜合處理機(jī)與接線盒接口控制協(xié)議對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解析，還需要完成對(duì)干纜高度數(shù)據(jù)信號(hào)的D／A轉(zhuǎn)換，要求高度分辨率小于0．1m。

基于硬件資源需求，結(jié)合低功耗、集成化、開發(fā)周期等因素，該控制電路選用了MSP430系列的單片機(jī)。該單片機(jī)具有兩個(gè)串口并內(nèi)置12位DA轉(zhuǎn)換器，在低功耗、可靠性方面表現(xiàn)出色，滿足設(shè)計(jì)需求。

我們選擇DAC12的基準(zhǔn)電壓為2．5V，理論上其電壓分辨率為2．5／4096=0．6mV，實(shí)際上由于器件本身的誤差加上電路噪聲的影響，其有效位可能降低為10位，則電壓分辨率隨之降低為2．5V／1024=2．4mV。

由于DAC12輸出的直流電壓模擬量的范圍為0～2．5V，而飛控系統(tǒng)和懸停器要求的電壓輸入范圍為0～12V，因此需要對(duì)DAC12的輸出電壓進(jìn)行比例放大，增益系數(shù)計(jì)算如下：G=Int（12／2．5）=5。同時(shí)，由于電壓放大的緣故，在飛控系統(tǒng)的輸入端，電壓分辨率相應(yīng)降至2．4×5= 12mV。此外，已知電壓與干纜高度之間的比例關(guān)系為80mV／m，據(jù)此計(jì)算出高度分辨率為12／80=0．15（mV／m），滿足小于0．2m的設(shè)計(jì)要求。

1．4 電氣匹配

在電路設(shè)計(jì)中，由于綜合處理機(jī)、MCU和與發(fā)控系統(tǒng)之間的通訊信號(hào)的輸入／輸出邏輯不協(xié)調(diào)，需要首先解決兩種電平的轉(zhuǎn)換問題，我們?cè)诖瞬捎玫碾姎馄ヅ湫酒瑸?a target="_blank">ADM485。

對(duì)于不出戶外的422端口，我們采取了單向的保護(hù)措施，設(shè)計(jì)了由TVS管P6KE6．8CA和WE-SL2型共模電感組成的接口保護(hù)電路。當(dāng)TVS管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，它以極高的速度使其阻抗驟然降低，同時(shí)吸收一個(gè)大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。

2 通訊協(xié)議

為保證綜合處理機(jī)、接口電路MCU和與發(fā)控系統(tǒng)之間能有效、可靠地進(jìn)行通信，我們對(duì)數(shù)據(jù)的格式、順序和速率，數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_認(rèn)和接收，差錯(cuò)檢測(cè)，重傳控制和詢問等操作做出了約定，形成了通訊協(xié)議。

2．1 綜合處理機(jī)與接線盒通訊標(biāo)準(zhǔn)

綜合處理機(jī)通過一個(gè)串行通訊鏈和接線盒進(jìn)行交聯(lián)。通訊標(biāo)準(zhǔn)如下：電氣標(biāo)準(zhǔn)：EIA RS-422；信號(hào)：RxD+、RxD-、TxD+、TxD-、GND；字節(jié)：起始位1位、數(shù)據(jù)位8位、停止位1位、無校驗(yàn)位；速率：9．6kb／s；方式：異步。

2．2 綜合處理機(jī)與接線盒的數(shù)據(jù)包格式

綜合處理機(jī)向接線盒發(fā)送固定格式、固定數(shù)據(jù)周期的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括目標(biāo)信息、干纜高度、聲納有效標(biāo)識(shí)和狀態(tài)查詢命令標(biāo)識(shí)。當(dāng)接線盒接收到的數(shù)據(jù)包狀態(tài)查詢命令標(biāo)識(shí)為有效時(shí)，接線盒向綜合處理機(jī)發(fā)回狀態(tài)信息數(shù)據(jù)。

2．3 接線盒與發(fā)控系統(tǒng)通訊數(shù)據(jù)協(xié)議

接線盒接口電路向發(fā)控系統(tǒng)輸出兩路信號(hào)，一路為串行數(shù)據(jù)信號(hào)DATA和／DATA（差分信號(hào)），另一路為時(shí)鐘信號(hào)BCLK和／BCLK，兩路均為差分信號(hào)。其格式如下：

據(jù)此，可讀出目標(biāo)距離、目標(biāo)方位、目標(biāo)編碼，與發(fā)控系統(tǒng)顯示器上的目標(biāo)距離、方位及操縱臺(tái)上設(shè)置的目標(biāo)標(biāo)號(hào)比較，就可知其正確性。

3 軟件設(shè)計(jì)

國內(nèi)普及的MSP4307開發(fā)軟件種類不多，我們以用戶相對(duì)較多的IAR EW430作為開發(fā)環(huán)境。主函數(shù)流程圖如圖3所示，其中GO信號(hào)是一路標(biāo)志信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)指定的GO信號(hào)引腳置高時(shí)，即向發(fā)控系統(tǒng)確認(rèn)前級(jí)電路工作正常。

子函數(shù)的功能分為初始化、延時(shí)、串口接收中斷、定時(shí)中斷、數(shù)據(jù)處理等，其中數(shù)據(jù)處理的過程相對(duì)復(fù)雜，包括根據(jù)協(xié)議對(duì)發(fā)控系統(tǒng)目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，生成25位數(shù)據(jù)塊，此外還要啟動(dòng)DA，發(fā)送干纜高度數(shù)據(jù)等等，數(shù)據(jù)處理流程圖如圖4所示。

此外，我們采用定時(shí)器中斷方式產(chǎn)生發(fā)控系統(tǒng)目標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)鐘周期，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，由于高、低電平的持續(xù)時(shí)間均要求精確到0．01 μs，用C語言的延時(shí)語句難以控制，而用定時(shí)器中斷方式卻能良好地實(shí)現(xiàn)，只要當(dāng)計(jì)數(shù)完成時(shí)反復(fù)改變電平高低，就能產(chǎn)生精確的數(shù)據(jù)時(shí)鐘。

4 電磁兼容性設(shè)計(jì)

電磁兼容性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)電磁干擾源的研究，除了從電磁干擾源產(chǎn)生的機(jī)理著手降低其生產(chǎn)電磁噪聲的電平外，還需廣泛應(yīng)用屏蔽、濾波和接地技術(shù)。

通訊接口電路當(dāng)中，屏蔽主要運(yùn)用光電耦合器等器件來切斷電磁噪聲以傳導(dǎo)形式的傳播途徑，其特點(diǎn)是將兩部分電路的地線系統(tǒng)分隔開來，切斷通過阻抗進(jìn)行耦合的可能。

濾波是在頻域上處理電磁噪聲的技術(shù)，為電磁噪聲提供一低阻抗的通路，以達(dá)到抑制電磁干擾的目的。例如，電源濾波器對(duì)50Hz的電源頻率呈現(xiàn)高阻抗，而對(duì)電磁噪聲頻譜呈現(xiàn)低阻抗。

接地包括接地、信號(hào)接地等，接地體的設(shè)計(jì)、地線的布置、接地線在各種不同頻率下的阻抗等不僅涉及產(chǎn)品或系統(tǒng)的電氣安全，而且關(guān)聯(lián)電磁兼容和其測(cè)量技術(shù)。

5 小結(jié)

文章設(shè)計(jì)的通訊接口電路已經(jīng)順利通過了聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，其技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，有效性和可靠性得到了驗(yàn)證。其設(shè)計(jì)方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性和參考應(yīng)用價(jià)值。